基于光散射法的粉塵濃度檢測技術研究

趙政

（中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400037）

粉塵濃度檢測在礦山工業領域應用非常廣泛，基于光散射法的粉塵濃度傳感器由于直讀式和可適應各種復雜的環境中而日益得到重視。 雖然這些設備已被廣泛的應用，但仍然存在一些不足，主要體現在以下幾個方面。 一是使用范圍受到限制，由于傳感器在復雜的環境中容易被污染，使得維護周期短和使用現場受到限制[1]；另外維護過程復雜、清潔操作困難[2]。 二是測量結果易受被測環境的風速、濕度和溫度等參數影響[3]。 三是多數此類傳感器功耗高，測量精度低，可靠性差[4]。

本文針對上面提到的三點不足，做出了大量的改進使其能夠用于惡劣的環境；同時采用特殊的測試光路機構使得其測量結果不受環境中風速、濕度和溫度的影響；另外延長了對本傳感器的維護時間，并使維護清潔操作簡單。

本文通過對基于光散射法的粉塵濃度檢測技術的研究，設計出一種粉塵濃度傳感器，實現對粉塵濃度低功耗、高精度、高速度、高可靠性、高分辨率的檢測。

1 粉塵濃度的光散射法檢測基本原理

圖1 所示的光散射法測量粉塵質量濃度的核心部件光學傳感器的示意圖[5]。 當粉塵通過光學傳感器的光敏區時，顆粒會散射入射的激光， 在90°采光角方向放置一塊旋轉球面反射鏡收集粉塵的散射光，再利用光電探測器將球面反射鏡反射的散射光轉換成電信號。 經前置放大、后續電路處理得到與粉塵顆粒散射光強相關的電壓信號，然后通過對電壓信號的數據處理和計算，就可以得出粉塵的質量濃度值。

圖1 光散射法的粉塵濃度檢測原理圖Fig. 1 The diagram of dust concentration measurement technique based on the light scattering method

2 粉塵濃度檢測技術的實現

基于光散射法的粉塵濃度傳感器由測試光路機構和信號接收處理等部分組成。 試光路機構采用精密的激光技術和特殊的測試機構進行激光發射； 信號接收處理部分將獲取的?V 級的散射光信號經過放大、濾波等處理后，使其變成工業儀表所能接收的標準電壓、電流或脈沖信號，再經過接收處理，得到實時的粉塵濃度值，實現粉塵濃度值的顯示、記錄和運算。

2.1 總體方案

總體方案如圖2 所示，包括測試光路機構和電路系統等部分[6]。 利用光散射法測量粉塵在光束中的散射光強，然后通過光電轉換，測量出相應的電信號的大小，從而計算出空氣中粉塵的質量濃度。 圖2 所示是總體方案。

圖2 總體方案Fig. 2 The scheme of overall design

2.2 測試光路機構

測試光路機構包括粉塵采集通道、光學測量結構和抽氣風扇。

其中粉塵采集通道包括串聯接通的進氣通道和出氣通道，而光學測量結構位于進氣通道上方，當粉塵進入之后就發生光散射從而來測量器實時粉塵濃度；抽氣風扇設置在粉塵出氣通道的出氣端，進氣通道、出氣通道均成水平串聯布置，并在出氣通道下端開口使粉塵自然沉降，減小污染程度。在進氣口上方的最易污染的進氣口上方開口進行觀察和適當清理，使得粉塵首先經過出氣口自然沉降，即使有污染亦可打開進氣口上方開口進行清理， 使得清潔維護簡單易行。其機構框圖如圖3 所示。

圖3 測試光路機構Fig. 3 The mechanism of measuring light path

2.3 精密激光技術

本傳感器中采用精密的激光管， 其波段選擇為980 nm，避開可見光波段，不易受自然光的干擾[7]。 另外，激光管的光斑小、雜散光少、穩定性好、溫漂小和整體絕緣能夠適用于液體里等特點，使得其激光管的使用范圍寬，適用于各種復雜的環境中，其激光管如下圖4 所示。

3.4 光學測量結構

光學測量結構包括1 激光管、2 光敏二極管和3 氣路三部分組成。激光管和光敏二極管的中心線成90°角度，當懸浮的粉塵通過氣路時，激光管的光線就會發生散射，使得光敏二極管接收的光信號變強，就得到相應粉塵濃度值的光信號強度。 其測量結構如圖5 所示。

3.5 信號接收處理電路

圖4 激光管Fig. 4 The laser tube

圖5 光學測量結構Fig. 5 The measuring structure of optics

為了對光散射信號進行處理，需要將其放大和濾波。 由于信號是μV 級的電壓微信號， 為了降低共模信號對其的干擾，滿足偏置電流低、增益高、選擇性好、頻率響應好、低溫漂和高帶寬要求[8]。

根據以上要求， 采用有源運放進行信號放大和濾波，滿足偏執電流低、低溫漂和高帶寬等要求。

經過一級放大之后，由于放大倍數不夠，所以還需要對此信號進行放大，利用同相放大電路來放大經過一級放大濾波處理的信號，其處理過程如圖6 所示。

圖6 信號接收電路框圖Fig. 6 The block diagram of signal receiving circuit

2.6 主控電路

主控電路作為整個系統的核心，負責將前面計時電路獲得的時間換算成被測液體的實時流速，同時完成復雜時序控制、顯示、存儲。

在該系統中，由于有較多的控制時序。 如果單獨采用一個微處理器既產生控制時序， 又負責測定數據的處理計算、顯示、儲存等；這樣不僅影響了本系統控制時序的準確度，同時降低了其運算處理速度和精度。 因此在此選用兩個微處理器ARM 芯片和CPLD。

相對于各種單片機，ARM 嵌入式芯片采用三級流水線技術處理，其處理速度快；嵌入式應用于工業控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統、POS 網絡及電子商務、環境工程與自然和機器人等行業， 有數字機床、 冰箱、 空調、iPad、iPhone、ATM 終端等產品；同時芯片功耗低、體積小、集成度高、成本低；由于眾多的優點，在電子領域越來越得到用戶的青睞，應用范圍也在逐步的擴大。

本系統中選用PHILIPS 公司的ARM7 芯片LPC2132 作為核心處理器[9]。

在CPLD 家族中， 我們選用Altera 公司的MAXⅤ芯片，其具有編輯性強、操作簡單、功耗低和速度快等特點，并且能夠滿足本系統的設計需求。

主控電路包括顯示電路、復位電路、485 通訊電路、主頻電路、數據存儲電路、與CPLD 時序控制電路等。

具體工作原理如下：傳感器將檢測的信號轉換成數字信號，經過標定、處理，進行顯示、存儲。 通訊采用RS485 方式，把粉塵濃度等其他參數上傳至分站并經其送至地面控制中心，同時可接受來自地面控制中心的控制指令，對裝置運行參數、模式進行修改。 另外將流量信號轉換成200～1 000 Hz的頻率信號輸出。 其主控電路組成如圖7 所示。

圖7 主控電路框圖Fig. 7 The block diagram of master control circuit

3 結構設計

為了適應各種高危和復雜的工業現場如煤礦井等場所，并應對易污染和難維護等缺點。

在此對傳感器的外形和測試結構做了特殊的設計處理，使其能夠適應于復雜的煤礦井下，并延長了維護時間和維護方式簡單易行。 其結構示意圖如圖8 所示。 圖中3 的開口可以將粉塵自然沉降。 若光路被污染首先可以直接對準氣路沖水清潔，如果沖水清潔效果不顯著，可以擰開圖中1 處的螺釘，打開清潔窗口2 進行手工清潔，操作簡單易行。

圖8 傳感器結構Fig. 8 The structure of sensor

4 實驗測試

基于光散射法的粉塵濃度檢測技術研究制成的粉塵濃度傳感器樣機， 在實驗室發塵裝置上以煤粉為測量介質，通過傳統的采樣器采樣稱重的方式進行精度對比試驗。

樣機與稱重的質量濃度數據如表1 所示，樣機相對誤差小于±10%和重復性誤差小于0.2%。

表1 樣機與稱重方式粉塵濃度試驗數據表Tab. 1 The test data of dust dust concentration of model machine and weighing way

由以上對比實驗得出，粉塵濃度傳感器的精度、重復性和測量范圍一直保持良好。

5 結 論

本文基于光散射法原理的粉塵濃度檢測技術研究，設計實現的粉塵濃度傳感器具有以下特點：

1）測量精度高，重復性誤差小，通過實驗測試得到本傳感器的精度高達10%，重復性誤差小于0.2%；

2）檢測速度快、可靠性高，同時采用雙核處理，其處理運算速度快；

3）特殊的結構設計，延長了維護時間，清潔操作過程簡單易行。

[1] 田貽麗，謝利利，徐如瑜. 粉塵濃度測量的研究[J]. 重慶大學學報，2003，1（26）:30-31.

[2] Cheng-Hsiung Huang，Chuen-Jinn Tsai. Influence of Impaction Plate Diameter and Particle Density on the Collection Efficiency of Round -Nuzzle Intertial Impactors [J].Aerosol Science and Technology，36:714-720，2002.

[3] Huang Z. An intelligent measurement system for powder flowrate measurement in pneumatic conveying system [J].IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，2001，2:1237-1240.

[4] 戴昊. 光散射法粉塵儀的改進[D]. 南京：南京理工大學，2012.

[5] 李曉帆，劉天生，王鵬飛. 基于光散射測量原理的粉塵濃度檢測儀的設計[J]. 機械管理開發，2009（6）:61-62.

[6] 趙永林. 井下粉塵統計參數對粉塵檢測的影響[J]. 煤炭學報，2005，20（5）：203-206.

[7] 鄒麗新，季晶晶，湯榮生. 基于光散射的小型便攜式粉塵測量儀的研制[J]. 大氣與環境光學學報，2008（5）:355-361.

[8] 唐剛. 激光散射式煤礦粉塵測量儀的設計原理[J]. 測試技術學報，1996（10）:555-558.

[9] 周立功，張華. 深入淺出ARM7[M]. 北京：北京航空航天出版社，2009.