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基于电荷感应的粉尘浓度检测技术与试验研究

文档作者：郑凯，汪金刚，刘静，熊双卡文档来源：重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室		点击数：	更新时间： 2022年10月18日
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2014年第33卷第2期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 29
基于电荷感应的粉尘浓度检测技术与试验研究
郑 凯，汪金刚，刘 静，熊双卡
(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)
摘要：介绍了电荷感应法在粉尘浓度测量中的应用，提出了用交变电场中传感器感应电压来表征粉尘
浓度的测量方法，并进行了理论推导。在此基础上，设计了圆柱形传感器，并搭建了浓度检测试验平台，进
行了模拟试验研究。试验结果表明：此装置可用于粉尘浓度为0．81～1．99g／m。的测量环境，其测量值与
实际值的平均误差为1．8％ 。
关键词：交变电场；电荷感应；粉尘浓度；检测；传感器；流体
中图分类号：TM835．4 文献标识码：A 文章编号：1000--9787(2014)02-0029-03
Research 0n dust concentration measurement technique and
· · 1 1 ’ ● ' · ‘ ；l=
exoerim ent DaSed 0n charge inOuctiOn
ZHENG Kai，WANG Jin—gang，LIU Jing，XIONG Shuang4ka
r State Key Laboratory of Power Transmission Equipment&amp;amp; System Security and
New Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China)
Abstract： Application of charge induction method in dust concentration measuring is introduced，and
measurement method of characterizing dust concentration by inductive voltage of sensor in alternating electric field
is put forward，and a theoretical derivation is given．On these basis，a cylindrical sensor is designed，and build up
test platform for concentration detection，and salty out study of simulation test．The result of the experiment
indicates that in a certain situation when the dust concentration ranges between 0．81 g／m。and 1．99 g／m ，the
device is able to be applied to test dust concentration．which the avera~ge eⅡ0r of measurement value and actual
value is 1．8％ ．
Key words：alternating electric field；charge induction；dust concentration；detection；sensor；fluid
0 引 言
及时有效地对作业场所的粉尘浓度进行监测，才能更
好地掌握粉尘浓度状况，进行有效的除尘和降尘，降低作
业场所的粉尘浓度，对确保人身安全和提高环境质量发挥
极其重要作用 。同时，粉尘含量是气固两相流检测的一
个极其重要的参数，如何检测和严格控制各种工业设备向
大气排放粉尘，以控制污染源颗粒排放总量是气固两相流
动中的一个重要的研究内容 。
目前，国内外研究了多种测量粉尘浓度的方法，如，过
滤称重法 、射线法 J、压电晶体感应法、光学法 J、超声
波法 、电荷感应法 和电容法等。其中称重法是最基本
的测量方法，但其不能用于粉尘浓度的连续监测；射线法
虽然测量准确，但它需要对粉尘进行采样后对比测量，很
难实现粉尘浓度的在线监测；压电晶体感应法适用于地面
上粉尘浓度较低的场合，且要求操作人员具有一定的经
验，从而影响了它的推广使用 ；超声波法、微波法测量粉
尘浓度正处于试验研究阶段；光学法易受测量物影响 J，
且测量容易使光学系统受污染，需要经常进行标定，维护
量大；电容法测量粉尘浓度具有安全可靠，采用非侵入式
测量，易于安装，牢固耐用，响应速度快等优点，但其灵敏
度有限，前人利用抗杂散电容测量技术提高了其精度 。
本文基于电荷感应原理，提出用交变电场中传感器电压来
表征粉尘浓度的测量思路，设计了一种粉尘浓度检测装置，
其结构简单，成本低廉，实用性强。
1 测量原理
1．1 两相流体等效介电常数
传感器中不同浓度的粉尘会改变介质的相对介电常
数，电荷感应法测量粉尘浓度的基本原理之一是：两相流体
的等效介电常数随粉尘浓度的大小而变化。两相流体的等
效介电常数可表示为
收稿日期：2013-06-26
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51207175)；国家大学生创新实验计划资助项目(1210611022)
30 传感器与微系统 第33卷
s2= 占 +(1一OL)占0 ， (1)
式中8 ， 分别为粉尘、气体介电常数， 为粉尘体积百
分比。
设粉尘密度为P ，则粉料浓度为P= ·P ，式(1)可写
为
82= (s 一 o)+go． (2)
那么，当粉尘浓度发生变化时，会改变两相流体等效介
电常数8 ，并且二者存在线性关系。另一方面，当介电常数
改变时，电容传感器的电容大小也会随之改变。
1．2 圆柱形传感器
为了得到电容大小与介电常数的关系，以图1所示的
电容传感器为例，该探头的结构是：外层电容器极板是半径
为a，长度z》n，以狭缝相隔的2个长直半圆导体薄柱面，圆
弧对中心的张角均为(180-28)。，狭缝很小，满足26—0，中
间充满相对介电常数分别为s ， 的均匀各向同性介质，
其中内层混合介质 的半径为b。
图2 传感器简化断面图
Fig 2 Sensor simplified sectional view
1．3 压交变电场中传感器的感应电压
将圆柱形传感器放置在场强为E的均匀压电场中，其
表面会产生感应电荷，两极板间的电压便可作为测量信号。
根据高斯定律，对半圆柱面进行积分
r —+ 、
(}D· =Q一 (4)
JS
其中，D为电位移矢量，假设半圆柱的长度为f，半径为
b，那么，式(4)可写为
D( 6f+2b1)=Q．
将D= E代入可得
(5)
Q=-8。E(盯6Z+2b1)． (6)
这些电荷会在极板间感应出一个电压，将式(3)代人
式(6)得到
：
Q ：
C ， (7) 1 2 6 ’ 、‘
“
¨ COS2
令 ，则式( )可变为
：
． U E ‘ (＼ 8)，
结合式(1)可以得到
P：
上+
． (9) U 一 十—
8 s-
— 80’ (
与圆柱形传感器狭缝张角的大小、传感器的长度和
半径有关，是一个常数，在场强一定的情况下，从式(9)得
到：粉尘浓度与传感器感应电压的倒数呈线性关系，根据电
压测量值计算即可得到粉尘浓度。
2 测量装置设计
为了提高测量的精度，使得在一定粉尘浓度变化条件
下，传感器感应电压的变化量尽可能大，选择传感器各结构
参数设置如下：长度 l m，内层半径b=0．1 in，狭缝角度
6：l。。为进行试验，搭建了试验平台(见图3)，该试验装
置的工作原理是：在空间内施加50 Hz，1 kV／m左右的恒定
电场，通过改变漏斗活塞的开口大小来控制传感器内的粉
尘浓度，风机将粉尘吹入传感器，为了使传感器内部粉尘浓
度保持稳定，在平台尾部增设循环装置。粉尘浓度引起的
电压变化即可作为测量信号。
图3 试验平台示意图
Fig 3 Diagram of experim ental platform
电压测量装置以C8051F020单片机为信号处理和控
制核心，其原理框图如图4所示。电容传感器将交变电场
的电场信号转换为电压信号后，信号处理单元对电压信号
进行滤波放大，整理后的信号送入单片机进行A／D转换和
计算处理，再由显示装置输出粉尘浓度的测量值。
3 试验方法与结果分析
3．1 试验方法
该试验采用规格为1250目的滑石粉模拟粉尘进行试
验，滑石粉主要成分为Mg。[Si 0 。](OH) ，为白色或类白
色、微细、无砂性的粉末。试控制风速在20 m／s，通过改变
第2期 郑凯，等：基于电荷感应的粉尘浓度检测技术与试验研究
图4 检测装置硬件框图
F．ig 4 Block diagram of detection device hardware
漏斗的开口大小调节粉尘的流量，即可改变电容传感器内
的粉尘浓度。对于每种粉尘浓度，在测量装置的显示值趋
于稳定时关闭漏斗，记录下粉尘流量和测量值。
3．2 试验结果
利用设计的传感器进行试验，调节粉尘的流量，通过实
验装置检测得到对应的粉尘浓度，粉尘浓度实际值与测量
值的曲线如图5所示，可以看出：粉尘浓度在0．81～1．99 g／
m 。间变化时，两者曲线基本吻合，具有一致性。表1为具
体测试数据，可见最大测量误差为13．9％ ，最小为0．1％ ，
平均误差为4．6％ 。
’
吕
＼
蛏
粉尘流量幢·min-
图5 试验结果对照图
Fig 5 Comparison chart of test results
表1 试验误差对照表
Tab 1 Com parison table of experimental error
根据试验结果可得如下结论：
1)当粉尘浓度在0．81-1．99 g／m。间变化时，粉尘浓度
的测量值与实际值相近，平均误差为1．8％ ，线性度良好，
可用于粉尘浓度监测。
2)当粉尘浓度大于1．99g／m。后，测量值的曲线趋于平
缓，稳定在2．O2 g／m。左右，这是因为粉尘浓度较高时，由于
静电吸附和风机动力等方面的限制，部分粉尘会在隔离板
上沉积，相对介电常数因而不再发生明显的改变，电容感应
电压不变，所以，测量装置显示值不变。
3)测量范围和实际工程应用具有一定差距，这是和试
验平台本身有较大关系，因为通过漏斗的粉尘流速没有做
到精确，造成偏差较大。
4 结论
研究交变电场测量粉尘浓度的基本原理，并设计了圆
柱形传感器试验测量装置，在设计的试验平台进行了粉尘
浓度测试试验。研究结果表明：该研究方法与装置能够比
较准确地反映粉尘浓度，当粉尘浓度在0．81一1．99 g／m。间
变化时，平均误差为1．8％ ，线性度良好，具有一定价值，如
将在传感器工艺和检测工艺上进行改进，该研究可应用于
作业场所的粉尘浓度监测。
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作者简介：
郑凯(1990一)，男，黑龙江五大连池人，本科，主要从事新型
传感器技术研究。

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