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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

文檔作者：才存良1，王洋1，馮進(jìn)良1，何佳融2 文檔來源： 1．長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院 2．吉林省計量科學(xué)研究		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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第39卷第2期
2017年4月
光學(xué)儀器
OPTICAL INSTRUMENTS
V01．39，No．2
April，2017
文章編號：1005—5630(2017)02—0008—04
基于光纖傳感技術(shù)的礦井粉塵質(zhì)量濃度檢測
才存良1，王洋1，馮進(jìn)良1，何佳融2
(1．長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林長春130022；
2．吉林省計量科學(xué)研究院，吉林長春1 30103)
摘要：礦井內(nèi)粉塵不僅對工人的健康具有很大危害，而且較高的粉塵質(zhì)量濃度會引起爆炸事故。
為了測量礦井內(nèi)的粉塵質(zhì)量濃度，鑒于光纖傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢，提出了基于光纖傳感技術(shù)的礦
井內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光透射法，由雙通道檢測光路系統(tǒng)組成，利用
MATLAB對測量數(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)具有良好的測量準(zhǔn)
確性和一定的實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞：光纖傳感器；粉塵質(zhì)量濃度；
中圖分類號：X 859文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
雙光路探測；光透射法
doi：10．3969／j．issn．1005—5630．2017．02．002
Optical fiber sensor for the coal mine dust mass concentration in well testing
CAI Cunlian91，WANG Yan91，F(xiàn)ENG Jinlian91，HE Jiaron92
(1．School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；
2．Jilin Institute of Metrology and Research，Changchun 130103，China)
Abstract：Mine dust harms the health of workers，and high dust mass concentration will cause
explosion．To measure the mass concentration of dust in the mine，the optical fiber sensor has
unique advantages．Optical fiber based sensing technology is proposed in the mine dust mass
concentration detection system．The system uses light transmission method，which is
composed of a dual—channel optical path detection system．We use MATLAB for theoretical
analysis of the measurement data and obtain the fitting curve and formula．The results show
that the system has good measuring accuracy and practical value．
Keywords：optical fiber sensor；dust mass concentration；double light path detection；light
transmission method
引言
能源是人類未來發(fā)展的重中之重，在新型能源探索、發(fā)現(xiàn)的同時，作為傳統(tǒng)能源的煤炭仍是未來很長
一段時間人類不可缺少的主要能源。在無防塵措施的礦井下‘1|，炮采工作區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度可到達(dá)
300～500 mg／ma，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
收稿日期：2016—10—29
作者簡介：才存良(1989--)，男，實(shí)驗(yàn)員，主要從事光電檢測技術(shù)方面的研究。E-mail：670071787@qq．com
通信作者：馮進(jìn)良(1964--)，男，教授，主要從事儀器總體設(shè)計與仿真方面的研究。E-mail：feng_20071101@163．corn
萬方數(shù)據(jù)
第2期才存良，等：基于光纖傳感技術(shù)的礦井粉塵質(zhì)量濃度檢測·9·
達(dá)4 000～8 000 mg／m3。如此惡劣的粉塵環(huán)境，給井下工人帶來呼吸疾病高發(fā)的同時更伴隨著爆炸的危
險，現(xiàn)有的煤礦井下粉塵測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)展無疑可對這些不足進(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瞰]。
光透射法測量原理
1．1透射法原理
朗伯一比爾定律‘53即消光法是利用單色光源通過粉塵后的消光比得到粉塵的質(zhì)量濃度。設(shè)定被測粉
塵顆粒為理想的球形顆粒，探測光波長為A，經(jīng)濾波準(zhǔn)直后的平行光光強(qiáng)為L，光平行入射到厚度為L的
待測粉塵區(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)J滿足
一I 專dI—l Ce。N礦dl (1)
√』0』√0
式中：N，為單位體積的粒子數(shù)；Ce。為消光截面積。
整理得到透射比T的朗伯一比爾定律表達(dá)式
T=≠一exp(--C。。NvL) (2)
當(dāng)球形顆粒粒徑為d時，對式(2)整理可得到透射光強(qiáng)表達(dá)式
工一'oexp(一孚NvK。。L) (3)
式中：K。。為消光系數(shù)，其值與粉塵粒徑、入射波長和介質(zhì)的折射率有關(guān)。
1．2基于光透射法對粉塵質(zhì)量濃度的測量
用經(jīng)過檢測區(qū)前后光強(qiáng)的變化來確定粉塵質(zhì)量濃度，若檢測為單一顆粒，則由朗伯一比爾定律可得
式(3)，對式(3)處理得
in(去)一{擴(kuò)NvK emL (4)
由于被檢測顆?？煽醋髑蛐晤w粒，直徑為‘d，可得到粉塵質(zhì)量濃度My—NvPV=N卵警(魯)3一-n(導(dǎo))赤警(譬)3 cs，
式中：V為單個球形顆粒的體積；p為單個粉塵顆粒密度。而在實(shí)際測量中，顆?？捎删哂幸欢ǚ植嫉亩?
分散粒系組成，則有
一。， 覆乒c山㈨、五,1 1 再 (6)
式中：m為相對折射率；Di為單個顆粒直徑；△n為單個顆粒直徑與顆粒系平均直徑之差；珥(Di)為歸一化函
數(shù)。
當(dāng)波長和粉塵顆粒確定的情況下，可引人參數(shù)C
r一————————衛(wèi)——————一咒一1．2，3。? (7) 一L夕n?下Ki(A,m,Di)nr(Di)△Di 9一口n 一2
。z一1 —2
本探測對象可用羅森一拉姆勒(Rosin-Rammler)分布定義[6]，并且煤塵分散度較小，可近似為單一顆
粒。在實(shí)際應(yīng)用中光源的不穩(wěn)定會給系統(tǒng)帶來測量誤差，引入光強(qiáng)誤差仃L，即光源實(shí)際光強(qiáng)為L+盯工。，
本系統(tǒng)中采用雙光路探測法進(jìn)行測量，兩路信號可用比值法消除誤差，即
萬方數(shù)據(jù)
· 10· 光學(xué)儀器第39卷
‰一魄(，n賽+警) (8)
式中：c箍為檢測信號參數(shù)；C妻為參考信號參數(shù)；u檢為檢測信號輸出電壓；U毒為參考信號輸出電壓；M島
為參考通道的粉塵質(zhì)量濃度。
由式(8)可知，當(dāng)波長、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)定帶來的影響，則
C輕、c參、Mv參均為定值。通過式(8)可去除光源不穩(wěn)定性誤差項(xiàng)仃Jo，并能準(zhǔn)確地反映出檢測區(qū)粉塵質(zhì)量
濃度M詫與in竽為線性關(guān)系。
2系統(tǒng)的整體設(shè)計
檢測系統(tǒng)采用雙通道結(jié)構(gòu)‘7I，相比于單通道測量，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，能夠很好地達(dá)到高
精度測量和實(shí)時檢測的目的，并且光纖傳感器具有安全、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、在井下易于形成通信網(wǎng)絡(luò)的
優(yōu)點(diǎn)，為礦井粉塵檢測裝置的安裝帶來了極大的便利。本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1雙通道檢測系統(tǒng)
Fig．1 Dual-channel detection system
為保證光在光纖傳輸中損耗最小，通過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
作為測量光進(jìn)入井下的粉塵腔，光通過微粒的吸收及散射后被光接收器接收，再通過光纖傳送到光電探
測器；另一束光作為參考光進(jìn)入與粉塵腔同位置的無粉塵腔中，再通過光接收器接收，傳送到光電探測器。
將兩信號輸入到差分放大器進(jìn)行差分放大，通過AL／D轉(zhuǎn)換器存入單片機(jī)中。這樣經(jīng)過雙光路的設(shè)置及信號
處理采用比值法，就能消除雜光和光輻射不穩(wěn)定性對測量造成的影響。
檢測系統(tǒng)需選擇在傳輸過程中損耗小的光波，便于在探測區(qū)得到較強(qiáng)的光信號，使測試系統(tǒng)更容易
接收信號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[8j，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G8931～20型號雪崩光電二極管(APD)作為系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)
換器件。G8931—20是一款適用于距離測量、空間光傳輸和低光量探測的銦鎵砷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。
萬方數(shù)據(jù)
第2期才存良，等：基于光纖傳感技術(shù)的礦井粉塵質(zhì)量濃度檢測·11·
3實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析
3．1實(shí)驗(yàn)方法
采用一個體積為1 m3封閉箱，箱內(nèi)通人已知質(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。把兩檢測腔放在粉塵箱中，其中檢測腔為半槽型以達(dá)到與環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度同步測量的目的，參
考腔為密封結(jié)構(gòu)，確保粉塵無法進(jìn)入腔體，避免給實(shí)驗(yàn)引入誤差。本系統(tǒng)采用雙光路比較測量方法，選定
光源波長A一1 550 nm，中粒徑d。。一40 pm，煤塵顆粒密度10=7．9 g／cm3，粉塵腔厚L一50 cm，分別向
1 m3的箱中通入0 g、5 g、lO g、15 g、20 g、30 g、40 g、50 g煤塵，對每種質(zhì)量濃度的粉塵環(huán)境重復(fù)測量5次
得到粉塵質(zhì)量濃度對應(yīng)的電壓參數(shù)ln(U參／Lk)，如表1所示。
表1 粉塵質(zhì)量濃度對應(yīng)的測量電壓參數(shù)
Tab．1 Measured voltage parameters according to different dust mass concentration
3．2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
利用MATLAB對表1中的平均值進(jìn)行繪制及由線擬合，得到如圖2所示曲線。
圖2測量數(shù)據(jù)平均值及擬合曲線
Fi舀2 Average measurement data and curve fitting
由MATLAB擬合得到的線性方程為
r T Mv=10．921in竿+2．551 1
U檢
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)測量數(shù)據(jù)呈線性分布；
(2)測量的5組數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，說明系統(tǒng)的重復(fù)性好；
(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計算機(jī)數(shù)據(jù)相吻合說明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為正確值，系統(tǒng)及方案可行。
(9)
(下轉(zhuǎn)第33頁)
萬方數(shù)據(jù)
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(編輯：張磊)
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(上接第n頁)
4結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文設(shè)計的測量系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度的實(shí)時檢測。由于系統(tǒng)運(yùn)用光纖及雙光路
方法測量消除了雜光的影響，節(jié)約了成本，提高了井下測量的安全系數(shù)，但是仍有一些地方需要改進(jìn)，在
信號處理以及井下復(fù)雜條件探測方面還需提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
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(編輯：劉鐵英)
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