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基于光纤传感技术的矿井粉尘质量浓度检测

文档作者：才存良1，王洋1，冯进良1，何佳融2 文档来源： 1．长春理工大学光电工程学院 2．吉林省计量科学研究		点击数：	更新时间： 2022年10月18日
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第39卷第2期
2017年4月
光学仪器
OPTICAL INSTRUMENTS
V01．39，No．2
April，2017
文章编号：1005—5630(2017)02—0008—04
基于光纤传感技术的矿井粉尘质量浓度检测
才存良1，王洋1，冯进良1，何佳融2
(1．长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022；
2．吉林省计量科学研究院，吉林长春1 30103)
摘要：矿井内粉尘不仅对工人的健康具有很大危害，而且较高的粉尘质量浓度会引起爆炸事故。
为了测量矿井内的粉尘质量浓度，鉴于光纤传感器的独特优势，提出了基于光纤传感技术的矿
井内粉尘质量浓度检测系统。该系统利用光透射法，由双通道检测光路系统组成，利用
MATLAB对测量数据进行理论分析，得出拟合曲线及公式。结果表明，系统具有良好的测量准
确性和一定的实用价值。
关键词：光纤传感器；粉尘质量浓度；
中图分类号：X 859文献标志码：A
双光路探测；光透射法
doi：10．3969／j．issn．1005—5630．2017．02．002
Optical fiber sensor for the coal mine dust mass concentration in well testing
CAI Cunlian91，WANG Yan91，FENG Jinlian91，HE Jiaron92
(1．School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；
2．Jilin Institute of Metrology and Research，Changchun 130103，China)
Abstract：Mine dust harms the health of workers，and high dust mass concentration will cause
explosion．To measure the mass concentration of dust in the mine，the optical fiber sensor has
unique advantages．Optical fiber based sensing technology is proposed in the mine dust mass
concentration detection system．The system uses light transmission method，which is
composed of a dual—channel optical path detection system．We use MATLAB for theoretical
analysis of the measurement data and obtain the fitting curve and formula．The results show
that the system has good measuring accuracy and practical value．
Keywords：optical fiber sensor；dust mass concentration；double light path detection；light
transmission method
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／ma，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
收稿日期：2016—10—29
作者简介：才存良(1989--)，男，实验员，主要从事光电检测技术方面的研究。E-mail：670071787@qq．com
通信作者：冯进良(1964--)，男，教授，主要从事仪器总体设计与仿真方面的研究。E-mail：feng_20071101@163．corn
万方数据
第2期才存良，等：基于光纤传感技术的矿井粉尘质量浓度检测·9·
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瞰]。
光透射法测量原理
1．1透射法原理
朗伯一比尔定律‘53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A，经滤波准直后的平行光光强为L，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J满足
一I 专dI—l Ce。N矿dl (1)
√』0』√0
式中：N，为单位体积的粒子数；Ce。为消光截面积。
整理得到透射比T的朗伯一比尔定律表达式
T=≠一exp(--C。。NvL) (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
工一'oexp(一孚NvK。。L) (3)
式中：K。。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，则由朗伯一比尔定律可得
式(3)，对式(3)处理得
in(去)一{扩NvK emL (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My—NvPV=N卵警(鲁)3一-n(导)赤警(譬)3 cs，
式中：V为单个球形颗粒的体积；p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
一。， 覆乒c山㈨、五,1 1 再 (6)
式中：m为相对折射率；Di为单个颗粒直径；△n为单个颗粒直径与颗粒系平均直径之差；珥(Di)为归一化函
数。
当波长和粉尘颗粒确定的情况下，可引人参数C
r一————————卫——————一咒一1．2，3。⋯ (7) 一L夕n?下Ki(A,m,Di)nr(Di)△Di 9一口n 一2
。z一1 —2
本探测对象可用罗森一拉姆勒(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，引入光强误差仃L，即光源实际光强为L+盯工。，
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
万方数据
· 10· 光学仪器第39卷
‰一魄(，n赛+警) (8)
式中：c箍为检测信号参数；C妻为参考信号参数；u检为检测信号输出电压；U毒为参考信号输出电压；M岛
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轻、c参、Mv参均为定值。通过式(8)可去除光源不稳定性误差项仃Jo，并能准确地反映出检测区粉尘质量
浓度M诧与in竽为线性关系。
2系统的整体设计
检测系统采用双通道结构‘7I，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。
图1双通道检测系统
Fig．1 Dual-channel detection system
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AL／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[8j，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。
万方数据
第2期才存良，等：基于光纤传感技术的矿井粉尘质量浓度检测·11·
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，箱内通人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A一1 550 nm，中粒径d。。一40 pm，煤尘颗粒密度10=7．9 g／cm3，粉尘腔厚L一50 cm，分别向
1 m3的箱中通入0 g、5 g、lO 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／Lk)，如表1所示。
表1 粉尘质量浓度对应的测量电压参数
Tab．1 Measured voltage parameters according to different dust mass concentration
3．2实验数据分析
利用MATLAB对表1中的平均值进行绘制及由线拟合，得到如图2所示曲线。
图2测量数据平均值及拟合曲线
Fi舀2 Average measurement data and curve fitting
由MATLAB拟合得到的线性方程为
r T Mv=10．921in竿+2．551 1
U检
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。
(9)
(下转第33页)
万方数据
第2期刘泽庆，等：视觉测量中圆形标志两种提取方法的比较· 33 ·
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(编辑：张磊)
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(上接第n页)
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。
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(编辑：刘铁英)
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