一種改進(jìn)的后散射型光電煤塵傳感器

梁紅,王鳳簫

(中國(guó)傳媒大學(xué)理學(xué)院光電系,北京 100024)

1 引言

地下作業(yè)的煤炭礦井在生產(chǎn)過程中,各個(gè)作業(yè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生大量煤塵顆粒。煤塵顆粒特有的性質(zhì)決定了其具有很大的危害性:加速機(jī)械設(shè)備磨損、縮短精密儀器的使用壽命、誘發(fā)職業(yè)性塵肺病,懸浮的煤塵顆粒粒徑 ＜1mm時(shí),與空氣接觸面積大,達(dá)到一定濃度時(shí),甚至可能引起爆炸[1]。對(duì)煤礦井下的煤塵濃度精確測(cè)量和在線檢測(cè)具有重要的意義[2]。一方面可以保障礦工們的生命安全,減少煤塵爆炸帶來(lái)的損失;另一方面可以保證井下作業(yè)礦工的身體健康減輕由于呼吸性粉塵所引起的塵肺病給礦工的身體健康造成的傷害;還可以保護(hù)貴重儀器設(shè)備,延長(zhǎng)使用壽命。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)生產(chǎn)的測(cè)塵儀器及采用的測(cè)量方法多種多樣,它們大致可以分為兩類:采樣法和非采樣法。非采樣法中的光散射法保留了光學(xué)法的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排放源的遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)測(cè)量。對(duì)于光散射法,煤塵濃度探測(cè)器按照光學(xué)反射原理可分為前散射型、后散射型和前后相結(jié)合的雙向散射型[3]。當(dāng)發(fā)光器件發(fā)出的光線的軸線與受光器件一側(cè)的軸線之間的夾角在 90—180°之間時(shí)為前散射型;當(dāng)發(fā)光器件發(fā)出的光線的軸線與受光器件一側(cè)的軸線之間的夾角在 0—90°之間時(shí)為后散射型。

光電子的低能耗特點(diǎn)可以有效避免成為點(diǎn)燃煤塵的熱源和達(dá)到瓦斯的引爆溫度,適合在煤礦井下應(yīng)用。光電子技術(shù)以其可靠性高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)為煤礦生產(chǎn)安全提供了重要支持和保障,光電子技術(shù)大量引入井下已經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 光散射法測(cè)量粉塵濃度理論

根據(jù) Mie理論,用光散射法測(cè)量粉塵濃度,是要測(cè)量出塵粒的散射光強(qiáng)[4],選擇合理的散射接收角和光源波長(zhǎng),則可以直接檢測(cè)空氣中的浮游粉塵濃度[5],它的測(cè)量原理如下:

對(duì)于單個(gè)粒子,這入射光強(qiáng)為 I0,距離粒子 r處的的散射光強(qiáng)度為 I,k為波數(shù)(k=2π/λ)則有:

對(duì)于單一粒徑顆粒群,顆?？倲?shù)為,散射光強(qiáng)度為I,則:

實(shí)際粉塵顆粒時(shí)具有一定尺寸分布的,而不同粒徑的粒子的 F(θ,φ)不同[6]。對(duì)于獨(dú)立散射系,有:

則有:

上式中的 V為含塵氣流的空氣。

設(shè) nr(D)為粒子群的歸一化頻數(shù)分布函數(shù),既可以推出粉塵顆粒的粒子數(shù)濃度[7]:

換算成質(zhì)量濃度:

同樣由上面的推導(dǎo)可以得出,知道了顆粒的粒徑分布及散射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的比以及算出 Mie散射參數(shù)后,就可以求出顆粒的濃度。

3 一種改進(jìn)的后散射型光電煤塵傳感器

3.1 后散射型光電煤塵濃度傳感器的總體設(shè)計(jì)

后散射型光電煤塵濃度傳感器包括三個(gè)部分:光電檢測(cè)部分、單片機(jī)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)[8]。其中,光電檢測(cè)部分包括發(fā)光器件(光發(fā)射器)和發(fā)射透鏡組成的光發(fā)射回路及有受光器件(光接收器)和接收透鏡組成的接收回路以及線路板,線路板 8上設(shè)置有放大電路 10,A/D轉(zhuǎn)換電路12、主控芯片 13和顯示電路 15。如圖 1所示。

圖 1 后散射型光電煤塵濃度傳感器總體框圖

具體實(shí)施方案:光源發(fā)出的光束經(jīng)過煤塵散射,光接收器接收到的后向散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后在輸入至解調(diào)電路 11,經(jīng)解調(diào)電路解調(diào)出的信號(hào)再經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換電路后輸入主控芯片。主控芯片經(jīng)過內(nèi)部運(yùn)算后將檢測(cè)結(jié)果通過其相接的顯示電路進(jìn)行同步顯示,即可直接從該顯示電路讀出測(cè)試結(jié)果,同時(shí)主控芯片實(shí)時(shí)將所檢測(cè)到的煤塵濃度信號(hào)輸送至上位機(jī) 14。在本電路中,通過供電部分分別為個(gè)用電電路提供電源,同時(shí)振蕩電路 17給調(diào)制電路 16提供振源。

3.2 一種改進(jìn)的后散射型光電煤塵濃度傳感器

傳統(tǒng)的煤塵濃度傳感器光電檢測(cè)部分存在一些缺點(diǎn)如[9]:光電檢測(cè)部分上部透光部分大面積使用防塵玻璃,防塵玻璃表面由含氟表面活性劑處理,不沾水不沾油,但對(duì)于煤塵這種有機(jī)固體微粒的防沾落有一定的限制。當(dāng)傳感器水平放置時(shí),難免會(huì)改變周圍煤塵的分布情況,阻礙散射光進(jìn)入受光器件,影響傳感器準(zhǔn)確性;透光面積較大,很難忽略環(huán)境光的影響。發(fā)光器件和受光器件所在探測(cè)室仍有較大剩余空間,其器壁的反射光較多,背景光過高,降低了信噪比,影響傳感器靈敏度。

針對(duì)以上指出的缺點(diǎn),本文對(duì)此后散射型光電煤塵濃度傳感器的光電檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)作了一定修改。如圖 2,遮光頂壁 1和底座 3構(gòu)成一個(gè)暗室,遮擋了外部的環(huán)境光線。發(fā)光器件前的通道呈鋸齒形,用來(lái)更有效地吸收背景光。底座 3構(gòu)成一個(gè)支架,支撐發(fā)射器,同時(shí)起固定作用,固定線路板。發(fā)光器件 2設(shè)置在底座 3的上端部分,它發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡 4折射,通過充滿鋸齒的發(fā)射腔,射入到探測(cè)區(qū)內(nèi)。

圖 2 改進(jìn)的傳感光電檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)

接收器 5可選擇平面表貼封裝在線路板 8上,通過接收透鏡 6接收外界光線,接收光線先射到接收透鏡 6上,經(jīng)過透鏡 6聚焦到接收器件 5上。透鏡 6所在平面垂直于接收光路。接收光路的光軸中心和發(fā)射光路的光軸中心相交,并可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成夾角為 0°—90°范圍內(nèi)的任何角度。

如圖 3,光電檢測(cè)部分的發(fā)射回路和接收回路之間的光軸相交透光窗之外且各自光軸與對(duì)稱之間的夾角 α可在 0°—90°之間,二者間所形成的探測(cè)區(qū) 1位于整個(gè)后散射型光電煤塵濃度傳感器的防爆殼體之外。正是由于探測(cè)區(qū)位于整個(gè)傳感器之外,傳感器可以直接對(duì)外界的煤塵做出較準(zhǔn)確的檢測(cè),不需要先將被測(cè)煙塵等通過專用設(shè)備送至位于殼體內(nèi)部的探測(cè)室內(nèi)。因而其檢測(cè)相對(duì)更直接,檢測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

改進(jìn)后的煤塵濃度傳感器光電檢測(cè)部分其主要優(yōu)點(diǎn)是:1.體型小巧,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊合理;2.傳感器本身靈敏度高且密封性能好,本身結(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)環(huán)境煤塵的影響小,尤其是彌散性的煤塵;3.操作簡(jiǎn)單,使用性強(qiáng),其探測(cè)區(qū)設(shè)在整個(gè)傳感器殼體之外,能直接對(duì)外界的煤塵作出較準(zhǔn)確的檢測(cè),不需事先將被測(cè)煙塵等通過專門設(shè)備抽送至位于殼體內(nèi)部的探測(cè)室內(nèi)。4.檢測(cè)更直接,檢測(cè)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

圖3 探測(cè)區(qū)部分的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的煤塵濃度傳感器的結(jié)構(gòu)空間與響應(yīng)性能之間不能得到兼顧,難以滿足精度要求以及實(shí)時(shí)在線檢測(cè),而且檢測(cè)設(shè)備安裝復(fù)雜。本文在后散射型的光電煤塵傳感器基礎(chǔ)上,針對(duì)光電檢測(cè)部分予以了結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),不僅保留了其后散射型光學(xué)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),而且利用結(jié)構(gòu)的修改提高了傳感器的準(zhǔn)確度和靈敏度。

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