礦用煙霧傳感器檢測系統的設計與分析

天地（常州）自動化股份有限公司 潘祥生

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礦用煙霧傳感器檢測系統的設計與分析

天地（常州）自動化股份有限公司 潘祥生

【摘要】針對MT382-2011礦用煙霧傳感器檢測系統的研制要求，設計一種新型礦用煙霧傳感檢測系統。基于朗伯-比爾定律，建立檢測系統測算減光率的數學計算模型，得出激光穿過煙霧后投射光強與散射光強之間的線性關系，由此算出煙霧濃度。該系統結構簡單、實時性和穩定性好。

【關鍵詞】礦用煙霧傳感器；檢測系統；煙霧粒子；減光率

火災是影響煤礦安全生產的重大危害之一［1］。礦用煙霧傳感器是早期火災監測、預警的重要設備。目前，氣敏型、離子型、光電型傳感技術發展較為成熟，且廣泛運用于煤炭行業。氣敏感煙型探測器靈敏度低、穩定性差；離子感煙型探測器生產制造成本低，但對陰燃煙霧檢測靈敏度低，且其電離室中含有放射性元素，在使用過程中有污染環境的危險；光電型探測器測量火災煙霧粒子濃度或粒子對光的遮擋效果［2］。隨著傳感技術的不斷發展，光電型傳感技術能夠精確檢測低濃度煙霧，使用前景廣闊。

本文以煙霧粒子的遮光率為研究對象，根據朗伯-比爾定律，建立檢測裝置的遮光率數學計算模型，利用激光穿透粒子后發生散射原理及透射光強與散射光強之間的線性關系，設計一種新型礦用煙霧傳感器檢測系統，實現檢測系統在量程內任意煙霧濃度值下快速、實時檢測煙霧傳感器的響應時間，并結合實驗驗證檢測系統的檢測精度。

1 檢測系統原理分析

激光在穿過煙霧粒子時，會發生吸收和散射，激光的入射光強會發生改變，通過檢測煙霧粒子對激光的遮擋程度精確算出煙霧的濃度。

根據朗伯-比爾定律［3］，利用光學方法替代原來的質量濃度法對煙霧濃度進行檢測，設參數為S，表示光穿過1m厚度的煙霧后被遮擋的程度，數學表達為：

—透光率。

由于檢測裝置受加工限制，檢測裝置的測量光束穿過煙霧厚度實際達不到1m，因此，需要將實際檢測的遮光率換算成1m厚煙霧的等效遮光率。假設檢測系統的測試光為單色平行光，垂直照射被測煙霧，同時煙霧粒子分布均勻，忽略煙霧粒子間相互作用，則測試光的透光率Tm和其在穿過1m厚的透光率分別為：

式中：IiL—測試輸入光強；IoL—測試透射光強；k—煙霧吸光系數；C—煙霧粒子濃度；L—測試光穿過煙霧的距離

由（2）、（3）式可得：

由（1）、（4）式可得：

理論上測出入射光強和透射光強就可以算出煙霧濃度。實際上在火災前期，即可燃物處于陰燃狀態，煙霧粒子粒徑很小，煙霧濃度較低，若通過檢測輸入光強和透射光強算出煙霧濃度，則結果誤差較大。

當單色光穿透煙霧粒子時，會發生散射現象，為獲得高精度、高靈敏度的測試結果，可通過散射光強的大小反應煙霧濃度的高低［4］，由此可得：

由（5）、（6）式可得：

2 檢測系統設計

檢測系統主要包括檢測裝置和電子模塊兩個部分。檢測裝置上裝有激光器，激光器發出的激光照射在檢測裝置內的煙霧粒子上，光電探測器將檢測到的激光信號轉換成電信號輸出，其結構如圖1所示。

注：①激光器；②檢測裝置；③散射光；④入射光；⑤信號處理電路；⑥數字信號處理器；⑦觸摸屏；⑧上位機。圖1 檢驗系統結構示意圖

2.1 檢測裝置設計

檢測裝置用于提供檢測礦用傳感器所需的檢測環境，主要包括：發煙裝置、進氣裝置、加熱裝置、出氣裝置、測試工位和測控裝置幾部分組成，結構如圖2所示。檢測裝置采用封閉式回型設計，該設計可得到穩定、均勻的煙霧粒子濃度，為精確測量煙霧濃度提供了可靠的測試環境。發煙裝置主要提供測試所需的煙霧，煙霧粒徑大小可通過計算機精確控制［5］。進氣裝置在測試時向檢測裝置內駐入清潔空氣，使檢測裝置內部形成標準規定的氣流速度。加熱裝置用于內部檢測環境升溫，滿足測試所需的環境溫度。出氣裝置用于測試結束后的尾煙排放。測試工位用于放置需要測試的傳感器。測控裝置用于測試煙霧濃度和傳感器的響應時間，整個裝置結構簡單，造價便宜，測量精度高。

圖2 檢測裝置結構示意圖

2.2 電子模塊設計

電子模塊主要由信號處理電路、數字信號處理器、觸摸屏和上位機四部分組成。信號處理電路包括放大電路和A/D轉換電路兩部分。本系統采用兩級放大電路實現信號I/V轉換和放大。前級放大電路將電流信號轉換為電壓信號，后級放大電路將電壓信號發大至A/D轉換芯片所需的范圍內，然后再轉換成數字信號，數字信號通過數據總線傳遞給處理器進行處理［6］。整個系統控制核心主要完成以下任務：控制A/D轉換芯片；對信號進行數字濾波；計算煙霧濃度；控制觸摸屏；與上位機通信。

圖3 濃度誤差分布圖

3 實驗分析

3.1 檢測裝置實驗

本檢測系統利用采集散射光強，換算獲得煙霧的標準濃度值。

根據MT382-2011中試驗規定，在室溫25℃，相對濕度50%的試驗環境下，將棉繩陰燃，使用上述設計的檢測系統檢測煙霧濃度［7］。現測試1000組數據，以煙霧標準濃度為橫坐標，透射光強為縱坐標繪制散點圖，如圖3所示。

由圖3可知，煙霧粒子分布是不均勻的，煙霧濃度集中在0～10%0bs/m，差值絕對值不超過0.4%obs/m。

該測試系統中，不考慮光電探測器響應時間的誤差，透射光強和散射光強的測量值具有良好的線性關系，結果如圖4所示。

圖4 光強與遮光率的關系曲線

由圖4（a）、（b）可以看出，利用散光光強檢測煙霧濃度可靠穩定，適合用于礦用煙霧傳感器的測試。

3.2 對比實驗

為了驗證測試系統的精度，將檢測系統與國外AW Technology公司生產的煙霧傳感器檢測系統（1800型）進行實驗對比［8］。AW Technology生產的檢測系統也是通過散射光強測算煙霧濃度，其測試精度在行業內得到廣泛認可，但1800型檢測系統結構復雜，價格昂貴。

將測試系統與AW Technology生產的1800型檢測系統同時檢測同一煙霧，對比檢測結果如圖5所示。

圖5 對比結果圖

從圖5（a）可以看出，AW Technology公司生產的1800型檢測系統檢測出的響應時間比設計的檢測系統滯后，設計的檢測系統實時性更好，對及時報警火災具有重要意義。將圖5（a）中的曲線平移，使得兩曲線的起點重合，如圖5（b）所示。從圖5（b）可以看出，設計的檢測系統與AW Technology公司生產的1800型檢測系統都具有較高的靈敏度，但設計的檢測系統穩定性更好。

4 結論

1）本文基于朗伯-比爾定律設計了一種新型礦用煙霧傳感器檢測系統。

2）本文設計的檢測系統實時性好、靈敏度高，尤其對于低濃度煙霧具有較高的96測量精度。

3）和現有的AW Technology公司生產的1800型檢測系統相比，本文設計的檢測裝置成本低、實時性好、穩定高，可用于以遮光率為指標的煙霧傳感器的型式檢驗和出廠校準等。

參考文獻

［1］國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程［M］.北京﹕煤炭工業出版社，2011﹕134-135，201.

［2］疏學明.火災煙霧顆粒粒徑測量與散射特性研究［D］.合肥﹕中國科技大學，2004﹕24-26.

［3］M Loepfe，P Ryser，C Tompkin，et al..Optical properties of fire and non-dire aerosols［J］.Fire Safety Journal，1997，29﹕185.

［4］謝天羽，龐波.煙霧傳感器靈敏度與煙霧濃度關系的研究［J］.煤礦設計，1996（10）﹕36-39.

［5］唐臻宇，耿海翔，楊光群.粉塵濃度測量方法的研究及測量儀器的研制［J］.四川大學學報，2000，32（4）﹕28-31.

［6］邱健.基于火災煙霧的光學在線檢測系統設計［D］.哈爾濱﹕哈爾濱工業大學，2011.

［7］Kerker Milton.The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation ［M］.New York﹕Academic Press，1969﹕157-182.

［8］C F Bohren，D R Huffman.Absorption and Scattering of Light by Small Particles［M］.New York﹕John Wiley & Sons，1983﹕83-129.

作者簡介：

潘祥生（1985—），男，江蘇常州人，現供職于天地（常州）自動化股份有限公司。