基于光散射法和電荷感應(yīng)法融合的粉塵濃度檢測技術(shù)

趙 政， 李德文， 吳付祥， 劉國慶

(1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院， 重慶 400044； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037； 3.煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013)

粉塵在礦山工業(yè)中對作業(yè)人員危害很大，長期吸入會引發(fā)塵肺?。环蹓m濃度在一定的現(xiàn)場條件下可能引發(fā)粉體爆炸.因此，對粉塵濃度進(jìn)行在線連續(xù)檢測是保障作業(yè)人員人身安全的重要手段[1].目前，行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最多的粉塵濃度檢測方法是光散射法和電荷感應(yīng)法[2].而基于兩種方法的粉塵濃度檢測技術(shù)的推廣，證明了其對礦山粉塵在線檢測的可行性[3].

肖賽[4]研究了單個粉塵顆粒的光散射特性，計(jì)算了不同尺寸粉塵顆粒的散射強(qiáng)度以及消光系數(shù)、散射系數(shù)隨尺寸參數(shù)的變化； Han等[5]基于MIE理論，研究了粉塵顆粒周圍介質(zhì)對散射信號的影響，發(fā)現(xiàn)歸因于介質(zhì)的相對折射率； Clementi等[6]提出了一種通過靜態(tài)光散射測量來表征球形粉塵顆粒的數(shù)值方法； Gajewski[7]建立了探針電位與動態(tài)空間的粉塵顆粒電荷密度和凈電荷之間的數(shù)學(xué)模型；劉東旭等[8]基于電荷感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了電荷感應(yīng)法粉塵濃度傳感器，對粉塵濃度與感應(yīng)電流之間的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究.

國內(nèi)外學(xué)者已對光散射法和電荷感應(yīng)法檢測粉塵濃度進(jìn)行了宏觀和微觀研究，但目前部分學(xué)者，比如李德文等[9]發(fā)現(xiàn)：光散射法適用于低粉塵濃度檢測，電荷感應(yīng)法對高粉塵濃度檢測有優(yōu)勢；反之，光散射法對高粉塵濃度、電荷感應(yīng)法對低粉塵濃度的檢測有局限性；且提出粉塵濃度檢測的最優(yōu)方案是光散射法與電荷感應(yīng)法相結(jié)合.因此，針對兩種檢測方法的局限性，本文提出一種基于光散射法和電荷感應(yīng)法融合的粉塵濃度檢測技術(shù)，集中兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)減小了誤差、提高了標(biāo)定分辨率和線性度、克服了光散射法和電荷感應(yīng)法的局限性.

1 粉塵檢測方法基本原理分析

1.1 光散射法基本原理分析

光散射法檢測粉塵濃度的常用散射方式是Mie散射，基本原理如圖1所示[10].

假設(shè)波長λ、強(qiáng)度I0的單色平行光入射三維坐標(biāo)O點(diǎn)，而O點(diǎn)有一顆或一群粉塵顆粒，入射光在粉塵顆粒表面向空間任意方向發(fā)出散射光[11].圖1中P點(diǎn)為散射光強(qiáng)接收點(diǎn)，r為O點(diǎn)與P點(diǎn)之間的距離，φ是入射光振動平面與散射平面的夾角，θ為散射角[12].

當(dāng)非均勻分布的粉塵顆粒群在O點(diǎn)濃度不高、厚度較薄，且粉塵顆粒的散射光相互獨(dú)立不干涉時，P點(diǎn)的散射光強(qiáng)度是各個粉塵顆粒在此處散射強(qiáng)度的疊加[13].因此，P點(diǎn)總散射光強(qiáng)度為I，而在垂直散射面和平行散射面的散射光強(qiáng)度分別為Ir和Im，如式(1)～式(3)[14-15]所示.

圖1 Mie散射基本原理圖

(1)

(2)

(3)

式中，S1(θ)和S2(θ)是振幅函數(shù)，與粉塵顆粒數(shù)量n有關(guān)，見式(4)和式(5)[16].

(4)

(5)

式中：an，bn為Mie散射系數(shù)，與折射率和粉塵顆粒粒徑相關(guān)；πn，τn與散射角θ相關(guān).

由式(1)～式(5)可知，總散射光強(qiáng)度I是粉塵顆粒數(shù)量n(粉塵質(zhì)量濃度ρ)的函數(shù)，且與入射光波長、光強(qiáng)度I0、散射角θ、折射率、粉塵顆粒粒徑相關(guān).

同時，Ir和Im是n-4的函數(shù).根據(jù)x-4函數(shù)圖像：在x正向增大的前期，函數(shù)值表現(xiàn)出高線性度的快速變化；而x經(jīng)過一段增大后，函數(shù)值呈低線性度緩慢變化.此處x是粉塵顆粒數(shù)量(粉塵質(zhì)量濃度ρ)，即散射光強(qiáng)度I與粉塵質(zhì)量濃度ρ呈現(xiàn)類似x-4函數(shù)變化：粉塵濃度較低時，散射光強(qiáng)度呈現(xiàn)高線性度的快速增加，標(biāo)定分辨率高；而粉塵濃度變高后，散射光強(qiáng)度呈低線性緩慢增加，標(biāo)定分辨率降低.換言之，光散射法適用于低粉塵濃度檢測，對高粉塵濃度檢測具有一定的局限性.

1.2 電荷感應(yīng)法基本原理分析

帶電量為q的粉塵顆粒，近距離飛過金屬探測電極，由于電荷感應(yīng)作用使探測電極產(chǎn)生的動態(tài)感應(yīng)電荷量為Q；再提取動態(tài)感應(yīng)電荷產(chǎn)生的交變信號來反演被測粉塵的濃度[17].

而電荷感應(yīng)的常用電極是螺旋環(huán)狀電極和棒狀電極，在工業(yè)應(yīng)用中，文獻(xiàn)[18]發(fā)現(xiàn)：螺旋環(huán)狀電極在開放的氣固兩相流環(huán)境中對中、高濃度的粉塵環(huán)境檢測適用性較高，擁有較好的綜合靈敏度，適應(yīng)于惡劣工業(yè)現(xiàn)場；而棒狀電極結(jié)構(gòu)簡單、體積小，但與螺旋環(huán)狀電極相比其感應(yīng)區(qū)域較小，主要用于管道內(nèi)粉塵濃度檢測，在開放的氣固兩相流空間中不能精確測量.由于本文被測的粉塵漂浮于礦山工作面的開放空間，因此采用螺旋環(huán)狀電極作為對象，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示[19].其中，M是帶電粉塵顆粒；D是螺旋狀電極纏繞的直徑，mm；d是螺旋狀電極直徑，mm.

圖2 螺旋狀電極數(shù)學(xué)模型

螺旋狀電極的動態(tài)感應(yīng)電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q之間的關(guān)系式為[20]

(6)

由式(6)可見，動態(tài)感應(yīng)電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q成正比.

式(6)是帶電量為q的一個粉塵顆粒在感應(yīng)電極上的動態(tài)感應(yīng)電荷量Q；但在實(shí)際檢測中，粉塵顆粒數(shù)量為n，而總的動態(tài)感應(yīng)電荷量為Q＇=nQ，可知：粉塵顆粒數(shù)量較少(粉塵濃度較低)時，動態(tài)感應(yīng)電荷量很小，信號處理比較困難，粉塵濃度不易被檢測；而隨著粉塵顆粒數(shù)量增多(粉塵濃度變高)后，動態(tài)感應(yīng)電荷量變大，粉塵濃度容易被檢測.換言之，電荷感應(yīng)法適用于高粉塵濃度檢測，對低粉塵濃度檢測具有一定的局限性.

2 粉塵濃度融合檢測

對粉塵濃度檢測基本原理分析發(fā)現(xiàn)：光散射法適用于低粉塵濃度檢測，電荷感應(yīng)法對高粉塵濃度檢測有優(yōu)勢.但光散射法對高粉塵濃度、電荷感應(yīng)法對低粉塵濃度檢測在檢測誤差、標(biāo)定分辨率等方面有局限性[9].

為了克服兩種檢測方法各自的局限性，本文自主研制光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元，基于最優(yōu)化原則，將兩種子單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合；然后基于數(shù)據(jù)融合原理，提出一種粉塵濃度檢測算法，完成兩種方法融合的粉塵濃度檢測技術(shù)的研究.

2.1 結(jié)構(gòu)融合

根據(jù)圖1，研制的光散射子單元如圖3所示.光散射子單元由激光光源、光學(xué)透鏡組、凹面聚光鏡、光陷阱、光電傳感器和檢測電路等組成.當(dāng)被測粉塵進(jìn)入光敏感區(qū)，光電傳感器將收集的散射光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過檢測電路得到光散射法檢測的被測粉塵AD值(AD值是傳感單元標(biāo)定被測粉塵濃度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù))及粉塵濃度值.

圖3 光散射子單元示意圖

根據(jù)電荷感應(yīng)法的基本原理，若要準(zhǔn)確檢測粉塵濃度，需波動性大的動態(tài)感應(yīng)電荷量Q＇.因此，采用屏蔽電纜螺旋狀纏繞在圓形氣筒(粉塵飛行氣路)外壁作為探測電極，如圖4所示.

圖4 螺旋狀探測電極示意圖

帶螺旋狀探測電極的圓形氣筒和檢測電路構(gòu)成了電荷感應(yīng)子單元，當(dāng)粉塵在圓形氣筒內(nèi)壁近距離飛過時，螺旋狀探測電極將獲得動態(tài)感應(yīng)電荷，檢測電路再將感應(yīng)電荷進(jìn)行處理得到電荷感應(yīng)法檢測的被測粉塵的AD值及粉塵濃度值.

礦山環(huán)境下，粉塵濃度變化范圍大.光散射子單元在檢測較高濃度粉塵時，短時間內(nèi)光學(xué)器件容易被污染，影響檢測結(jié)果.而電荷感應(yīng)子單元在低濃度檢測時，粉塵帶靜電量極低，濃度檢測的準(zhǔn)確度較低；雖可以通過增加風(fēng)速改善信號幅度，但誤差仍較大[21].因此，本文基于最優(yōu)化原理，提出采用兩種方法相結(jié)合，減小檢測誤差.基于圖3和圖4兩種粉塵檢測方法的子單元結(jié)構(gòu)，圖5是基于光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元的融合單元.

當(dāng)含塵氣流中的粉塵濃度較低時，自動換向閥將氣流自動切換到光散射子單元中，利用了光散射法對低粉塵濃度檢測的優(yōu)勢；而當(dāng)含塵氣流中的粉塵濃度較高時，自動換向閥將氣流自動切換到電荷感應(yīng)子單元中，憑借電荷感應(yīng)法對高粉塵濃度檢測的優(yōu)勢來減小粉塵濃度的檢測誤差.

綜上，根據(jù)現(xiàn)場粉塵濃度的高低，換向閥自動切換檢測子單元，克服了光散射法對高粉塵濃度和電荷感應(yīng)法對低粉塵濃度檢測的局限性，實(shí)現(xiàn)了粉塵濃度檢測的最優(yōu)融合.

2.2 數(shù)據(jù)融合及檢測算法

數(shù)據(jù)融合是一個新興的研究領(lǐng)域，是針對一個系統(tǒng)使用多個子單元這一特定問題而展開的一種關(guān)于數(shù)據(jù)處理的研究[22].實(shí)踐證明：與單子系統(tǒng)相比，運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠克服單個子單元的局限性，增強(qiáng)系統(tǒng)生存能力，提高整個系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度，并提高精度，擴(kuò)展整個系統(tǒng)的時間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實(shí)時性和信息利用率等[23-24].

以圖5的融合單元為基礎(chǔ)，基于最優(yōu)化原理，采用數(shù)據(jù)融合方法，本文將對同一被測粉塵對象在不同子單元的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提出一種能夠克服子單元各自局限性的檢測算法.

而不同子單元的數(shù)據(jù)來源于完備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及可靠的實(shí)驗(yàn).

2.2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和步驟

1) 粉塵制樣：從煤礦現(xiàn)場采回較大的煤塊；放入破碎機(jī)進(jìn)行初步粉碎；再使用研磨機(jī)進(jìn)行精細(xì)研磨，使煤粉的中位徑均小于75 μm；最后將煤粉放置到溫度為(25±5)℃烘箱中進(jìn)行24 h烘干.

2) 標(biāo)準(zhǔn)儀器：選用粉塵濃度測量的國際通用儀器：手工采樣器，其參數(shù)為負(fù)載能力(200±20)Pa，誤差±10%.

稱重儀器為十萬分之一分析天平，其參數(shù)為量程42～120 g，分辨力為0.01～0.1 mg.

3) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和環(huán)境：由定量發(fā)塵器(0～1 000 mg/m3)、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道(風(fēng)硐)、風(fēng)速測定儀(0～30 m/s)、計(jì)算機(jī)控制平臺及變頻風(fēng)機(jī)組成粉塵發(fā)塵系統(tǒng)，如圖6所示.發(fā)塵系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定，在變頻風(fēng)機(jī)的作用下，風(fēng)速均勻性偏差≤5%；定量發(fā)塵器將粉塵噴入管道，風(fēng)硐管道截面粉塵濃度均勻性相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%；風(fēng)硐內(nèi)同一水平面上粉塵濃度相對偏差≤2%.

實(shí)驗(yàn)室使用恒溫空調(diào)使環(huán)境相對濕度小于60%，溫度為(25±5) ℃，且穩(wěn)定.

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4) 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)測試方法為濾膜質(zhì)量濃度法；其測塵原理為在氣泵作用下，使一定體積的含塵空氣在一定時間內(nèi)通過已知質(zhì)量的濾膜，粉塵被阻留在濾膜上，然后通過測量氣量和濾膜上粉塵的質(zhì)量，計(jì)算出粉塵的濃度.

計(jì)算粉塵質(zhì)量濃度：

(7)

式中：ρ為被測粉塵質(zhì)量濃度，mg/m3；m1，m2為濾膜采樣前后質(zhì)量，g；qV為采樣流量，L/min；t為采樣時間，min.

具體實(shí)驗(yàn)步驟為:

① 在抽塵前，選用孔徑為0.2 μm的干凈濾膜，置于烘箱內(nèi)25 ℃恒溫2 h，使用天平稱重，記錄濾膜質(zhì)量m1；

② 打開變頻風(fēng)機(jī)調(diào)整風(fēng)速，待風(fēng)硐內(nèi)的風(fēng)速穩(wěn)定后，開啟靜電除塵器、壓氣泵和定量發(fā)塵器發(fā)塵；

③ 將手工采樣器、光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元置于發(fā)塵系統(tǒng)中同一截面和水平位置，然后開啟手工采樣器中的氣泵抽塵，將含塵氣流中的粉塵收集到濾膜上；

④ 結(jié)束抽塵，記錄采樣流量qV，采樣時間t；再次將帶塵濾膜置于烘箱內(nèi)25 ℃恒溫2 h，使用天平稱重得到抽塵后帶塵濾膜的質(zhì)量m2；

⑤ 根據(jù)式(7)計(jì)算手工采樣器測試的粉塵質(zhì)量濃度ρ，作為標(biāo)準(zhǔn)值；將標(biāo)準(zhǔn)值與光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元的檢測值進(jìn)行對比分析；

⑥ 調(diào)節(jié)發(fā)塵器開口，改變發(fā)塵濃度，重復(fù)①，③～⑤進(jìn)行其他濃度的對比實(shí)驗(yàn)；

⑦ 實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉發(fā)塵器、壓氣泵靜電除塵器和變頻風(fēng)機(jī)，將光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元和手工采樣器從風(fēng)硐中取出歸置.

2.2.2 數(shù)據(jù)融合

基于2.2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和步驟，以手工采樣器采樣稱重的粉塵質(zhì)量濃度值作為標(biāo)準(zhǔn)，將兩種子單元檢測的粉塵質(zhì)量濃度值以及AD值(16位)(減去電路的背景噪聲)記錄整理.經(jīng)過50次實(shí)驗(yàn)之后，從中抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

在不同粉塵質(zhì)量濃度時，兩種子單元測量輸出的AD值是粉塵濃度標(biāo)定的基礎(chǔ)，為了在同一水平進(jìn)行數(shù)據(jù)融合研究，將光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元輸出的AD值和融合值進(jìn)行最值歸一化，見圖7.

如表1所示，光散射子單元檢測誤差：當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度≤100 mg/m3時，檢測誤差<10%；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為100～500 mg/m3時，檢測誤差約10%～14%；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為500～1 000 mg/m3時，檢測誤差約14%～15%.電荷感應(yīng)子單元檢測誤差：當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度≤100 mg/m3時，檢測誤差約13%～15%；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為100～500 mg/m3時，檢測誤差約8%～13%；當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為500～1 000 mg/m3時，檢測誤差約7%～8%.

圖7 光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元AD值和融合值歸一化曲線

光散射子單元標(biāo)定分辨率：在較低質(zhì)量濃度(≤100 mg/m3)時，標(biāo)定分辨率(標(biāo)定1 mg/m3粉塵濃度值)約110～130；隨粉塵質(zhì)量濃度升高，標(biāo)定分辨率逐步減小，當(dāng)采樣器中粉塵質(zhì)量濃度為910.2 mg/m3時，標(biāo)定分辨率為35.3.電荷感應(yīng)子單元標(biāo)定分辨率：在較低質(zhì)量濃度(≤100 mg/m3)時，標(biāo)定分辨率約3～8；隨粉塵濃度升高，標(biāo)定分辨率逐步增大，當(dāng)采樣器中粉塵質(zhì)量濃度為910.2 mg/m3時，標(biāo)定分辨率為65.0.

比較發(fā)現(xiàn)：粉塵濃度低時，光散射法的檢測誤差小、標(biāo)定分辨率高，而電荷感應(yīng)法的檢測誤差大、標(biāo)定分辨率低；粉塵濃度升高后，兩種檢測方法的檢測誤差、標(biāo)定分辨率與低粉塵濃度時相反.由此可見：光散射法適用于較低粉塵濃度的檢測，電荷感應(yīng)法對高粉塵濃度檢測有優(yōu)勢.換言之，光散射法檢測較高粉塵濃度、電荷感應(yīng)法檢測較低粉塵濃度有局限性.該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了1.1節(jié)和1.2節(jié)理論分析的檢測局限性.

為了克服光散射法或電荷感應(yīng)法單一方法對粉塵濃度檢測的局限性，基于最優(yōu)化原理，本文將集中光散射法對低粉塵濃度和電荷感應(yīng)法對高粉塵濃度的檢測優(yōu)點(diǎn)，將兩者的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[25]，探尋一種既適用于低粉塵濃度檢測又能準(zhǔn)確檢測高粉塵濃度的新檢測技術(shù).

AD值是傳感單元標(biāo)定被測粉塵濃度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文將兩種子單元輸出的AD值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，尋找一種能提升粉塵濃度標(biāo)定分辨率和減小粉塵濃度檢測誤差的AD融合值.

如圖7所示，光散射子單元AD值曲線為a(x)，電荷感應(yīng)子單元AD值曲線為b(x).將[0，x]區(qū)間分成n個節(jié)點(diǎn)：0

fi(x)=[amin+(amax-amin)ai(x)]Ai(x)+
[bmin+(bmax-bmin)bi(x)]Bi(x).

(8)

其中：Ai(x)=k1x2+k2x+k3(x≤100，Bi(x)=0)；Bi(x)=e1xe2(x>100，Ai(x)=0).

式中：k1，k2，k3，e1，e2為Ai(x)和Bi(x)的系數(shù)；Ai(x)和Bi(x)是通過表1數(shù)據(jù)回歸建立的與粉塵濃度相關(guān)的函數(shù)；amax，amin為光散射子單元輸出的最大和最小AD值；bmax，bmin為電荷感應(yīng)子單元輸出的最大和最小AD值.

根據(jù)最優(yōu)化原則，當(dāng)粉塵濃度較低時，適用光散射法；而粉塵濃度較高時，電荷感應(yīng)法具有優(yōu)勢.基于式(8)將兩種檢測方法進(jìn)行融合，而融合存在一個分界點(diǎn)；不同種類粉塵的分界點(diǎn)不一樣，通過設(shè)置標(biāo)定系數(shù)來區(qū)分不同種類粉塵的分界點(diǎn).根據(jù)表1，將100 mg/m3作為煤粉的分界點(diǎn)，此時光散射法和電荷感應(yīng)法在分界點(diǎn)的值為Ai(100)=n1，Bi(100)=n2.當(dāng)粉塵濃度≤100 mg/m3時，Ai(x)≤n1，采用光散射法檢測粉塵濃度，此時Bi(x)=0；而粉塵濃度>100 mg/m3時，Bi(x)

將表1的兩種子單元的AD值代入式(8)提取AD融合值，如表2所示.

如表1和表2所示，光散射子單元的平均標(biāo)定分辨率是88.7，電荷感應(yīng)子單元的平均標(biāo)定分辨率是24.1，而經(jīng)最優(yōu)融合的平均標(biāo)定分辨率為112.8，是光散射子單元的1.27倍，是電荷感應(yīng)子單元的4.68倍，可見AD融合值提高了粉塵濃度檢測的標(biāo)定分辨率；同時從圖7可知，AD融合值曲線c(x)比光散射子單元AD值曲線a(x)、電荷感應(yīng)子單元AD值曲線b(x)的線性度好.

然后，基于表2中的數(shù)據(jù)，得到了粉塵質(zhì)量濃度與融合值的線性擬合方程F(x).

表2 不同粉塵濃度的AD融合值

2.2.3 粉塵濃度檢測算法

基于前面的數(shù)據(jù)融合和分析，提出一種新的粉塵質(zhì)量濃度檢測算法.算法的步驟如下：

1) 首先融合單元開機(jī)，將光散射子單元置于含塵氣流的氣路中進(jìn)行初步測試.根據(jù)表1，若AD值反演后Ai(x)≤n1，自動換向閥不動，繼續(xù)進(jìn)行測試；若Ai(x)>n1，自動換向閥切換到電荷感應(yīng)子單元通道.或假設(shè)開機(jī)時電荷感應(yīng)子單元正在含塵氣流氣路中，其方法與前面相同，不同之處在于需比較Bi(x)和n2的大小來決定自動換向閥的動作.輸出光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元的AD值.

2) 根據(jù)表1，將兩個子單元的AD值進(jìn)行歸一化，分別為ai(x)和bi(x).

3) 根據(jù)圖7，將ai(x)和bi(x)代入式(8)計(jì)算AD融合值fi(x).

4) 最后將AD融合值代入到線性擬合方程F(x)中，計(jì)算得到融合的粉塵質(zhì)量濃度值.

3 實(shí)驗(yàn)及誤差分析

本文對融合結(jié)構(gòu)和融合檢測算法進(jìn)行研究，提出一種基于光散射法和電荷感應(yīng)法融合的粉塵濃度檢測技術(shù).而融合檢測技術(shù)的核心是檢測誤差，下面將對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

將新型粉塵濃度檢測算法寫入融合單元，使用2.2節(jié)中的粉塵、標(biāo)準(zhǔn)儀器、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和環(huán)境，采用同樣的方法和步驟對光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元和融合單元進(jìn)行粉塵濃度檢測實(shí)驗(yàn)，分別記錄光散射子單元、電荷感應(yīng)子單元和融合單元的粉塵濃度檢測值.經(jīng)過50次實(shí)驗(yàn)之后，從中抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢測誤差對比圖如圖8所示.

圖8 粉塵質(zhì)量濃度檢測誤差對比圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：融合單元的檢測誤差≤11.3%，比光散射子單元小3.6%，比電荷感應(yīng)子單元小3.5%.實(shí)驗(yàn)證明：粉塵濃度融合檢測技術(shù)的檢測誤差較小，克服了光散射法和電荷感應(yīng)法對粉塵濃度檢測的局限性.

本實(shí)驗(yàn)中，光散射子單元在粉塵濃度逐步變高時，檢測誤差也在逐步增加.主要原因是散射光強(qiáng)度與粉塵顆粒物濃度成正比是在粉塵濃度較低、粉塵顆粒較均勻的情況下推導(dǎo)出來的；根據(jù)1.1節(jié)的理論分析，粉塵濃度變高后，檢測誤差會逐漸增大.

而電荷感應(yīng)子單元在粉塵濃度逐步變高時，檢測誤差卻在逐步減小.主要原因是根據(jù)1.2節(jié)理論分析可知，粉塵濃度變高、粉塵顆粒數(shù)量增加，則被測粉塵的感應(yīng)電荷量增大，信號處理變得更加容易，檢測誤差也隨之減小.

其他類型誤差有手工采樣器的操作誤差、手工稱重的操作誤差、電子線路引起的誤差、周圍電磁場干擾引起的誤差，均通過格拉布斯準(zhǔn)則將誤差數(shù)據(jù)剔除.

4 結(jié) 論

1) 研制了光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元并聯(lián)自動切換的融合單元.

2) 采用理論分析和實(shí)驗(yàn)的方法，完成了光散射子單元和電荷感應(yīng)子單元的AD值數(shù)據(jù)融合，并提出了一種基于光散射法和電荷感應(yīng)法融合的粉塵濃度檢測算法，形成了融合的粉塵濃度檢測技術(shù).

3) 實(shí)驗(yàn)證明：融合單元的檢測誤差≤11.3%，比光散射子單元小3.6%，比電荷感應(yīng)子單元小3.5%；融合單元的平均標(biāo)定分辨率為112.8，是光散射子單元的1.27倍，是電荷感應(yīng)子單元的4.68倍.

4) 融合技術(shù)克服了光散射法和電荷感應(yīng)法對粉塵濃度檢測的局限性，集中兩者的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步減小了檢測的誤差和提高了標(biāo)定分辨率及線性度.