粉尘传感器(杨栋)

• 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。
• 9.1.2 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。
粉尘传感器
9.0 引言
• 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。
• 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、体电导、 介电系数、化学成分等。将放置在流场中的金属 电极与带点颗粒相互感应，在金属电极表面上产 生等量异号电荷，随着颗粒的移动及浓度的变化， 致使金属电极上的感应电荷也在不断变化，变化 感应电量在一定程度上反映了粉尘浓度，从而可 以建立粉尘浓度与其感应电荷的关系，进一步实 现粉尘浓度的测量。 • 煤炭科学研究院总院重庆研究院的研究结果为：
• 9.3.3 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 • 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而产 生不同频率和品质因数的震动。与传感器相连的
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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 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
• 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。
9.2.2 光吸收式粉尘传感器技术 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
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。
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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。
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
煤矿测尘的仪器分类及比较
• 取样法：称重法、β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。