矿用气体传感器 智能监控 中国煤科常州研究院梁宏高工：基于图像识别的矿用气体传感器自动检测系统

智能监控 中国煤科常州研究院梁宏高工：基于图像识别的矿用气体传感器自动检测系统

煤矿智能化是指应用场景具备灵敏准确的感知能力、精准的判断决策能力及行之有效的执行能力，可根据感知信息进行智能分析、决策与执行，并具备自学习与自优化的功能。矿用气体传感器作为煤矿智能化建设的基础层感知设备，其对外部信息的实时感知与获取能力是煤矿智能化建设的基础，决定着智能化系统分析、决策与执行的准确性；同时矿用气体传感器也是煤矿环境监控系统的核心设备，其准确性是整个系统可靠运行的基础。矿用气体传感器在投放市场前必须依据相关标准进行整机型式试验，验证其对环境气体的感知实时性与准确性，取得安全标志证书。

当前检测机构对矿用气体类传感器检测均为手工操作完成，使用的标准气体（甲烷、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳等）属于易燃易爆、有害有毒气体，极易对人体造成伤害。因检测气体浓度点位及检测次数较多，每个测点需单独开启相关气路调节流量及通气时间，人工标校操作复杂，劳动强度大，工作效率低，受人为因素影响易产生误操作与误记录，影响检测的科学性和准确性。

为减少人为误差，提高矿用气体传感器检测的准确性，提高工作效率，设计了一套基于视频图像识别技术的矿用气体传感器自动检测系统（简称自动检测系统）。

01 矿用气体传感器自动检测系统原理

自动检测系统通过自动控制气体流量系统将检测用标准气体通入待检传感器气室，传感器的显示数字随之变化。自动检测系统利用摄像机获取传感器显示值，通过图像处理模块识别传感器显示数值，然后对所识别的数值与当前所通入的标准气体的浓度进行对比并计算，实现示值误差、基本误差、标校功能、报警值、响应时间等指标的计算，判断出传感器是否符合相应的性能指标。

在检测过程中，自动检测系统通过软件自动控制气体流量、通气时间、尾气排除，自动记录并保存数据，大幅减少了人工介入，有效提高了检测精确性和效率，同时减少了有害有毒气体对人体造成的伤害，实现了矿用气体传感器的全自动检测。自动检测系统可与其他系统和办公自动化系统互联对接，实现数据共享。检测系统可同时检测3台待检传感器，满足AQ6203‒2006《煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器》、AQ6205‒2006《煤矿用电化学式一氧化碳传感器》等标准要求。

02 矿用气体传感器自动检测系统总体设计

自动检测系统主要由供电系统、交互系统、通信系统、采集系统和执行系统组成。矿用气体传感器自动检测系统总体设计如图1所示。

图1　矿用气体传感器自动检测系统总体设计

供电系统供电系统采用AC220V电源，主要由开关电源、备用电池组成。内部通过稳压电源为传感器提供DC0～30V可调电压，标准规定传感器应能在9～24V范围内正常工作，所以采用9、18、24V三路电压自动切换控制以满足常态检测和最高、最低工作电压检测需要。电压可根据传感器要求设置，供电系统自动调节供电电压，无需手动调节。

交互系统

交互系统主要负责传感器测试气体种类、标准气体（简称标气）浓度、报警值、示值误差等参数设置的人机交互功能。主要由触摸屏、核心板、外围IO等组成。交互系统采用触摸屏一体机，内置主控程序，可根据不同国标、行标规定检测项自动控制执行系统。

通信系统

通信系统主要由4G、WiFi、网关通信、总线等模块组成，主要用于提供云服务，如手机、WEB端远程查看及控制、检测过程短信通知、系统数据远程备份、办公自动化平台接入等功能。

采集系统

采集系统实时采集自动检测系统运行所必须的信息，保证检测记录输出的完整性、有效性和可追溯性。采集系统核心部分由检测箱体、固定夹具、摄像机、温湿度传感器、大气压力传感器、电流传感器、电压传感器、频率传感器等组成。主要完成传感器的通气、温度、湿度、大气压力和传感器供电电压、工作电流、显示值、输出频率等数据的采集、计算和存储。被测传感器的视频图像通过摄像仪采集，图像质量对识别的准确性起到关键作用。采用嵌入式摄像仪设计，图像就地采集、数值自动识别，每秒可识别处理不低于3次动态图像。图像和识别值通过WiFi实时传输给触摸屏，通过优化摄像仪刷新频率，保证数据采集准确性。

执行系统

执行系统由气瓶减压阀和管路、电磁阀、调节阀、流量传感器、负压排气泵等组成，接受采集系统命令，执行自动开关标气阀门、气路切换和调节气体流量等功能。气路切换采用电磁阀分别连接标气对应气路，执行系统通过预先定义气路对应的标气浓度，完成不同浓度的标气与气路的映射，实现自动气路切换。气体流量使用质量流量控制器，通过采集系统发送的指令，可实现误差3%以内流量精度控制，流量控制范围为30～1000mL/min，满足AQ1052‒2008《矿用二氧化碳传感器通用技术条件》标准检测过程中流量范围（30～600mL/min）需求。

为及时排除自动检测系统腔内的试验气体，避免有毒有害气体集聚造成危险，保证标气浓度准确，确保检测结果的精准性，设计双风机冗余负压排气风机，排风量为36m3/h（600000mL/min），按照3台1000mL/min的试验气流计算，排风量是试验入气量的200倍，符合JB/T6412‒1999排风柜标准要求并满足测试需要。

03 矿用气体传感器自动检测系统软件设计

自动检测系统软件主要包括用户管理、系统设置、标准管理及测试、查询打印等模块。通过设置测试条件参数，调用相应的测试标准，完成自动测试、比对，计算测试数据与标准要求参数，得出示值误差、基本误差和报警误差等指标，判断传感器是否满足标准规定的性能要求。自动检测系统自动测试流程如图2所示。

图2　自动检测系统自动测试流程

用户管理模块

自动检测系统内置管理员账户，只有被授权的用户才能使用该系统，账户分为管理员和普通用户2个类型。管理员账户可修改系统设置，普通用户只可进行常规操作。用户信息包括登录名称、真实名称、登录密码和手机号。

系统设置模块

自动检测系统可设置检测任务号、送检单位名称、地址、联系电话等相关信息，用于生成原始记录和检测报告；也可设置使用单位基本信息、通气流量、最低最高和常规工作电压、标校传感器默认通气时间等，其中通气流量设定值介于150～1000mL/min。

标准管理及测试模块

根据不同气体传感器检测依据标准，设定相应的测试参数和流程，建立标准测试模块，也可自建标准测试。用户根据测试需求选择检测依据标准（或传感器类型）和要测试的项目，完成自动检测。检测结束后结果会保存到本地并以短信方式通知用户检测结果。系统内置原始记录和检测报告模板，可进行模板修改并配置。

查询打印模块

此模块用于自动生成及打印检测原始记录及检测报告。可将数据保存到本地，也可推送到云端，便于浏览器访问及备份。用户可设置历史记录的保存期；可记录保存系统运行日志及用户相关操作日志，便于系统调试；可通过网页查询历史检测记录及系统运行日志。

04 矿用气体传感器自动检测系统视频图像识别

视频图像识别是自动检测系统的关键技术，视频图像识别的准确性直接影响检测结果的正确性。矿用气体传感器种类多，不同类型传感器的数字显示方式如图3所示。

图3 不同类型传感器的数字显示方式

矿用气体传感器及便携式检测仪具有亮度高、屏幕大、字体规范清晰、显示内容及位数明确等特点；但是数码管显示的传感器，存在显示频率较低的缺点，在图像捕获时的曝光率过高或过低都会引起成像质量低的问题。

因此，在图像识别阶段，自动检测系统采用针对性学习及识别的技术，针对不同的显示屏背景、字体、光线等实际工况状态下，通过使用OpenCV结合Keras库对图像识别部分建模、训练、二值化、反转、阈值、去噪、划分、提取、比较等每个阶段进行针对性的处理；在建模阶段，为提高图像识别准确率，收集了典型的数码管、液晶屏和OLED显示屏的传感器，提取其发光原理、字体、背景、光亮等信息，然后对传感器在不同背景亮度、光线环境的情况下通气，并对其不同显示值进行拍照及记录，后期通过打标签的方式对处理后的图片进行标记，让自动检测系统不断对其进行学习并修正；在剩余其他阶段，根据显示屏的特征进行自动优化处理、分割及自动排序，处理后的图像直接用于图像识别。

通过针对性的前期处理，经过多次检测识别训练验证，自动检测系统的识别处理正确率达到99%以上，满足使用条件。自动检测系统识别训练测试过程如图4所示。

图4　自动检测系统识别训练测试过程

05 矿用气体传感器自动检测系统试验应用与验证

自动检测系统能实现矿用气体类传感器全自动检测，该系统已经在检测中心得到实际应用。通过实际应用验证，自动检测系统的识别处理能力达到预期效果。自动检测系统设备如图5所示。

图5　自动检测系统设备

检测开始时，根据传感器的类型和适用标准，对自动检测系统进行检测依据标准、检测任务设置，选取检测依据标准和任务管理等（图6）。

图6　自动检测系统标准选择与任务管理设置界面

自动检测系统除了可以依据标准选取规定的检测项目测点，也可根据检测需要，任意设置检测项目和检测参数测点，用于传感器的全面考核（图7）。

图7　自动检测系统检测项目与检测点设置

检测过程中，自动检测系统实时对传感器摄像，对摄取的数据进行识别处理并记录。通过自动检测系统的实时拍照与识别值比对验证，该系统检测过程中的原始记录图片与识别值完全一致。自动检测系统检测识别界面如图8所示。

图8　自动检测系统检测识别界面

自动检测系统将检测数据、图片、识别值、统计值及检测计算结果等信息自动保存在存储器中，用于打印或调用，也可上传实验室管理系统，实现数据共享。

06 结语

针对矿用传感器和便携仪的显示特性，基于图像识别技术的矿用气体传感器自动检测系统，创新地利用视频图像识别技术和自动控制技术，实现了矿用气体类传感器一键自动检测。提升了检测机构矿用气体传感器检测工作的技术水平和工作效率，减少人为误差的同时，也提高了检测的科学性和精准性。通过实际应用验证，自动检测系统对传感器显示的数字图像识别准确率能够达到99%以上，结果自动计算准确率达到100%，能够符合传感器等产品的检验需求。

基于图像识别的矿用气体传感器自动检测系统对提升矿用气体传感器的产品质量有着重要作用，从基础层面提高了煤矿智能化建设所需的感知能力和感知准确度，对推动煤矿智能化建设有着重要意义。自动检测系统也可以用于矿山使用单位的气体传感器标校和传感器生产企业的出厂检验。

矿用气体传感器的型式试验包含有温度、环境等项目，自动检测系统能够满足室温下的传感器检测工作，但无法利用自动监测系统对传感器的高、低温工作适应性进行测试。未来的研究重点是需要针对不足，研发具备高、低温环境控制的检测系统，实现传感器的全项型式试验的性能测试。

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气体流量传感器 在经常使用气体传感器的同时，可能对于专门的矿用气体传感器来说就稍微有些陌生了。矿用气体传感器，在字面上的理解意思应该就是煤矿行业使用的气体传感器。

气体流量传感器

事实却是这样的，因为在煤矿业，气体流量传感器 的使用率是非常频繁的，对于煤矿业气体传感器始终承载着艰巨的任务在工作，检测着煤矿井下或者地面瓦斯或者工况来说，的流量，介质温度，压力等等。

气体流量传感器

近年来瓦斯爆炸事故频发，因此保障安全的气体流量传感器 在其中起着承上启下的作用。那么气体传感器具有怎么样的特点和工作原理呢?下面就介绍下矿用气体传感器。

矿用气体流量传感器 是用于监测煤矿井下或地面瓦斯抽放管道标况或工况流量、介质温度、压力等参数的本质安全型仪器。该仪器还可以用于测量其它介质(如液体或压缩空气等)的上述参数。

气体流量传感器

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