引言

能源是人类未来发展的重中之重, 在新型能源探索、发现的同时, 作为传统能源的煤炭仍是未来很长一段时间人类不可缺少的主要能源。在无防尘措施的矿井下^[1], 炮采工作区域的粉尘质量浓度可到达300~500 mg/m³, 机采工作区域粉尘质量浓度可达1 000~3 000 mg/m³, 综采工作区域粉尘质量浓度可达4 000~8 000 mg/m³。如此恶劣的粉尘环境, 给井下工人带来呼吸疾病高发的同时更伴随着爆炸的危险, 现有的煤矿井下粉尘测量装置仍存在精度低、可靠性差、响应速度慢等缺点, 而光纤传感技术的诞生与发展无疑可对这些不足进行改善^[2]。光纤本身具有不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射等优点, 适合应用于易燃、易爆、空间受限及强电磁干扰等恶劣环境, 并且具有高效率传输光信息能力, 所以在井下最适宜以光纤作为传输光的媒介^[3-4]。

1 光透射法测量原理 1.1 透射法原理

朗伯-比尔定律^[5]即消光法是利用单色光源通过粉尘后的消光比得到粉尘的质量浓度。设定被测粉尘颗粒为理想的球形颗粒, 探测光波长为λ, 经滤波准直后的平行光光强为I₀, 光平行入射到厚度为L的待测粉尘区后, 在颗粒的吸收及散射作用下, 接收的透射光强发生衰减, 空间颗粒群的透射光强I满足

(1)

式中:N_V为单位体积的粒子数; C_ext为消光截面积。

整理得到透射比T的朗伯-比尔定律表达式

(2)

当球形颗粒粒径为d时, 对式(2) 整理可得到透射光强表达式

(3)

式中:K_ext为消光系数, 其值与粉尘粒径、入射波长和介质的折射率有关。

1.2 基于光透射法对粉尘质量浓度的测量

用经过检测区前后光强的变化来确定粉尘质量浓度, 若检测为单一颗粒, 则由朗伯-比尔定律可得式(3), 对式(3) 处理得

(4)

由于被检测颗粒可看作球形颗粒, 直径为d, 可得到粉尘质量浓度

(5)

式中:V为单个球形颗粒的体积; ρ为单个粉尘颗粒密度。而在实际测量中, 颗粒可由具有一定分布的多分散粒系组成, 则有

(6)

式中:m为相对折射率; D_i为单个颗粒直径; ΔD_i为单个颗粒直径与颗粒系平均直径之差; n_r(D_i)为归一化函数。

当波长和粉尘颗粒确定的情况下, 可引入参数C

(7)

本探测对象可用罗森-拉姆勒(Rosin-Rammler)分布定义^[6], 并且煤尘分散度较小, 可近似为单一颗粒。在实际应用中光源的不稳定会给系统带来测量误差, 引入光强误差σI₀, 即光源实际光强为I₀+σI₀, 本系统中采用双光路探测法进行测量, 两路信号可用比值法消除误差, 即

(8)

式中:C_检为检测信号参数; C_参为参考信号参数; U_检为检测信号输出电压; U_参为参考信号输出电压; M_V参为参考通道的粉尘质量浓度。

由式(8) 可知, 当波长、粉尘颗粒特征等条件确定的情况下, 如只考虑光源辐射不稳定带来的影响, 则C_检、C_参、M_V参均为定值。通过式(8) 可去除光源不稳定性误差项σI₀, 并能准确地反映出检测区粉尘质量浓度M_V检与为线性关系。

2 系统的整体设计

检测系统采用双通道结构^[7], 相比于单通道测量, 双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响, 而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性。采用光纤传感器进行整体设计, 能够很好地达到高精度测量和实时检测的目的, 并且光纤传感器具有安全、成本低、结构简单、在井下易于形成通信网络的优点, 为矿井粉尘检测装置的安装带来了极大的便利。本系统整体结构如图 1所示。

为保证光在光纤传输中损耗最小, 通过3 dB耦合器把光源发出的光分成相同频率的两束光:一束作为测量光进入井下的粉尘腔, 光通过微粒的吸收及散射后被光接收器接收, 再通过光纤传送到光电探测器; 另一束光作为参考光进入与粉尘腔同位置的无粉尘腔中, 再通过光接收器接收, 传送到光电探测器。将两信号输入到差分放大器进行差分放大, 通过A/D转换器存入单片机中。这样经过双光路的设置及信号处理采用比值法, 就能消除杂光和光辐射不稳定性对测量造成的影响。

检测系统需选择在传输过程中损耗小的光波, 便于在探测区得到较强的光信号, 使测试系统更容易接收信号及获得好的处理效果。1 550 nm波段在远距光纤传输中较1 310 nm波段有更小的损耗及噪声^[8], 根据实际要求我们选择1 550 nm半导体激光器作为本系统的光源, 根据本系统探测需求及各器件性能匹配, 选用日本滨松公司生产的IAE系列G8931-20型号雪崩光电二极管(APD)作为系统的光电转换器件。G8931-20是一款适用于距离测量、空间光传输和低光量探测的铟镓砷APD, 它除了具有大感光面积之外, 还具有高速响应特性。所转换输出的电信号经差分放大、滤波等处理输送到AD9221进行模拟量采集, 并传送给STM32L152VBT6型单片机进行数据处理及显示。

3 实验及数据分析 3.1 实验方法

采用一个体积为1 m³封闭箱, 箱内通入已知质量的粉尘并用吹风机将粉尘吹均匀以模拟井下粉尘环境。把两检测腔放在粉尘箱中, 其中检测腔为半槽型以达到与环境粉尘质量浓度同步测量的目的, 参考腔为密封结构, 确保粉尘无法进入腔体, 避免给实验引入误差。本系统采用双光路比较测量方法, 选定光源波长λ=1 550 nm, 中粒径d₅₀=40 μm, 煤尘颗粒密度ρ=7.9 g/cm³, 粉尘腔厚L=50 cm, 分别向1 m³的箱中通入0 g、5 g、10 g、15 g、20 g、30 g、40 g、50 g煤尘, 对每种质量浓度的粉尘环境重复测量5次得到粉尘质量浓度对应的电压参数ln(U_参/U_检), 如表 1所示。

3.2 实验数据分析

利用MATLAB对表 1中的平均值进行绘制及曲线拟合, 得到如图 2所示曲线。

由MATLAB拟合得到的线性方程为

(9)

从实验结果可得:

(1) 根据拟合出的线性公式可得出本系统测量数据呈线性分布;

(2) 测量的5组数据呈现出相同的变化趋势, 说明系统的重复性好;

(3) 实验结果与计算机数据相吻合说明实验数据为正确值, 系统及方案可行。

4 结论

实验结果可知, 本文设计的测量系统能实现粉尘质量浓度的实时检测。由于系统运用光纤及双光路方法测量消除了杂光的影响, 节约了成本, 提高了井下测量的安全系数, 但是仍有一些地方需要改进, 在信号处理以及井下复杂条件探测方面还需提高设计标准。