基于光纖傳感技術(shù)的礦井粉塵質(zhì)量濃度檢測

才存良+王洋+馮進良+何佳融

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)具有良好的測量準確性和一定的實用價值。

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

中圖分類號： X 859 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.002

文章編號： 1005-5630（2017）02-0008-04

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300～500 mg/m3，機采工作區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度可達1 000～3 000 mg/m3，綜采工作區(qū)域粉塵質(zhì)量濃度可達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，而光纖傳感技術(shù)的誕生與發(fā)展無疑可對這些不足進行改善[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，適合應(yīng)用于易燃、易爆、空間受限及強電磁干擾等惡劣環(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λ，經(jīng)濾波準直后的平行光光強為I0，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，接收的透射光強發(fā)生衰減，空間顆粒群的透射光強I滿足

由式（8）可知，當波長、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檢、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σI0，并能準確地反映出檢測區(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

檢測系統(tǒng)采用雙通道結(jié)構(gòu)[7]，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。采用光纖傳感器進行整體設(shè)計，能夠很好地達到高精度測量和實時檢測的目的，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，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。

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行差分放大，通過A/D轉(zhuǎn)換器存入單片機中。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G893120型號雪崩光電二極管（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進行模擬量采集，并傳送給STM32L152VBT6型單片機進行數(shù)據(jù)處理及顯示。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗方法

采用一個體積為1 m3封閉箱，箱內(nèi)通入已知質(zhì)量的粉塵并用吹風機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)，確保粉塵無法進入腔體，避免給實驗引入誤差。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/U檢），如表1所示。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

利用MATLAB對表1中的平均值進行繪制及曲線擬合，得到如圖2所示曲線。

從實驗結(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） 實驗結(jié)果與計算機數(shù)據(jù)相吻合說明實驗數(shù)據(jù)為正確值，系統(tǒng)及方案可行。

4 結(jié) 論

實驗結(jié)果可知，本文設(shè)計的測量系統(tǒng)能實現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度的實時檢測。由于系統(tǒng)運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，在信號處理以及井下復(fù)雜條件探測方面還需提高設(shè)計標準。

參考文獻：

[1] 黃成玉，張全柱，鄧永紅.煤礦綜合防塵技術(shù)研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2011（1）：6367.

[2] 唐娟.粉塵濃度在線監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2009，36（5）：6971.

[3] 戴峻.光纖傳感器在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2010，41（8）：7780.

[4] 葛曉靜，聶帥華.光纖傳感器的原理及應(yīng)用[J].電腦與電信，2011（7）：6870.

[5] 劉鐵英，張志偉，鄭剛，等.顆粒尺寸在線測量的光透消光法[J].光學(xué)儀器，1998，20（1）：37.

[6] 朱嘉寧，陳抱雪，隋國榮，等.光全散射法顆粒粒徑分布測量的改進研究[J].光學(xué)儀器，2010，32（3）：2327.

[7] 賁富來.雙通道光纖氣壓傳感器的光電信號檢測與處理技術(shù)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2008.

[8] 張慶安.光纖標準與光纖類型選擇[J].電信工程技術(shù)與標準化，2008，21（3）：3438.

（編輯：劉鐵英）