粉尘传感器(杨栋)

1、 粉尘传感器粉尘传感器9.0 引言引言 粉尘检测的重要性和必要性粉尘检测的重要性和必要性 煤矿开发强度和机械化水平的提高带动了煤炭产量，但同时产尘量和矿井作业场所的粉尘浓度也大大增加，一方面，粉尘污染作业环境空气严重危害工人的身体健康，会引起尘肺病等疾病；另一发面，高浓度的粉尘潜伏着粉尘爆炸的危险。这就使得对粉尘作业场所的粉尘监测和防治非常重要。煤矿测尘的仪器分类及比较煤矿测尘的仪器分类及比较 取样法：称重法、射线吸收法，压电晶体振荡法等。测量原理简单，但对采样操作要求高，只能周期性测量、灵敏度低，自动化程度低、测量浓度低粉尘时间长、不宜用于在线测量、工作量大。 非取样法：电气法、声学法、光学

2、法，如电容法、射线法、超声波法和微波法等。电容法测量原理简单，但电容测量值与浓度之间关系为非线性，误差大；射线法虽然准确，但不易实现在线检测；超声波法和微波法还在试验阶段。 总体来说，光学法最为简单可取，在工业排放烟尘的各种连续检测方法中占据主导地位，目前光学原理的粉尘传感器主要基于光的散射和吸收来实现。 基于光散射的粉尘浓度传感器采用光色散的测量方法。具有测量速度快和重复性好的优点，适用于在线测量，因此应用较广。主要是激光粉尘浓度测量仪，适用于粉尘颗粒比较小、浓度比较低、颗粒物分布比较均匀的情况，此时粉尘散射光强正比于质量浓度，将散射光强度转换成电信号，从而计算出粉尘的相对质量浓度。此类系统

3、以半导体激光器为光源，以光电二极管作为光接收器，用微机控制测量过程、处理测量结果，测量结果自动保存和 打印输出，此类系统体积小、质量轻、操作简单、功耗低。 光吸收法适用于高粉尘浓度，当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用，光波一部分被吸收转化成热能，另一部分被介质散射而偏离原来的传播方向。剩下的部分仍然在原来的传播方向上通过介质。透过的部分光强与入射光强之间符合郎伯-比尔定律，通过测量入射光强和出射光强，经过计算可得到粉尘质量浓度。 9.1.2 光散射式粉尘传感器技术光散射式粉尘传感器技术 光散射式粉尘传感器可采用双光路监测方案，同步跟踪光学元件的积尘污染，自动补偿尘染误差，从而提高测量精

4、度，延长连续监测的时间。双光路补偿式光散射粉尘采样腔及光路系统如图(9-1)。 光源由近红外发光二极管产生，光源1发出的光线经聚焦透镜后变为一束平行光，穿过玻璃窗进入粉尘采样腔，有效散射区A中的尘粒散射光穿过玻璃窗射入粉尘监测接收器2，为了减少杂散光的干扰，接收器内设置了滤光片，在与检测接收器平行的位置安装补偿接收器3，使得玻璃窗上的沉积粉尘能够受到光源的直接照射，这样补偿接收器就可以将镜面沉积尘和B区内的浮游粉尘的散射光转9.2.2 光吸收式粉尘光吸收式粉尘传感器技术传感器技术 根据以上原理，光吸收式粉尘传感器可采用双光路结构，如图9-2所示。光源发出的光由分束镜分为强度相等的两束：测量光束

5、和参考光束。测量光束穿过粉尘区域后的光由光电接收装置接收，参考光束则直接由光电接收装置接收，两路光信号均被转换成电信号通过计算机对两个电信号做差分运算，就能得到粉尘浓度值。 图中，平行光光源、三个半反射镜和两个光电传感器，安装在同一底座上，置于粉尘区域一侧，全反射镜安置在粉尘区域的另一侧，并保持与前一部分的距离不变。 在仪器装配时，将底座上的各个光学器件位置 9.3.1 数字图像处理技术的应用数字图像处理技术的应用 从国内外对粉尘检测技术的研究情况来看，大部分的在线检测仪的测量原理是基于光学的散射理论，其中Mie氏理论是其主要的测量依据，根据微粒对光散射现象来重现颗粒的尺寸分布。但是在重现的运

6、算中预先假定实际颗粒的尺寸是符合某一分布，而实际测量中的粉尘颗粒的尺寸分布是多种多样的，这从根本上给测量结果带来了一定的误差。利用基于图像的小目标检测技术，可以直接测得每个煤尘颗粒的粒径，识别出煤尘颗粒的表面积，从而实现对煤尘的实时监测，并可测出不同粒径煤尘的浓度。这比传统的光学、声学等间接测量煤尘浓度的方法要准确。 此类技术的关键是设计一种装置，使CCD摄像头采集煤尘颗粒的分布情况，并将采集到的煤尘颗粒的分布图像压缩后传送到监控主机，采用图像处理算法计算出煤尘浓度 。 煤尘图像采集模块主要是由显微摄像头和CCD图像传感器构成。显微镜头微米级的煤尘颗粒进行放大，与显微镜头紧密相连的CCD传感器

7、在DSP的控制下，每隔一定的时间间隔对气室内的用载玻片和盖玻片封闭的并且已经被显微镜放大了的煤尘颗粒采集图像。为了减少光线反射的影响，使取得的数字图像处理更加清晰，煤尘样本采集箱采用后向照明的方式。 图像处理算法主要是在图像预处理的基础上进行边缘检测、图像分割、提取出单个煤尘并进行计数，最后实现粉尘的浓度检测。该方法要求图像的采集速度足够快，煤尘浓度的计算时间是需要以大量煤尘颗粒分布图像统计分析为基础。 9.3.2 多波长红外传感多波长红外传感技术技术 在多种测量粉尘和气体浓度的方法中，基于光学传感器的测量方法具有传感结构本质安全、灵敏度高、动态范围大等特点，已经成为矿井安全监测技术的主要发展

8、方向。到目前为止，人们提出了多种粉尘和气体浓度的测量方法，但这些方法均是独立的对粉尘或其他进行测量。在测量过程中，粉尘和气体相互影响，致使仪器的精度和可靠性受到限制，同时因独立的粉尘和气体测 量仪器的成本较高，也影响其在实际中的应用。此外，粉尘的光学测量方法只能使用与已知粉尘粒径分布时的浓度测量，而不能对不同粒径的粉尘做出区分，给出粉尘的分散度。 北京航空航天大学提出了一种多波长红外粉尘、气体传感器，将不同种类的气体和不同粒径范围的粉尘分别视为不同的介质，选择多个不同波长的光波作为载波进行强度调制，从而可以同时测量各介质的浓度，给出不同粒径粉尘的浓度、粉尘分散度以及各种气体的浓度。同步测量可以

9、消除粉尘和气体之间的相互影响，提高仪器性能，同时在硬件上降低成本，对煤矿的安全监测具有重要的实际意义。 9.3.3 超声测量技术超声测量技术 声波在介质中传播时，当碰到物体表面和介质的声学特性不连续时，会产生散射波，根据单颗粒背向平面波散射时远场的声压，可进行粒径分布估算。利用被测颗粒的散射信号幅度与在它探测区中的位置和颗粒尺寸与形状有关的原理，测试颗粒的浓度。此类方法尚处于研究阶段。 9.3.4 射频粉尘检测技术射频粉尘检测技术 俄罗斯专家最近开发出一种射频传感器，可以准确测量矿井中煤尘的含量。这种传感器的主要部件是一个高灵敏度振荡电路，该电路由两条金属丝组成，可以根据矿井空气中煤尘含量不同

10、而产生不同频率和品质因数的震动。与传感器相连的 的电脑可以通过分析传感器的振动，判断出矿井中煤尘的含量。在矿井中进行实地勘测，这种探测装置的准确性能够达到100%。 9.3.5 电荷法粉尘检测技术电荷法粉尘检测技术 电荷感应法是近十年来在国际上受到重视的一种颗粒质量浓度在线测量方法，具有测量范围宽、适应性强、经久耐用、维护量小等优点。但该方法打多应用于烟道、气力输送系统中，且大都是对粉体的速度和质量流量进行测量，针对粉尘浓度与其感应电荷关系的研究尚不多见。 电荷感应法测量粉尘浓度的原理：在煤矿生产中产生的粉尘，许多在生产过程中就已经带有电荷(如机械凿岩割煤时，由于钻头和截齿与岩石、 煤体的强烈摩擦中产生的尘粒)，此外在运动过程中由于固体颗粒与壁面摩擦以及固体颗粒与气流的摩擦，使得固体颗粒带有一定量的静电荷。所带的静电荷量与固体颗粒的许多物理、化学性质有关，比如颗粒尺寸、形状、速度、