趙 政，李德文，吳付祥，劉國(guó)慶

(1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044; 2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶 400037)

粉塵是礦山五大災(zāi)害之一，對(duì)人體危害很大，長(zhǎng)期吸入會(huì)引發(fā)塵肺病;環(huán)境粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度還存在爆炸隱患。因此，對(duì)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行在線連續(xù)檢測(cè)是防患未然的重要手段[1]。目前，應(yīng)用最多的粉塵質(zhì)量濃度在線檢測(cè)方法主要是光散射法、電荷感應(yīng)法[2]。而基于2種方法的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)的推廣，證明了2種方法對(duì)礦山粉塵在線檢測(cè)的可行性[3]。

劉永杰等[4]針對(duì)空氣中粉塵顆粒質(zhì)量濃度自動(dòng)測(cè)量的問(wèn)題，研究了一種基于光散射法測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度的理論方法;HAN Xueshan等[5]基于Mie理論，研究了粉塵顆粒周圍介質(zhì)對(duì)散射信號(hào)的影響，發(fā)現(xiàn)歸因于介質(zhì)的相對(duì)折射率;CLEMENTI等[6]提出了一種通過(guò)靜態(tài)光散射測(cè)量來(lái)表征球形粉塵顆粒的數(shù)值方法;陳建閣等[7]根據(jù)煤礦粉塵的電荷性提出電荷感應(yīng)法粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù);GAJEWSKI[8]建立了探針電位與動(dòng)態(tài)空間的粉塵顆粒電荷密度和凈電荷之間的數(shù)學(xué)模型。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)光散射法和電荷感應(yīng)法檢測(cè)粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行了宏觀和微觀研究，但目前部分學(xué)者，如李德文等[9]發(fā)現(xiàn):光散射法適用于低粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)，電荷感應(yīng)法則相反;并提出粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的最優(yōu)方案是光散射法與電荷感應(yīng)法相結(jié)合。因此，針對(duì)2種檢測(cè)方法的局限性，筆者提出一種基于多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)，集中2種方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)減小了誤差、提高了標(biāo)定靈敏度、克服了光散射法和電荷感應(yīng)法的局限性。

1 光散射法基本原理

光散射法檢測(cè)粉塵質(zhì)量濃度的常用散射方式是Mie散射，基本原理如圖1所示[10]。

假設(shè)波長(zhǎng)λ、強(qiáng)度I0的單色平行光入射三維坐標(biāo)O點(diǎn)，而O點(diǎn)有折射率m、真密度ρ、直徑d的一顆或一群粉塵顆粒，入射光在粉塵顆粒表面向空間任意方向發(fā)出散射光[11]。圖1中P點(diǎn)為散射光強(qiáng)接收點(diǎn)，r為O點(diǎn)與P點(diǎn)的矢徑，θ為r矢徑和Z軸之間的散射角[12]。

當(dāng)非均勻分布的粉塵顆粒群在O點(diǎn)質(zhì)量濃度不高、厚度較薄，且粉塵顆粒的散射光相互獨(dú)立不干涉，則P點(diǎn)的散射光強(qiáng)是各個(gè)粉塵顆粒在此處散射強(qiáng)度的疊加。因此，P點(diǎn)散射光強(qiáng)度I與被測(cè)粉塵顆粒群質(zhì)量濃度C的關(guān)系式[13]為

(1)

檢測(cè)中，入射光和粉塵被確定，則入射光波長(zhǎng)λ、光強(qiáng)I0、粉塵顆粒直徑d、真密度ρ及折射率m均視為定值，P點(diǎn)的散射角θ也已知。則可以定義一個(gè)常數(shù)k[14]，為

(2)

式(1)可變?yōu)?/p>

I=kC

(3)

由式(3)可知:P點(diǎn)散射光強(qiáng)I與被測(cè)粉塵的質(zhì)量濃度C呈正比。

據(jù)圖1，研制光散射傳感子單元如圖2所示。

圖2 光散射傳感子單元示意Fig.2 Schematic diagram of light scattering sensing subunit

如圖2所示，光散射傳感子單元由激光光源、光學(xué)透鏡組、凹面聚光鏡、光陷阱、光電傳感器和檢測(cè)電路等組成。當(dāng)被測(cè)粉塵進(jìn)入光敏感區(qū)，光電傳感器將收集的散射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路得到光散射法檢測(cè)的粉塵質(zhì)量濃度值及對(duì)應(yīng)的AD值。AD轉(zhuǎn)換(Analogue-to-Digital)是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，在電子檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的基礎(chǔ)作用[27]。而光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元將和粉塵濃度相關(guān)的散射光強(qiáng)度和感應(yīng)電荷強(qiáng)度等模擬量轉(zhuǎn)換成直接可用的數(shù)字量(AD值)，其AD值是傳感單元標(biāo)定被測(cè)粉塵濃度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 電荷感應(yīng)法基本原理

帶電量為q的粉塵顆粒，近距離飛過(guò)金屬探測(cè)電極，由于電荷感應(yīng)作用使探測(cè)電極產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)感應(yīng)電荷量為Q;再提取感應(yīng)電荷產(chǎn)生交變信號(hào)的波動(dòng)性來(lái)反演被測(cè)粉塵的質(zhì)量濃度，且Q與粉塵質(zhì)量濃度呈正比[15]。原理如圖3所示[16]。

圖3 電荷感應(yīng)法基本原理Fig.3 Basic principle diagram of charge induction method

根據(jù)高斯靜電場(chǎng)理論，探測(cè)電極表面感應(yīng)的電荷量等于穿過(guò)閉合曲面的點(diǎn)通量乘以介電常數(shù)[17]。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推演得到動(dòng)態(tài)感應(yīng)電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q之間的關(guān)系[18]為

(4)

式中，ε為介電常數(shù);l為帶電粉塵顆粒與探測(cè)電極的感應(yīng)距離。

由式(4)可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)感應(yīng)電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q成正比，與感應(yīng)距離l成反比。

根據(jù)電荷感應(yīng)法的基本原理，若要準(zhǔn)確檢測(cè)粉塵質(zhì)量濃度，需波動(dòng)性大的動(dòng)態(tài)感應(yīng)電荷量Q。因此，筆者采用屏蔽電纜螺旋狀纏繞在圓形氣筒(粉塵飛行氣路)外壁作為探測(cè)電極。帶螺旋狀探測(cè)電極的圓形氣筒和檢測(cè)電路構(gòu)成了電荷感應(yīng)傳感子單元，如圖4所示。

圖4 電荷感應(yīng)傳感子單元示意Fig.4 Schematic diagram of charge sensing subunit

當(dāng)含塵氣流在圓形氣筒內(nèi)壁飛過(guò)，探測(cè)電極將獲得動(dòng)態(tài)感應(yīng)電荷，檢測(cè)電路中的電荷放大器獲取信號(hào)且轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再經(jīng)過(guò)程控放大、工頻濾波、AD轉(zhuǎn)換、MCU處理得到電荷感應(yīng)法檢測(cè)的粉塵質(zhì)量濃度值及對(duì)應(yīng)的AD值。

3 多傳感融合的粉塵檢測(cè)技術(shù)

光散射法對(duì)高粉塵質(zhì)量濃度、電荷感應(yīng)法對(duì)低粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)，在檢測(cè)誤差、標(biāo)定靈敏度等方面有局限性[9]。

為了克服2種檢測(cè)方法各自的局限性，筆者借助自主研制的光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元，基于最優(yōu)化原則，將2種傳感子單元進(jìn)行多傳感結(jié)構(gòu)融合;然后基于多傳感數(shù)據(jù)融合原理，提出一種粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法，完成基于多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)的研究。

3.1 多傳感結(jié)構(gòu)融合

3.1.1 光散射子單元的防污染研究

研究發(fā)現(xiàn):光散射傳感子單元不能完全克服被測(cè)粉塵對(duì)光學(xué)器件的污染，且粉塵質(zhì)量濃度越高，污染速度越快[19]。

因此，必須首先解決光散射傳感子單元的污染問(wèn)題。如圖5所示，光散射傳感子單元將含粉塵的采樣主氣流按比例分為采樣氣流1和2。采樣氣流2經(jīng)過(guò)濾器后成為潔凈氣體，再形成潔凈氣幕包裹在采樣氣流1外圍。此時(shí)，潔凈氣幕將粉塵隔離在氣流1中，確保光學(xué)器件不被快速污染。

圖5 帶氣幕隔塵的光散射傳感子單元Fig.5 Light scattering sensing subunit with air curtain dust isolation

此氣幕隔塵方法借助于礦山工作面的氣幕控塵技術(shù):在工作面內(nèi)存在橫向風(fēng)流干擾的情況下，6 m/s風(fēng)速氣幕的隔塵效率是97.6%[20-21]。而光散射傳感子單元內(nèi)部無(wú)橫向風(fēng)流干擾，調(diào)節(jié)采樣氣流分配比例、適當(dāng)減小采樣氣流2的管道直徑和增大采樣氣流1的管道直徑，可以使氣流2的速度≥6 m/s、氣流1的流速<6 m/s，達(dá)到隔塵的要求，緩解光散射傳感子單元的污染。

3.1.2 結(jié)構(gòu)融合

多傳感融合檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)是融合結(jié)構(gòu)，本文需要以圖5光散射傳感子單元和圖4電荷感應(yīng)傳感子單元為前提，將2種傳感子單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合。

結(jié)構(gòu)融合的方式有2種:并聯(lián)和串聯(lián)。若采用并聯(lián)的方式，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 并聯(lián)融合結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of parallel fusion structure

并聯(lián)融合結(jié)構(gòu)需將采樣主氣流按比例分配分為采樣氣流3和4;同時(shí)還要保證氣流3和4中含有的粉塵也滿足此比例。氣流分配可通過(guò)比例閥調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，但是氣流3和4中粉塵的分配存在隨機(jī)性、分配規(guī)律難以探尋，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣流中粉塵的按比例分配。可見(jiàn)，并聯(lián)融合結(jié)構(gòu)是不可行的。因此，考慮采用串聯(lián)方式進(jìn)行檢測(cè)結(jié)構(gòu)的融合。其結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 串聯(lián)融合結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of series fusion structure

傳感子單元的串聯(lián)順序是該融合結(jié)構(gòu)的核心，需對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

首先，假設(shè)將圖7中的串聯(lián)順序顛倒，采樣主氣流將先流過(guò)電荷感應(yīng)傳感子單元，再通過(guò)光散射傳感子單元。分析發(fā)現(xiàn):電荷感應(yīng)傳感子單元檢測(cè)的粉塵是采樣主氣流中的粉塵，而由于氣幕隔塵的分流導(dǎo)致光散射傳感子單元檢測(cè)的粉塵是采樣氣流1中的粉塵;前者檢測(cè)的粉塵總量比后者大。因此，電荷感應(yīng)傳感子單元在前、光散射傳感子單元在后的串聯(lián)順序是不可行的。

然后，再采用圖7的串聯(lián)順序，2者檢測(cè)的粉塵均是采樣氣流1中的粉塵，其是同一對(duì)象，被測(cè)粉塵總量不存在差異?？梢?jiàn)，圖7的串聯(lián)結(jié)構(gòu)正是本文所需的多傳感融合結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)的光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元組成了多傳感融合單元。

3.2 多傳感數(shù)據(jù)融合及檢測(cè)算法

多傳感數(shù)據(jù)融合是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，是針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)使用多個(gè)傳感單元這一特定問(wèn)題而展開(kāi)的一種關(guān)于數(shù)據(jù)處理的研究[22]。實(shí)踐證明:與單傳感系統(tǒng)相比，運(yùn)用多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠克服單傳感單元的局限性，增強(qiáng)系統(tǒng)生存能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和魯棒性，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度，并提高精度，擴(kuò)展整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間、空間覆蓋率，增加系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和信息利用率等[23-24]。

基于圖7的多傳感融合單元，采用多傳感數(shù)據(jù)融合方法，將對(duì)同一被測(cè)粉塵對(duì)象在不同傳感子單元的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提出一種能夠克服單傳感子單元各自局限性的檢測(cè)算法。而不同傳感子單元的數(shù)據(jù)來(lái)源于完備的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及可靠的實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)粉塵制樣和儀器準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)選用的粉塵樣品是煤粉，制作過(guò)程如下:從煤礦現(xiàn)場(chǎng)采回較大的煤塊;放入破碎機(jī)進(jìn)行初步粉碎;再使用研磨機(jī)進(jìn)行精細(xì)研磨，使煤粉的中位徑均<75 μm;最后將煤粉放置到溫度為(25±5) ℃烘箱中進(jìn)行24 h烘干。

標(biāo)準(zhǔn)儀器選用粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量的國(guó)際通用儀器:手工采樣器。

樣機(jī):經(jīng)光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元串聯(lián)融合而成的多傳感融合單元的樣機(jī)如圖8所示。

圖8 多傳感融合單元樣機(jī)Fig.8 Multi-sensor fusion unit prototype

(2)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和環(huán)境。由定量發(fā)塵器(0～1 000 mg/m3)、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道(風(fēng)硐)、風(fēng)速測(cè)定儀(0～30 m/s)、電腦控制臺(tái)及變頻風(fēng)機(jī)組成粉塵發(fā)塵系統(tǒng)，如圖9所示。發(fā)塵系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定，在變頻風(fēng)機(jī)的作用下，風(fēng)速均勻性偏差≤5%;定量發(fā)塵器將粉塵噴入管道，風(fēng)硐管道截面粉塵質(zhì)量濃度均勻性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%。

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物Fig.9 Physical picture of experimental system

實(shí)驗(yàn)室使用恒溫空調(diào)使環(huán)境相對(duì)濕度小于60% RH，溫度為(25±5) ℃，且穩(wěn)定。

3.2.2 多傳感數(shù)據(jù)融合

將多傳感融合單元置于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以手工采樣器采樣稱重的粉塵質(zhì)量濃度值作為標(biāo)準(zhǔn)。將光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元測(cè)量的粉塵質(zhì)量濃度值以及AD值(16位)記錄整理。經(jīng)過(guò)50次實(shí)驗(yàn)之后，從中抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元檢測(cè)粉塵質(zhì)量濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Light scattering sensor sub-unit and charge-sensing sensor sub-unit to detect dust concentration experimental data

2種傳感子單元輸出的AD值是粉塵質(zhì)量濃度標(biāo)定的基礎(chǔ)，為了在同一水平進(jìn)行多傳感數(shù)據(jù)融合研究，將光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元輸出的AD值進(jìn)行最值歸一化，繪制的AD值曲線為a(x)，b(x)，如圖10所示。

圖10 光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元AD值歸一化曲線Fig.10 Normalized curves of AD value of light scattering sensing sub-unit and charge sensing sensing sub-unit

由表1可知，光散射傳感子單元檢測(cè)誤差:當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度≤100 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差<10%;當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為100～500 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差為10%～14%;當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為500～1 000 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差為14%～15%。電荷感應(yīng)傳感子單元檢測(cè)誤差:當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度≤100 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差為12%～15%;當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為100～500 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差為8%～12%;當(dāng)粉塵質(zhì)量濃度為500～1 000 mg/m3時(shí)，檢測(cè)誤差為6%～8%。

靈敏度是指測(cè)量系統(tǒng)的示值變化除以相應(yīng)的被測(cè)量值變化所得的商[25]，以此類推，本文的標(biāo)定靈敏度是傳感單元檢測(cè)的AD值除以被測(cè)粉塵質(zhì)量濃度值的商。

光散射傳感子單元標(biāo)定靈敏度:在較低質(zhì)量濃度(≤100 mg/m3)時(shí)，標(biāo)定靈敏度110～130(即110～130標(biāo)定1 mg/m3粉塵質(zhì)量濃度值);隨粉塵質(zhì)量濃度升高，標(biāo)定靈敏度逐步減小，升至932.1 mg/m3時(shí)，標(biāo)定靈敏度為36.3。電荷感應(yīng)傳感子單元標(biāo)定靈敏度:在較低質(zhì)量濃度(≤100 mg/m3)時(shí)，為2～7;隨粉塵質(zhì)量濃度升高，標(biāo)定靈敏度逐步增大，932.1 mg/m3時(shí)，標(biāo)定靈敏度為65.1。

分析和比較發(fā)現(xiàn):粉塵質(zhì)量濃度低時(shí)，光散射法的檢測(cè)誤差小、標(biāo)定靈敏度高，而電荷感應(yīng)法的檢測(cè)誤差大、標(biāo)定靈敏度低;粉塵質(zhì)量濃度升高后，2種檢測(cè)方法的檢測(cè)誤差、標(biāo)定靈敏度與低粉塵質(zhì)量濃度時(shí)相反。由此可見(jiàn):光散射法適用于較低粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)，電荷感應(yīng)法對(duì)高粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)有優(yōu)勢(shì)。換而言之，光散射法檢測(cè)較高粉塵質(zhì)量濃度、電荷感應(yīng)法檢測(cè)較低粉塵質(zhì)量濃度有局限性。

為了克服光散射法或電荷感應(yīng)法單一方法對(duì)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的局限性，基于多傳感數(shù)據(jù)融合的原理，本文將集中光散射法對(duì)低粉塵質(zhì)量濃度和電荷感應(yīng)法對(duì)高粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)，將2者的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[26]，探尋一種既適用于低粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)又能高精度檢測(cè)高粉塵質(zhì)量濃度的新檢測(cè)技術(shù)。

將2種傳感子單元輸出的AD值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，尋找一種能提升粉塵質(zhì)量濃度標(biāo)定靈敏度和減小粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)誤差的AD融合值。

如圖10所示，光散射傳感子單元AD值曲線為a(x)，電荷感應(yīng)傳感子單元AD值曲線為b(x)。將[0，xn]區(qū)間分成n個(gè)節(jié)點(diǎn):0

fi(x)=|amin+(amax-amin)Ai(x)-

[bmin+(bmax-bmin)Bi(x)]|

(5)

式中，

光散射傳感子單元輸出的最大和最小AD值為:amax，amin;電荷感應(yīng)傳感子單元輸出的最大和最小AD值為:bmax，bmin。

將表1的2種傳感子單元的AD值代入式(5)提取AD融合值，見(jiàn)表2。

由表1，2可知，光散射傳感子單元的平均標(biāo)定靈敏度是90.2，電荷感應(yīng)傳感子單元的平均標(biāo)定靈敏度是23.4;而經(jīng)數(shù)據(jù)融合的多傳感融合單元的平均標(biāo)定靈敏度是2 911.4，與光散射傳感子單元相比靈敏度提高了32.3倍，與電荷感應(yīng)傳感子單元比較靈敏度提高了124.4倍?？梢?jiàn)，多傳感數(shù)據(jù)融合的AD融合值大幅提高了粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的靈敏度。

基于表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立多傳感融合單元的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)回歸方程F(x)，其中x是多傳感融合單元的AD融合值fi(x)，將其代入F(x)中計(jì)算得到被測(cè)的粉塵質(zhì)量濃度值。

表2 不同粉塵質(zhì)量濃度的AD融合值Table 2 AD fusion values for different dust concentrations

3.2.3 粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法

基于多傳感融合單元，對(duì)同源的光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元的AD值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到一種新的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法。結(jié)合3.2.2節(jié)，

其光散射傳感子單元、電荷感應(yīng)傳感子單元數(shù)據(jù)融合過(guò)程和新的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法的步驟:

(1)在粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)時(shí)，將多傳感融合單元置于檢測(cè)環(huán)境中，分別得到光散射傳感子單元、電荷感應(yīng)傳感子單元輸出的AD值gAD,dAD;

(2)據(jù)表1，將2個(gè)子單元的AD值gAD,dAD進(jìn)行歸一化，分別為ai(x)和bi(x);

(3)據(jù)圖10的a(x)和b(x)曲線方程，將ai(x)和bi(x)代入式(5)，計(jì)算AD融合值fi(x);

(4)將AD融合值fi(x)代入回歸方程F(x)中，計(jì)算多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度值。

4 實(shí) 驗(yàn)

筆者對(duì)多傳感融合結(jié)構(gòu)和融合檢測(cè)算法進(jìn)行研究，提出一種多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)。而融合結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)是防污染的光散射子單元，融合檢測(cè)算法的核心是檢測(cè)誤差，下面將分別對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 光散射子單元的防污染實(shí)驗(yàn)

為了防止被測(cè)粉塵對(duì)光學(xué)器件的污染，研制了如圖5所示的一種氣幕隔塵裝置，緩解光散射傳感子單元的污染。

采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)氣幕隔塵的效果進(jìn)行驗(yàn)證。圖11為環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙，將圖2沒(méi)有氣幕隔塵的光散射傳感子單元和圖5帶氣幕隔塵的光散射傳感子單元置于艙內(nèi)，再將發(fā)塵器發(fā)出的粉塵噴入艙內(nèi)，分別開(kāi)啟圖2和圖5光散射傳感子單元的采樣泵進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月的實(shí)驗(yàn)。

圖11 環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙實(shí)物Fig.11 Physical drawing of the environmental laboratory module

經(jīng)過(guò)1個(gè)月實(shí)驗(yàn)后，取出2種光散射傳感子單元，拆開(kāi)光敏感區(qū)對(duì)比分析。圖12左邊是沒(méi)有氣幕隔塵的光散射傳感子單元光敏感區(qū)的實(shí)驗(yàn)效果，右邊為帶氣幕隔塵的光散射傳感子單元光敏感區(qū)的防污染實(shí)驗(yàn)效果。

圖12 粉塵防污染實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比Fig.12 Comparison of dust pollution prevention experiment effect

左邊的光敏感區(qū)已經(jīng)被完全污染，右邊的光敏感區(qū)只有少許粉塵。證明采用的氣幕隔塵方法盡量避免了粉塵對(duì)光學(xué)器件的污染，延長(zhǎng)了維護(hù)時(shí)間，為粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)提供了保障。

4.2 多傳感融合單元的檢測(cè)誤差實(shí)驗(yàn)

將新型粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法寫(xiě)入多傳感融合單元，使用3.2節(jié)中的粉塵、標(biāo)準(zhǔn)儀器、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和環(huán)境，采用同樣的方法對(duì)多傳感融合單元進(jìn)行粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，分別記錄光散射傳感子單元、電荷感應(yīng)傳感子單元和多傳感融合單元的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)值。經(jīng)過(guò)50次實(shí)驗(yàn)之后，從中抽取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其檢測(cè)誤差對(duì)比圖如圖13所示。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):多傳感融合單元的檢測(cè)誤差≤8.5%，比光散射傳感子單元的誤差小6.4%，比電荷感應(yīng)傳感子單元的誤差小6.2%。究其原因:將粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的光散射方法和電荷感應(yīng)方法相結(jié)合，形成多傳感融合單元，采用多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，集中了2種方法對(duì)低、高粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，解決對(duì)高、低粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)誤差偏大的問(wèn)題。證明:基于多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)誤差大幅減小;克服了光散射法和電荷感應(yīng)法對(duì)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的局限性，多傳感融合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。

5 結(jié) 論

(1)基于礦山工作面的氣幕控塵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種光散射傳感子單元的防污染結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明:該結(jié)構(gòu)盡量避免了粉塵對(duì)光學(xué)器件的污染，延長(zhǎng)了維護(hù)時(shí)間，為粉塵質(zhì)量濃度的檢測(cè)提供了保障。

(2)經(jīng)比較分析，研制了光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元串聯(lián)的多傳感融合單元。

(3)采用實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法，完成了光散射傳感子單元和電荷感應(yīng)傳感子單元的AD值數(shù)據(jù)融合算法，并提出了一種多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)算法，形成了多傳感融合的粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)技術(shù)。

(4)多傳感融合單元的檢測(cè)誤差≤8.5%，比光散射傳感子單元小6.4%，比電荷感應(yīng)傳感子單元小6.2%;多傳感融合單元的平均標(biāo)定靈敏度是2 911.4，與光散射傳感子單元相比提高了32.3倍，與電荷感應(yīng)傳感子單元比較提高了124.4倍。

(5)多傳感融合技術(shù)克服了光散射法和電荷感應(yīng)法對(duì)粉塵質(zhì)量濃度檢測(cè)的局限性，集中了2者的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步減小了檢測(cè)的誤差和提高了標(biāo)定靈敏度。