本安型红外摄像仪在矿井救援中的应用.doc

1、本安型红外摄像仪在矿井救援中的应用郑学召 1，2 罗振敏 1，2 邓军 1，2 吴建斌 1，2（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，西部煤矿安全教育部工程研究中心）摘 要：为了解决目前煤矿井下灾害发生后，井下原有的监控通信系统被破坏，受灾情况无法以视频图像的方式实时传到地面的问题，论文探讨了本质安全红外摄像仪设计原则，设计出一种小巧轻便，具有“三防”功能，本质安全型，由救护队员随身携带本质安全型红外摄像仪。在设计过程中主要采用先进快速关断保护电路，同时采用减小储能原件、限制火花能量等手段，以达到本质安全型的目的。通过现场应用，本安红

2、外摄像仪能够将受灾情况进行客观反映，为专家提供可靠的现场信息资料，对制定科学的救灾方案起着重要的作用，同时也是数字矿山新技术的重要组成部分。关键词：本安型；红外摄像仪；矿井救援Application of intrinsic safe infrared camera in mine rescueZHENG Xue-zhao1，2 ，LUO Zheng-ming 1，2 ，DENG Jun1,2 WU Jian-bing1，2 ，（1.Faculty of Energy, Xian University of Science and Technology, 710054, Xian P.R.Ch

3、ina；2. Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention, Ministry of Education；Engineering Research Center of West-China Coal Mine Safety, Ministry of Education）Abstract：When coal mine disaster happen, original monitoring and telecommunicating system in coal mine is damaged，the info

4、rmation can not be visually transmitted up to ground，in order to solve those problems，the principles for designing intrinsic safe infrared camera are discussed， one kind of smart，portable and intrinsic safe infrared camera with function of “three prevention” is designed， which can be taken with by r

5、escuers conveniently. Advanced quick turn-off protective circuit is adopted in the new design，and energy storing components minishing and spark energy limiting are used as well，so that can keep the intrinsic safety of the camera. According to application in coal mine， this kind of camera can objecti

6、vely reflect the disaster areas， provides reliable data and information for experts to make scientific plans for rescue，it is also a important part of new digital technologies for mine.Key words: intrinsic safe, infrared camera, mine rescue近年来，我国矿山安全形势十分严峻，各类重大、特大爆炸事故、火灾事故等频繁发生，给人民生命财产造成重大损失，在社会上产生了

7、极其恶劣的影响，事故造成的严重后果和社会效应远远超过事故本身 1。我国目前在煤矿生产过程中许多场合都用到监控系统，如煤炭的开采、运输、巷道掘进等过程。在以上场合采用的均为隔爆型红外摄像仪，相对于本安型红外摄像仪，其存在的主要缺点为：隔爆型设备是用具有较高强度的板筋件通过基金项目：国家科技支撑计划项目（2007BAK29B03） ；国际科技合作计划项目（2007DFA61510） 。作者简介：郑学召(1977-),男,新疆焉耆人,讲师,在职博士, 主要依托国家矿山救援西安研究中心从事矿山应急救援通讯技术的研究工作。E_mail:焊接组成外壳，将电路板封闭在外壳中，即使内部发生爆炸，也不能炸坏外壳

8、而引爆外部环境气体，它具有很高的强度，同时重量也很大，不便于携带不能够适用于井下救援和灾情勘查。而本质安全型设备是全部采用本安电路的电气设备称为本质安全型电气设备 2，因此本质安全型红外摄像仪的研究和开发就非常重要了。1 设计原则及技术难题本质安全型红外摄像仪的研究和开发应遵循以下原则：1）兼容性原则。矿用本质安型红外摄像仪的硬件接口应该能够和其他监控设备兼容,目的在于提高工程设计和科研的进度,减少重复性的工作。2）便携式原则。设计过程中要充分考虑装置的轻便性，要求在矿井救援和灾情勘查中便于救护队员随身携带。3）四防原则。煤矿井下一般较为潮湿、多尘、而且井下不平整，容易发生碰撞和震动，因此矿用

9、本安型计算机要有防尘、防震、防潮和防爆能力。特别是防爆能力是最为重要的，煤矿设备和井下，一点火花都可能引瓦斯或粉尘爆炸。因此设备在电路上应该减小储能原件，增加短路保护、控制火花能量，防止在电路上任何可能引起事故的因素。摄像仪是一种把景物光像转变为电信号的装置。其结构可分为 3 部分：光学系统（主要指镜头） 、光电转换系统（CCD）以及电路系统（主要指视频处理电路） 。从能量的转变来看，摄像头的工作原理是一个光电光的转换过程 3。设计实现矿用本安型红外摄像面临的最大难题是摄像仪的防爆问题。2 设计原理本安红外摄像仪主要由 CCD 控制电路、红外控制电路、电源控制电路、快速关断保护电路等结构。本安

10、红外摄像仪采用的是 12 V 电池组供电，电流为 400-700 mA，其关键技术在于快速关断保护电路。该快速关断过流保护电路由纳秒级开通的三极管和纳秒级关断的场效应管构成，其中纳秒级开通的三极管的基极通过电阻与纳秒级关断的场效应管的漏极相连，纳秒级开通的三极管的发射极与纳秒级关断的场效应管的源极相连，纳秒级关断的场效应管的栅极接在纳秒级开通的三级管集电极回路的分压电阻上。上述三极管起着监视电源放电电流的作用，一旦该电流在该三极管及与其相连的电阻上的压降超过该三极管的门值电压，该三极管会在纳秒级开通，集电极电位变高，使得场效应管在纳秒级时间内关断，从而降低瞬间短路打火能量，实现了消除爆炸隐患及

11、保护负载的目的。图 1 本安保护电路原理图新型过流保护电路的一个实例的电路原理 4，如图 1 所示。此保护电路由纳秒级开通的三级管 Q1 和场效应管 Q2 组成，三级管 Q1 的型号为 3906，场效应管 Q2 的型号为SI4435。三级管 Q1 的基级和场效应管 Q2 的漏极分别通过电阻 R1 和电阻 R2 与保护电路的输出端相接，三级管 Q1 的发射极与场效应管 Q2 的源极相连；三级管 Q1 的集电极通过电阻R3 和电阻 R4 接地，场效应管 Q2 的栅极连接在电阻 R3 和电阻 R4 之间；电容 C1 并联在三极管 Q1 基极与发射极之间，以便去除干扰。当负载正常工作时，三极管 Q1

12、处于截止状态，场效应管 Q2 导通，摄像头正常工作；当摄像头出现故障或某一处短路导致电流过大时，三极管 Q1 的基极电势小于集电极，则三极管 Q1 导通，由于电阻 R4 的分压，场效应管 Q2 的栅极电压为高电平，场效应管 Q2 纳秒级关断，这样就有效地保护了负载。3 本安外壳设计CCD 摄像头的外壳采用矿用防静电塑料，壳体的各部分之间采用螺纹连接，摄像透明窗采用透光性良好的钢化玻璃，各零件均进行防蚀处理。CCD 摄像头的外壳上设有一个支架，摄像头可绕轴销转动一定角度，支架的底部有一个弹性卡，通过弹性卡可以将摄像头固定在救灾人员肩头的正压呼吸器的背带上，根据情况也可以将摄像头拿在手上。4 主要

13、电气参数清晰度：300 线（在 50lux300lux）灰度等级：7（在 50lux300lux）最低照度：0 Lux（红外灯照明）额定红外灯光波长：850m红外灯自动开启最低照度：15 Lux红外灯照射可视距离：10m（能看到景物）第一级过流关断电流： 1.60A第二级过流关断电流： 0.80A过流关断延迟： 165ns短路电流： 30mA短路关断延迟： 98ns 5 技术特点便携式矿用本质安全型红外摄像仪具有以下特点:1)设备成本低，采用对全本安电路技术,将设备外壳成本降低，通用性好。2)设备携带方便，使用灵活，可固定于矿帽上，也可固定于救护队员肩头，或拿在手里。摄下需要探测的物体或灾情。

14、3)图像传输质量高，摄像头可在全黑情况自动捕获井下现场图像。6.设备应用2006 年 10 月某矿 3106 采面发生瓦斯燃爆，井下有工作人员共 68 人，经过积极救助和灾区工作人员努力互助，灾区 13 名受伤职工被救， 4 名事故中死亡职工已有 3 名的遗体被运出，次日井下人员全部撤离。为了进一步了解井下情况，进行安全可靠的开展工作，应用便携式矿用本安红外摄像仪进行了井下灾情侦查，侦查路线为：侦查路线：1#密闭308 轨道巷-300 胶带大巷西头306 辅巷306 排瓦斯巷-300轨道大巷307 轨道巷-300 胶带大巷307 机巷307 辅巷1#密闭，同时，侦查此条路线上相关的联络巷、挡风

15、墙和闭墙，线路总长度约 1500m， 经过有效的灾情侦查，为进一步灾区的救援工作起到了很好的作用。并得到了清晰的井下视频图像，见图 2。救护队员在集合 救护队员采集灾区气样救护队员打密闭 爆炸冲垮的锚网图 2 救援灾情侦查视频图像7 结论随着煤矿安全的发展,煤矿生产中和救援过程中需要本质安全设备的场合越来越多。井下条件的恶劣复杂,要求电子设备的安全性能非常严格，普通摄像仪加防爆外壳的组成形式已不适用于矿用便携式摄像仪的发展。经过对红外摄像仪红外控制电路、电源保护电路、快速判断电路的精心设计,实现了矿用便携式本质红外摄像仪,它将大大提高井下应急救援作业的现代化程度和安全系数，同时也是数字矿山新技术的重要组成部分。参考文献:1 张佰成，谭伟贤. 城市应急联动系统建设与应用 M. 北京：科学出版社，20052 王海福,冯顺山. 防爆学原理M北京理工大学出版社,2004(1).3 王占榜，李文峰，郑学召. 一种小型矿山多媒体通信系统J.煤炭科学技术,2005，33（6）18-194 郑学召,吴建斌，文虎等.便携式矿用红外摄像仪P 中国专利：ZL200620079690.5，2007-09-12.