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基于光纖傳感技術(shù)的礦井粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)

2017-06-14 19:24才存良王洋馮進(jìn)良何佳融
光學(xué)儀器 2017年2期

才存良+王洋+馮進(jìn)良+何佳融

摘要:礦井內(nèi)粉塵不僅對(duì)工人的健康具有很大危害,而且較高的粉塵質(zhì)量濃度會(huì)引起爆炸事故。為了測(cè)量礦井內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度,鑒于光纖傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),提出了基于光纖傳感技術(shù)的礦井內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光透射法,由雙通道檢測(cè)光路系統(tǒng)組成,利用MATLAB對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析,得出擬合曲線及公式。結(jié)果表明,系統(tǒng)具有良好的測(cè)量準(zhǔn)確性和一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞: 光纖傳感器; 粉塵質(zhì)量濃度; 雙光路探測(cè); 光透射法

中圖分類號(hào): X 859 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A doi: 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.002

文章編號(hào): 1005-5630(2017)02-0008-04

引 言

能源是人類未來(lái)發(fā)展的重中之重,在新型能源探索、發(fā)現(xiàn)的同時(shí),作為傳統(tǒng)能源的煤炭仍是未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間人類不可缺少的主要能源。在無(wú)防塵措施的礦井下[1],炮采工作區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度可到達(dá)300~500 mg/m3,機(jī)采工作區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)1 000~3 000 mg/m3,綜采工作區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度可達(dá)4 000~8 000 mg/m3。如此惡劣的粉塵環(huán)境,給井下工人帶來(lái)呼吸疾病高發(fā)的同時(shí)更伴隨著爆炸的危險(xiǎn),現(xiàn)有的煤礦井下粉塵測(cè)量裝置仍存在精度低、可靠性差、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn),而光纖傳感技術(shù)的誕生與發(fā)展無(wú)疑可對(duì)這些不足進(jìn)行改善[2]。光纖本身具有不帶電、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、抗電磁干擾、抗輻射等優(yōu)點(diǎn),適合應(yīng)用于易燃、易爆、空間受限及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境,并且具有高效率傳輸光信息能力,所以在井下最適宜以光纖作為傳輸光的媒介[3-4]。

1 光透射法測(cè)量原理

1.1 透射法原理

朗伯比爾定律[5]即消光法是利用單色光源通過(guò)粉塵后的消光比得到粉塵的質(zhì)量濃度。設(shè)定被測(cè)粉塵顆粒為理想的球形顆粒,探測(cè)光波長(zhǎng)為λ,經(jīng)濾波準(zhǔn)直后的平行光光強(qiáng)為I0,光平行入射到厚度為L(zhǎng)的待測(cè)粉塵區(qū)后,在顆粒的吸收及散射作用下,接收的透射光強(qiáng)發(fā)生衰減,空間顆粒群的透射光強(qiáng)I滿足

由式(8)可知,當(dāng)波長(zhǎng)、粉塵顆粒特征等條件確定的情況下,如只考慮光源輻射不穩(wěn)定帶來(lái)的影響,則C檢、C參、MV參均為定值。通過(guò)式(8)可去除光源不穩(wěn)定性誤差項(xiàng)σI0,并能準(zhǔn)確地反映出檢測(cè)區(qū)粉塵質(zhì)量濃度MV檢與lnU參U檢為線性關(guān)系。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)采用雙通道結(jié)構(gòu)[7],相比于單通道測(cè)量,雙通道系統(tǒng)不僅能完全消除入射光輻射的起伏影響,而且可在一定程度上消除雜光引起的不穩(wěn)定性。采用光纖傳感器進(jìn)行整體設(shè)計(jì),能夠很好地達(dá)到高精度測(cè)量和實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的,并且光纖傳感器具有安全、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、在井下易于形成通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),為礦井粉塵檢測(cè)裝置的安裝帶來(lái)了極大的便利。本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為保證光在光纖傳輸中損耗最小,通過(guò)3 dB耦合器把光源發(fā)出的光分成相同頻率的兩束光:一束作為測(cè)量光進(jìn)入井下的粉塵腔,光通過(guò)微粒的吸收及散射后被光接收器接收,再通過(guò)光纖傳送到光電探測(cè)器;另一束光作為參考光進(jìn)入與粉塵腔同位置的無(wú)粉塵腔中,再通過(guò)光接收器接收,傳送到光電探測(cè)器。將兩信號(hào)輸入到差分放大器進(jìn)行差分放大,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器存入單片機(jī)中。這樣經(jīng)過(guò)雙光路的設(shè)置及信號(hào)處理采用比值法,就能消除雜光和光輻射不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量造成的影響。

檢測(cè)系統(tǒng)需選擇在傳輸過(guò)程中損耗小的光波,便于在探測(cè)區(qū)得到較強(qiáng)的光信號(hào),使測(cè)試系統(tǒng)更容易接收信號(hào)及獲得好的處理效果。1 550 nm波段在遠(yuǎn)距光纖傳輸中較1 310 nm波段有更小的損耗及噪聲[8],根據(jù)實(shí)際要求我們選擇1 550 nm半導(dǎo)體激光器作為本系統(tǒng)的光源,根據(jù)本系統(tǒng)探測(cè)需求及各器件性能匹配,選用日本濱松公司生產(chǎn)的IAE系列G893120型號(hào)雪崩光電二極管(APD)作為系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換器件。G893120是一款適用于距離測(cè)量、空間光傳輸和低光量探測(cè)的銦鎵砷APD,它除了具有大感光面積之外,還具有高速響應(yīng)特性。所轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)經(jīng)差分放大、濾波等處理輸送到AD9221進(jìn)行模擬量采集,并傳送給STM32L152VBT6型單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用一個(gè)體積為1 m3封閉箱,箱內(nèi)通入已知質(zhì)量的粉塵并用吹風(fēng)機(jī)將粉塵吹均勻以模擬井下粉塵環(huán)境。把兩檢測(cè)腔放在粉塵箱中,其中檢測(cè)腔為半槽型以達(dá)到與環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度同步測(cè)量的目的,參考腔為密封結(jié)構(gòu),確保粉塵無(wú)法進(jìn)入腔體,避免給實(shí)驗(yàn)引入誤差。本系統(tǒng)采用雙光路比較測(cè)量方法,選定光源波長(zhǎng)λ=1 550 nm,中粒徑d50=40 μm,煤塵顆粒密度ρ=7.9 g/cm3,粉塵腔厚L=50 cm,分別向1 m3的箱中通入0 g、5 g、10 g、15 g、20 g、30 g、40 g、50 g煤塵,對(duì)每種質(zhì)量濃度的粉塵環(huán)境重復(fù)測(cè)量5次得到粉塵質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)的電壓參數(shù)ln(U參/U檢),如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用MATLAB對(duì)表1中的平均值進(jìn)行繪制及曲線擬合,得到如圖2所示曲線。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得:

(1) 根據(jù)擬合出的線性公式可得出本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)呈線性分布;

(2) 測(cè)量的5組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì),說(shuō)明系統(tǒng)的重復(fù)性好;

(3) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)相吻合說(shuō)明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為正確值,系統(tǒng)及方案可行。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于系統(tǒng)運(yùn)用光纖及雙光路方法測(cè)量消除了雜光的影響,節(jié)約了成本,提高了井下測(cè)量的安全系數(shù),但是仍有一些地方需要改進(jìn),在信號(hào)處理以及井下復(fù)雜條件探測(cè)方面還需提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

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(編輯:劉鐵英)