基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置

中圖分類號(hào)：TD67 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Laser-based transmission-reflection fusion device for coal-water mixture concentration measurement GUO Yu¹ ，YANG Chengtao1，CHENFeng2，JIANGPeiwen2，LIBing2，MA Yancao3，XURui4， HUO Xuesong5，TIANMi5，WU Tengfeil （1.Henan EnergyGroup Research InstituteCo.，Ltd.，Zhengzhou 450046，China；2.Collge ofEnvironmentand BiologicalEngineering，Henan UniversityofEnginering，Zhengzhou451191，China；3.HenanCoking CoalEnergy Co.，Ltd.，Jiaozuo 45415o，China；4.Shanghai Institute of TechnicalPhysics，ChineseAcademy ofSciences， Shanghai 200083，China；5.Beijing Pushi Technology Co.，Ltd.，Beijing 100020，China）

Abstract： In the measurement of coal-water mixture concentration during hydraulic punching permeability enhancement operations，traditional methods—suchas thecoferdam method，sedimentation tank method，and weighing hoppermethod—suffer fromlow eficiencyand accuracy.Tuning forksensor technologyalso falls short in termsof precision and consistency，while single laser detection techniques have limited applicability.To address these isses，a laser-based transmission-reflection fusion device forcoal-water mixture concentration measurement was proposed.A laser source and a reflected-light photodetector were installed on one side of the transport pipeline，andatransmited-light photodetector was installedon the opposite side.The laser beam was directed nto the coal-water mixture through a convex lens，and the transmitted-and reflected-light photodetectors converted the received optical energy into corresponding digital signals. The digital signals were superimposed and then processd for grayscale transformation and feature region selection， which helped reduce computational complexity and eliminate interference.The corresponding grayscale values were then calculated，and the relationship between grayscale values and coal-water mixture concentrations was established through polynomial regression，thereby enabling concentration measurement.The application results showed that，for coal-water mixture concentrations ranging from 2% to 20% ，the minimum measurement error was 0.043% ，the maximum error was 0.343% ， the average error was 0.126% ，and the standard deviation was 0.116% ， meeting the accuracy requirements of hydraulic punching permeability enhancement operations.

Key words： coal-water mixture; concentration measurement; laser transmission method; laser reflection method; transmission-reflection fusion laser; polynomial regression

0引言

水力沖孔是一種簡(jiǎn)單而高效的低透氣性煤層增透手段，能夠促使煤層形成大量裂隙，從而提升煤層的透氣性，顯著提高低透氣性煤層中瓦斯的抽采效率[1-3]。在底抽巷實(shí)施瓦斯抽采水力沖孔增透作業(yè)時(shí)，孔口會(huì)排出大量煤水混合物。煤水混合物濃度對(duì)水力沖孔增透作業(yè)的瓦斯抽采效率有顯著影響：當(dāng)濃度較低時(shí)，煤渣含量減少，可能導(dǎo)致沖孔作業(yè)力量不足，從而煤層增透效果不佳，瓦斯抽采效率低，同時(shí)沉淀池排空時(shí)間延長(zhǎng)，影響后續(xù)作業(yè)的連續(xù)性;當(dāng)濃度較高時(shí)，過多的煤渣易造成抽采設(shè)備堵塞，增加動(dòng)力消耗，頻繁的清挖作業(yè)會(huì)打斷抽采流程。因此，精確測(cè)量煤水混合物濃度，有助于優(yōu)化沖孔參數(shù)、合理安排清挖作業(yè)，確保煤層充分增透、抽采系統(tǒng)暢通無阻，從而提高瓦斯抽采效率。

目前，煤水混合物濃度測(cè)量方法主要包括傳統(tǒng)的圍堰法、沉淀池法和計(jì)量斗法，以及近年來新興的音叉式傳感器技術(shù)等。傳統(tǒng)的圍堰法、沉淀池法和計(jì)量斗法需要使用預(yù)先設(shè)置的圍堰、沉淀池或計(jì)量斗來截留沖出的煤水混合物；待煤水混合物自然沉淀或分離后，通過人工方式計(jì)量其中的煤渣質(zhì)量；隨后，工人將沉積的煤渣裝到刮板輸送機(jī)或膠帶上進(jìn)行運(yùn)輸[4-5]。該類方法測(cè)量速度緩慢，計(jì)量精度較低，難以滿足水力沖孔自動(dòng)化作業(yè)的需求。音叉式傳感器技術(shù)的測(cè)量精度易受環(huán)境溫度、流體流速、叉體污染、流體黏度等因素影響[6-10]。鑒于井下環(huán)境的復(fù)雜性，煤水混合物的流速呈動(dòng)態(tài)變化，加之煤炭顆粒粒徑分布不均（最小粒徑不足 0.5mm ，最大粒徑可達(dá) 3mm 以上），導(dǎo)致音叉式傳感器技術(shù)在檢測(cè)精度和一致性方面難以滿足要求。

近年來，激光檢測(cè)技術(shù)憑借單色性、高能量密度和定向性等特性，在監(jiān)測(cè)采煤場(chǎng)煤塵濃度、大氣顆粒物濃度及水中生物量濃度等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力[11-15]。然而，目前大多數(shù)顆粒物濃度測(cè)量研究采用的是基于單一透射光或反射光的激光檢測(cè)方法。此外，各種單一激光檢測(cè)技術(shù)在原理上存在差異，它們?cè)陬w粒物濃度和粒徑的檢測(cè)上表現(xiàn)出特定的選擇性和適用范圍[16-20]，這在很大程度上限制了其在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用潛力。本文結(jié)合激光透射法與激光反射法，提出一種基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置，該裝置對(duì)煤水混合物的濃度和粒徑范圍具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，且無需額外設(shè)置支路進(jìn)行取樣，不會(huì)對(duì)煤水混合物流體的原始流通路徑造成干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤水混合物的高精度、高靈敏度和高一致性檢測(cè)。

1裝置基本原理

利用激光進(jìn)行物質(zhì)濃度檢測(cè)是一種精度較高的測(cè)量方法。當(dāng)激光投射到被測(cè)物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)分子會(huì)吸收、透射或反射激光能量。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡狀態(tài)下，物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)激光的吸收能力與發(fā)射能力有關(guān)。透明物質(zhì)對(duì)激光能量主要表現(xiàn)為吸收和透射；不透明物質(zhì)對(duì)激光能量則主要表現(xiàn)為吸收和反射。無論物質(zhì)是否透明，其吸收比例與透射或反射比例之和恒等于1，該特性為通過激光與物質(zhì)之間的相互作用來檢測(cè)物質(zhì)濃度提供了理論依據(jù)。

煤水混合物主要由煤炭顆粒和水組成。煤炭顆粒是不透明的，能夠吸收和反射激光能量；水是透明的，能夠吸收和透射激光能量。基于此，設(shè)計(jì)了基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置，其基本原理如圖1所示。在煤水混合物輸送管道的一側(cè)安裝激光光源，在同一側(cè)安裝反射光光電探測(cè)器，在另一側(cè)安裝透射光光電探測(cè)器。在裝置工作過程中，激光光源通過光學(xué)窗口射入煤水混合物中，水分子對(duì)激光能量具備較高的透射能力，而煤炭顆粒則呈現(xiàn)出較強(qiáng)的激光反射能力，煤炭顆粒的反射率約為 10% ，每次反射都會(huì)讓激光能量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)[21]。因此，在煤水混合物濃度較低或主要由大粒徑煤炭顆粒構(gòu)成的情況下，透射光光電探測(cè)器接收到的激光能量較多，而反射光光電探測(cè)器接收到的激光能量較少。相反，當(dāng)煤水混合物濃度較高或主要由小粒徑煤炭顆粒構(gòu)成時(shí)，透射光光電探測(cè)器接收到的激光能量減少，而反射光光電探測(cè)器接收到的激光能量增多。透射光和反射光光電探測(cè)器將接收到的激光能量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過疊加處理后，通過算法模型與煤水混合物濃度建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量。

2裝置硬件

基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置主要由激光發(fā)射模組、信號(hào)接收模組（包括反射光和透射光信號(hào)接收模組）和數(shù)據(jù)分析模組構(gòu)成，如圖2所示。激光發(fā)射模組發(fā)射激光束，通過一側(cè)的光學(xué)視窗射入煤水混合物。一部分激光作為反射光，從同一側(cè)的光學(xué)視窗返回并被反射光信號(hào)接收模組捕獲；另一部分激光作為透射光，從對(duì)面的光學(xué)視窗射出并被透射光信號(hào)接收模組接收。信號(hào)接收模組將接收到的激光能量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)隨后被送入數(shù)據(jù)分析模組，該模組配備有強(qiáng)大的算力平臺(tái)和上位機(jī)軟件，用于處理信號(hào)并輸出煤水混合物濃度。

激光發(fā)射模組由激光器和凸透鏡構(gòu)成。激光器采用工業(yè)場(chǎng)景中常用的 650nm 半導(dǎo)體激光器，其功率為 100mW ，光斑直徑為 3mm ，具有壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。凸透鏡能夠提升激光光源的能量密度，增強(qiáng)信號(hào)接收模組的輸入能量。

信號(hào)接收模組配備光電探測(cè)器和集成電路。光電探測(cè)器使用增強(qiáng)型紅外面陣探測(cè)器，負(fù)責(zé)將激光能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其性能參數(shù)見表1。集成電路涵蓋增益放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等，確保光電探測(cè)器的高信噪比數(shù)字信號(hào)輸出。

數(shù)據(jù)分析模組主要由工控機(jī)構(gòu)成，其內(nèi)部搭載具有強(qiáng)大計(jì)算能力的資源平臺(tái)，能夠執(zhí)行煤水混合物濃度算法模型，并在顯示器上展示結(jié)果。數(shù)據(jù)分析模組性能參數(shù)見表2。

基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置能夠直接插入煤水混合物輸送管道中進(jìn)行測(cè)量，亦可與外部傳感器如流速計(jì)等聯(lián)合使用，通過傳感器間的協(xié)同作用，滿足更高精度的濃度檢測(cè)需求。

3裝置軟件

基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置軟件流程如圖3所示。在離線建模階段，通過配置多種已知濃度的煤水混合物，利用數(shù)據(jù)分析模組采集來自光電探測(cè)器響應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、特征區(qū)域篩選及灰度值計(jì)算等處理，將其與煤水混合物濃度進(jìn)行多項(xiàng)式擬合回歸分析，建立算法模型。在在線測(cè)量階段，采集到的是未知濃度的煤水混合物對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理后輸入算法模型，最終輸出測(cè)量結(jié)果。

1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。依據(jù)加權(quán)平均灰度化公式對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)（分辨率為 1920×1200 ，RGB三通道格式）進(jìn)行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為單通道灰度圖像，從而保留原始圖像的空間分辨率，同時(shí)降低數(shù)據(jù)維度，減少計(jì)算復(fù)雜度，另外能突出光強(qiáng)信息，消除色彩干擾，有利于后續(xù)的特征提取和模型訓(xùn)練。

2）特征區(qū)域篩選/選擇。在經(jīng)過灰度化處理的數(shù)據(jù)中，除了反映煤水混合物濃度變化的有效信息外，還混雜著多種干擾因素：光源強(qiáng)度的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致整體灰度值發(fā)生系統(tǒng)性偏移；環(huán)境中的雜散光會(huì)在圖像邊緣區(qū)域形成干擾性光斑；光電探測(cè)器本身的暗電流噪聲會(huì)引入隨機(jī)干擾。這些干擾因素不僅會(huì)掩蓋真實(shí)的煤水混合物濃度特征信號(hào)，還會(huì)導(dǎo)致模型學(xué)習(xí)到錯(cuò)誤信息，嚴(yán)重削弱模型的泛化性能。因此，在離線建模階段，通過特征區(qū)域篩選直接聚焦對(duì)濃度變化敏感的局部區(qū)域，不僅能排除噪聲對(duì)模型的干擾，提升模型對(duì)核心特征的捕捉能力，還能降低計(jì)算復(fù)雜度與過擬合風(fēng)險(xiǎn)。在在線測(cè)量階段，可直接選取篩選出的特征區(qū)域進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

特征區(qū)域篩選包括特征區(qū)域初選和特征區(qū)域優(yōu)化2個(gè)步驟。 ① 特征區(qū)域初選。任意挑選2個(gè)不同濃度煤水混合物的灰度圖像，分別將其劃分為4×4 網(wǎng)格，計(jì)算對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的灰度差值，統(tǒng)計(jì)所有網(wǎng)格灰度差值的平均值。灰度差值超過平均值的網(wǎng)格與濃度相關(guān)性較強(qiáng)，作為初選特征區(qū)域。 ② 特征區(qū)域優(yōu)化。將多次特征區(qū)域初選結(jié)果中均出現(xiàn)的區(qū)域選定為最終的特征區(qū)域。

3）灰度值計(jì)算。計(jì)算特征區(qū)域內(nèi)圖像灰度值的平均值，將該值作為整幅圖像的灰度值，用于后續(xù)的算法模型構(gòu)建。

4）算法模型構(gòu)建。將灰度值與煤水混合物濃度進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析：

c=a₀+a₁x+a₂x²+…+a_nxⁿ

式中： c 為煤水混合物濃度； a₀，a₁，…，a_n 為系數(shù)； x 為灰度值； n 為多項(xiàng)式階數(shù)。

利用最小二乘法求解待定系數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)（光電探測(cè)器響應(yīng)的數(shù)字信號(hào)）與輸出數(shù)據(jù)（煤水混合物濃度）之間的關(guān)系擬合。再通過交叉驗(yàn)證方法選擇性能最優(yōu)的多項(xiàng)式階數(shù)來構(gòu)建算法模型。

4裝置應(yīng)用效果

為驗(yàn)證基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置的應(yīng)用效果，依據(jù)實(shí)際水力沖孔增透作業(yè)中煤水混合物粒徑分布（表3），配制4種典型濃度（ 5% 10% 15% 和 20% 的煤水混合物。將配制好的煤水混合物注入儲(chǔ)存箱，通過大功率潛水泵使其在管道內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。將煤水混合物濃度測(cè)量裝置直接安裝于煤水混合物輸送管道上。

利用煤水混合物濃度測(cè)量裝置采集的不同濃度煤水混合物灰度圖像如圖4所示。可看出隨著煤水混合物濃度增加，圖像整體顏色逐漸變深，反映出濃度變化對(duì)光的吸收和反射的影響，表明該測(cè)量裝置能夠有效捕捉不同濃度下的光強(qiáng)差異，為后續(xù)濃度檢測(cè)提供可視化依據(jù)。

利用煤水混合物濃度測(cè)量裝置采集上述4種不同濃度煤水混合物的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析模組生成數(shù)據(jù)集。基于此，建立算法模型以描述數(shù)據(jù)集與煤水混合物濃度之間的關(guān)系。本文對(duì)比了1—10階多項(xiàng)式回歸的擬合結(jié)果，見表4。

由表4可知，低階算法模型擬合不足，高階算法模型易過擬合；6階算法模型的均方誤差最小，為0.1924，相關(guān)系數(shù)最接近1，為0.9944。因此，采用6階多項(xiàng)式回歸進(jìn)行煤水混合物濃度的計(jì)算，具體表達(dá)式為

c=3.94×10^-8x⁶-2.80×10^-5x⁵+7.76×10^-3x⁴-

1.02x³+55.97x²-2.68x-79837.04

對(duì)6階多項(xiàng)式回歸算法模型進(jìn)行精度測(cè)試，針對(duì) 2%～20% 濃度范圍的6個(gè)未知濃度煤水混合物，測(cè)量值與真實(shí)值對(duì)比如圖5所示，測(cè)量誤差見表5。

由圖5和表5可知，測(cè)量值與真實(shí)值總體較為接近，測(cè)量誤差較小，平均誤差為 0.126% ，滿足水力沖孔增透作業(yè)對(duì)煤水混合物濃度檢測(cè)精度的要求。

5結(jié)論

1）基于透反融合式激光的煤水混合物濃度測(cè)量裝置基于煤水混合物中煤炭顆粒對(duì)激光的反射特性和水分子的透射特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤水混合物濃度的高精度檢測(cè)，突破了傳統(tǒng)單一激光檢測(cè)模式的局限。

2）該裝置可直接安裝于煤水混合物輸送管道上，通過分別安裝在管道兩側(cè)的反射光和透射光光電探測(cè)器接收激光能量并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用多項(xiàng)式回歸方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)與煤水混合物濃度之間的關(guān)系擬合。

3）在 2%～20% 煤水混合物濃度范圍內(nèi)，裝置測(cè)量的平均誤差為 0.126% ，滿足水力沖孔增透作業(yè)對(duì)煤水混合物濃度檢測(cè)精度的要求。

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