基于光散射法的粉塵濃度檢測技術(shù)研究

趙政

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400037）

粉塵濃度檢測在礦山工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境中而日益得到重視。 雖然這些設(shè)備已被廣泛的應(yīng)用，但仍然存在一些不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 一是使用范圍受到限制，由于傳感器在復(fù)雜的環(huán)境中容易被污染，使得維護(hù)周期短和使用現(xiàn)場受到限制[1]；另外維護(hù)過程復(fù)雜、清潔操作困難[2]。 二是測量結(jié)果易受被測環(huán)境的風(fēng)速、濕度和溫度等參數(shù)影響[3]。 三是多數(shù)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(jìn)使其能夠用于惡劣的環(huán)境；同時采用特殊的測試光路機(jī)構(gòu)使得其測量結(jié)果不受環(huán)境中風(fēng)速、濕度和溫度的影響；另外延長了對本傳感器的維護(hù)時間，并使維護(hù)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(shù)的研究，設(shè)計出一種粉塵濃度傳感器，實現(xiàn)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(zhì)量濃度的核心部件光學(xué)傳感器的示意圖[5]。 當(dāng)粉塵通過光學(xué)傳感器的光敏區(qū)時，顆粒會散射入射的激光， 在90°采光角方向放置一塊旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號。 經(jīng)前置放大、后續(xù)電路處理得到與粉塵顆粒散射光強(qiáng)相關(guān)的電壓信號，然后通過對電壓信號的數(shù)據(jù)處理和計算，就可以得出粉塵的質(zhì)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(shù)的實現(xiàn)

基于光散射法的粉塵濃度傳感器由測試光路機(jī)構(gòu)和信號接收處理等部分組成。 試光路機(jī)構(gòu)采用精密的激光技術(shù)和特殊的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行激光發(fā)射； 信號接收處理部分將獲取的?V 級的散射光信號經(jīng)過放大、濾波等處理后，使其變成工業(yè)儀表所能接收的標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流或脈沖信號，再經(jīng)過接收處理，得到實時的粉塵濃度值，實現(xiàn)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(jī)構(gòu)和電路系統(tǒng)等部分[6]。 利用光散射法測量粉塵在光束中的散射光強(qiáng)，然后通過光電轉(zhuǎn)換，測量出相應(yīng)的電信號的大小，從而計算出空氣中粉塵的質(zhì)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(jī)構(gòu)

測試光路機(jī)構(gòu)包括粉塵采集通道、光學(xué)測量結(jié)構(gòu)和抽氣風(fēng)扇。

其中粉塵采集通道包括串聯(lián)接通的進(jìn)氣通道和出氣通道，而光學(xué)測量結(jié)構(gòu)位于進(jìn)氣通道上方，當(dāng)粉塵進(jìn)入之后就發(fā)生光散射從而來測量器實時粉塵濃度；抽氣風(fēng)扇設(shè)置在粉塵出氣通道的出氣端，進(jìn)氣通道、出氣通道均成水平串聯(lián)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(jìn)氣口上方的最易污染的進(jìn)氣口上方開口進(jìn)行觀察和適當(dāng)清理，使得粉塵首先經(jīng)過出氣口自然沉降，即使有污染亦可打開進(jìn)氣口上方開口進(jìn)行清理， 使得清潔維護(hù)簡單易行。其機(jī)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 測試光路機(jī)構(gòu)Fig. 3 The mechanism of measuring light path

2.3 精密激光技術(shù)

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(wěn)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(fù)雜的環(huán)境中，其激光管如下圖4 所示。

3.4 光學(xué)測量結(jié)構(gòu)

光學(xué)測量結(jié)構(gòu)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(dāng)懸浮的粉塵通過氣路時，激光管的光線就會發(fā)生散射，使得光敏二極管接收的光信號變強(qiáng)，就得到相應(yīng)粉塵濃度值的光信號強(qiáng)度。 其測量結(jié)構(gòu)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(xué)測量結(jié)構(gòu)Fig. 5 The measuring structure of optics

為了對光散射信號進(jìn)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(yīng)好、低溫漂和高帶寬要求[8]。

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

經(jīng)過一級放大之后，由于放大倍數(shù)不夠，所以還需要對此信號進(jìn)行放大，利用同相放大電路來放大經(jīng)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(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)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(fù)雜時序控制、顯示、存儲。

在該系統(tǒng)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(chǎn)生控制時序， 又負(fù)責(zé)測定數(shù)據(jù)的處理計算、顯示、儲存等；這樣不僅影響了本系統(tǒng)控制時序的準(zhǔn)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(jī)，ARM 嵌入式芯片采用三級流水線技術(shù)處理，其處理速度快；嵌入式應(yīng)用于工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、POS 網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然和機(jī)器人等行業(yè)， 有數(shù)字機(jī)床、 冰箱、 空調(diào)、iPad、iPhone、ATM 終端等產(chǎn)品；同時芯片功耗低、體積小、集成度高、成本低；由于眾多的優(yōu)點，在電子領(lǐng)域越來越得到用戶的青睞，應(yīng)用范圍也在逐步的擴(kuò)大。

本系統(tǒng)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(qiáng)、操作簡單、功耗低和速度快等特點，并且能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。

主控電路包括顯示電路、復(fù)位電路、485 通訊電路、主頻電路、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)過標(biāo)定、處理，進(jìn)行顯示、存儲。 通訊采用RS485 方式，把粉塵濃度等其他參數(shù)上傳至分站并經(jīng)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(shù)、模式進(jìn)行修改。 另外將流量信號轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

為了適應(yīng)各種高危和復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場如煤礦井等場所，并應(yīng)對易污染和難維護(hù)等缺點。

在此對傳感器的外形和測試結(jié)構(gòu)做了特殊的設(shè)計處理，使其能夠適應(yīng)于復(fù)雜的煤礦井下，并延長了維護(hù)時間和維護(hù)方式簡單易行。 其結(jié)構(gòu)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(zhǔn)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(jìn)行手工清潔，操作簡單易行。

圖8 傳感器結(jié)構(gòu)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(shù)研究制成的粉塵濃度傳感器樣機(jī)， 在實驗室發(fā)塵裝置上以煤粉為測量介質(zhì)，通過傳統(tǒng)的采樣器采樣稱重的方式進(jìn)行精度對比試驗。

樣機(jī)與稱重的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)如表1 所示，樣機(jī)相對誤差小于±10%和重復(fù)性誤差小于0.2%。

表1 樣機(jī)與稱重方式粉塵濃度試驗數(shù)據(jù)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(fù)性和測量范圍一直保持良好。

5 結(jié) 論

本文基于光散射法原理的粉塵濃度檢測技術(shù)研究，設(shè)計實現(xiàn)的粉塵濃度傳感器具有以下特點：

1）測量精度高，重復(fù)性誤差小，通過實驗測試得到本傳感器的精度高達(dá)10%，重復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計，延長了維護(hù)時間，清潔操作過程簡單易行。

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