便携式多参数智能风速传感器的实验研究

为什么测量矿井风很重要

深部地下矿井依赖将新鲜空气通过漫长的巷道输送，以保护工人免受粉尘、高温和有毒气体的危害。准确知道空气的流速就像了解人的血压一样关键：太低会导致危险累积，太高又浪费能量。传统的旋转式风速计在恶劣、多尘的矿井环境中表现不佳。本研究介绍了一种新的手持超声波传感器，能够更准确、更可靠地测量风速和风向，帮助现代“智能”矿井保持空气流动的安全与高效。

从旋转杯到声波测量

几十年来，矿井依赖接触式工具，如杯式和叶片风速计、热线和压管等。这些装置直接与空气接触，必须在充满粉尘、潮气和振动的恶劣环境中维持活动部件或脆弱的导线。它们会磨损、堵塞，且常需要人工目视读数，从而引入人为误差。较新的非接触式工具使用光或声波，但在狭窄、粗糙的巷道中其信号会衰减并丧失精度。作者认为，更好的解决方案必须在精度、耐用性和在脏湿空气中持续工作的能力之间找到平衡——这是当前工具尚未完全实现的。

用回声“聆听”风

新传感器不是被风推动，而是“听”风。它在小型发射器之间发送短促的超声脉冲——人耳听不到的高频声音。当空气静止时，声波在相反方向的传播时间相同；当空气流动时，顺风方向的声波传播变快，而逆风方向的声波变慢。通过比较这些微小的时间差，装置就能计算出风速和风向。研究者测试了两种布置：直接的“对面发射”布局和“反射”布局，在后者中声音先碰到一个小反射体再返回。在低风速的受控试验中，反射布局将平均测量误差降低了约四分之三，并使读数更加稳定。

将手持传感器付诸考验

为观察设备在真实气流中的表现，团队建造了一个闭环风洞，产生与矿井巷道相似的稳定低速气流。他们将新传感器放置在中心，改变风速并调整仪器面对气流的角度。当传感器的屏幕面正对来流时，其读数与风洞的真实风速最为接近；将其侧向旋转会增加偏差。随后他们在风洞横截面的网格点上绘制了不同入口风速下的风速分布。分布符合物理预期——中间较快、靠近墙面较慢——且在有用区域内传感器的平均误差保持在约正负0.1米/秒之内，这比许多矿井标准要求的公差更为严格。

在地下真实巷道中的检验

仅有实验室成功并不足以用于安全关键设备，因此研究人员将校准后的传感器带入一处在役煤矿。在那里，他们将真实巷道的横截面划分为数十个小区，并在每个区使用便携式超声工具测量风速，同时也用机械式风速计采集标准读数。利用一种简单的整孔平均风速模型，他们比较了两种方法的结果。在两条不同的回风巷道中，传统与超声测量之间的差异大多小于0.1米/秒，尽管真实巷道形状不规则且气流模式比风洞更复杂。

对更安全、更智能矿井的意义

通俗地说，研究表明，采用反射声路的手持超声传感器在低速、粉尘和潮湿条件下也能高精度“感知”矿井风。通过精心选择内部布局、对温度和湿度进行校正并将传感器与气流对齐，团队获得了在受控试验和传统现场仪器之间高度一致的可靠读数。这种稳健且精确的风速感测是智能通风系统的关键组成部分，能够实现对风机和气流的实时调节——在提高矿工安全的同时降低能耗。

引用: Wang, Z., Wang, Y., Ni, Y. et al. Experimental study on portable multi-parameter intelligent wind measurement sensor. Sci Rep 16, 10934 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45567-1

关键词: 矿井通风, 超声波风速仪, 气流监测, 煤矿安全, 风洞试验