CN109323968B - 一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统及其方法。本发明提供超声脉冲浓度标定系统，得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系；在整个粉尘云团扩散的空间中分布脉冲超声波传感器检测单元，采用脉冲电压信号激励发射传感器，产生超声波，穿过衰减振荡脉冲区域，形成衰减振荡脉冲波，具备很强的抗干扰能力和测试系统的便捷性；粉尘爆轰过程中产生粉尘云团扩散穿过单元场衰减振荡脉冲区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小，计算机根据能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号和原始的单元场衰减振荡脉冲信号，计算得到能量衰减系数；本发明利用脉冲超声波的特性，对于粉尘云团进行动态浓度探测，具备客观的应用价值和研究价值。

Description

一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统及其方法

技术领域

本发明涉及粉尘云团浓度分布探测技术，具体涉及一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统及其标定方法。

背景技术

对粉尘云团浓度的检测是解决粉尘扩散机理，建立粉尘浓度预警系统的前提条件，但是受到扩散机理复杂、粉尘颗粒不规则、温度以及波动等动态干扰信息不确定，测试设备不完善等因素制约，针对粉尘云团浓度动态分布的试验研究还很欠缺。

发明内容

针对粉尘云团动态浓度分布的探测问题，本发明提出了一种应用于粉尘云团动态浓度场分布的标定系统及其标定方法。

本发明的一个目的在于提出一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统及其标定方法。

本发明的应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统包括：粉尘、标准压力容器、U型喷嘴、工作台、粉尘填充器皿、逆止阀、高频电磁阀、电磁阀控制器、储气室、压力表、高压气压机、标定发射传感器、标定接收传感器、标定集成电路板、数据采集器和计算处理器；其中，密封的标准压力容器固定在工作台上；U型喷嘴设置在标准压力容器内；高压气压机、储气室、逆止阀、粉尘填充器皿和U型喷嘴顺次通过输气管道连接；压力表通过输气管道连接至储气室；电磁阀控制器电气连接至高频电磁阀；标定发射传感器和标定接收传感器相对设置在标准压力容器内，二者之间为标定场衰减振荡脉冲区域，并分别电气连接至标定集成电路板；标定集成电路板连接至数据采集器，数据采集器连接至计算处理器；质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；标准压力容器内没有粉尘时，标定发射传感器发出超声波，经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，由标定接收传感器接收，经标定集成电路板，由数据采集器采集，传输至计算处理器，得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；高压气压机产生高压气体，定量储存在储气室中；通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内，逆止阀防止粉尘回流，从标定发射传感器发出的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，能量减小，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，由标定接收传感器接收，经标定集成电路板，由数据采集器采集，传输至计算处理器，得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；计算处理器根据经能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度下的能量衰减系数；改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数，经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

标定发射传感器和标定接收传感器采用压电式超声换能器。

标定集成电路板包括标定电源管理电路、标定脉冲信号产生电路、标定信号处理电路和标定电源；其中，标定电源连接至标定电源管理电路；标定电源管理电路分别连接至标定发射传感器、标定接收传感器、标定脉冲信号产生电路和标定信号处理电路；标定脉冲信号产生电路连接至标定发射传感器；标定接收传感器连接至标定信号处理电路；标定信号处理电路连接至数据采集器。

本发明的应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统的标定方法，包括以下步骤：

a)标准压力容器内没有粉尘，标定发射传感器发出超声波；

b)经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

c)计算处理器得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；

d)将质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；

e)通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内；

f)来自标定发射传感器的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

g)计算处理器得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；

h)计算处理器根据能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度下的能量衰减系数；

i)改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，重复步骤e)～h)，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数；

j)计算处理器经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

粉尘的质量为m，标准压力容器的体积为V，粉尘浓度为ρ，ρ＝m/V，从而得到粉尘浓度ρ与衰减系数α之间的关系。

在步骤h)中，计算处理器根据能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度ρ下的能量衰减系数α(ρ)：

A₀表示原始的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，A₁(ρ)表示粉尘浓度ρ下的能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，L₀为标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离。

本发明的另一个目的在于提出一种应用于粉尘云团动态浓度分布的检测系统及其检测方法。

本发明的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统包括：检测单元支撑件、脉冲超声波传感器检测单元、数据传输线、多通道数据采集仪、标定系统和计算机；其中，粉尘填充在起爆装置中，起爆装置连接至起爆控制器；以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，正交阵列的直径与粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；在每一个检测单元支撑件上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元，从而使得脉冲超声波传感器检测单元分布在整个粉尘云团扩散的空间中；每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；脉冲超声波传感器检测单元包括单元发射传感器、单元接收传感器、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路、单元信号处理电路和单元电源，单元发射传感器与单元接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为单元场衰减振荡脉冲区域，粉尘云团扩散径向方向穿过单元场衰减振荡脉冲区域，单元脉冲信号产生电路连接至单元发射传感器，单元接收传感器连接至单元信号处理电路，单元发射传感器、单元接收传感器、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路分别连接至单元电源管理电路，单元电源管理电路连接至单元电源，单元电源、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路集成在一起构成单元集成电路；单元脉冲信号产生电路输出调制脉冲至单元发射传感器，单元发射传感器发出超声波，超声波沿垂直于粉尘云团扩散径向方向传播，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成单元场衰减振荡脉冲波，由单元接收传感器接收，单元接收传感器将单元场衰减振荡脉冲波传输至单元信号处理电路，经单元信号处理电路滤波、整流和信号放大后，传输至多通道数据采集仪进行存储，并将数据实时传输至计算机进行分析得到原始的单元场衰减振荡脉冲信号；起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中，粉尘云团扩散穿过单元发射传感器与单元接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致超声波能量减小，单元接收传感器接收能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，经单元信号处理电路由多通道数据采集仪采集，并传输至计算机得到能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号，计算机根据能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号和原始的单元场衰减振荡脉冲信号，计算得到粉尘云团扩散穿过每一个脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数，将处于粉尘云团空间中所有脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数进行数据融合，拟合得到粉尘云团扩散的能量衰减系数；标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，通过能量衰减系数得到粉尘云团扩散空间的粉尘浓度，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时标定。

每一个脉冲超声波传感器检测单元中的单元发射传感器与单元接收传感器之间的距离，等于标定系统中的标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离。

连接脉冲超声波传感器检测单元与多通道数据采集仪之间的数据传输线，埋于地面下。

多通道数据采集仪通过USB接口将存储的数据传输至计算机。

多通道数据采集仪的单元电源采用锂电池给单元电源管理电路供电，单元电源管理电路实现对单元发射传感器、单元接收传感器、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路的用电分配和管理。单元信号处理电路包括滤波电路、全桥整流电路和信号放大电路，衰减振荡脉冲信号经滤波电路进行去噪，再经全桥整流电路整流，最后经信号放大电路放大。由于衰减振荡脉冲波不是单频波，经干扰滤波后仍能保留特征信息，因此具备很好的抗干扰能力。

单元发射传感器和单元接收传感器采用压电式超声换能器。

本发明的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系；

2)将粉尘填充在起爆装置中，并将起爆装置连接至起爆控制器，确定粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径和高度范围；

3)以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，正交阵列的直径与粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；

4)在每一个检测单元支撑件上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元，从而脉冲超声波传感器检测单元分布在整个粉尘云团扩散的空间中；

5)每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；

6)脉冲超声波传感器检测单元启动，进行初始化和系统自检；

7)单元脉冲信号产生电路输出调制脉冲至单元发射传感器，单元发射传感器发出超声波，超声波沿垂直于粉尘云团扩散径向方向传播，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成衰减振荡脉冲波；

8)单元接收传感器接收衰减振荡脉冲波，传输至单元信号处理电路，经单元信号处理电路滤波、整流和信号放大传输至多通道数据采集仪；

9)多通道数据采集仪进行存储，并传输至计算机，计算机得到原始的单元场衰减振荡脉冲信号；

10)起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中产生粉尘云团；

11)粉尘云团扩散穿过单元发射传感器与单元接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

12)单元接收传感器接收能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，经单元信号处理电路传输至多通道数据采集仪；

13)多通道数据采集仪采集能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，并实时传输至计算机，得到能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号；

14)计算机计算得到每一个脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数；

15)将处于粉尘云团的空间中所有的脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数进行数据融合，拟合得到粉尘云团扩散的动态能量衰减系数曲线；

16)通过能量衰减系数得到粉尘云团扩散空间的粉尘浓度，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时标定。

其中，在步骤1)中，标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，包括以下步骤：

a)标准压力容器内为纯净的空气没有粉尘，标定发射传感器发出超声波；

b)经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

c)计算处理器得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；

d)将质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；

e)通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内；

f)来自标定发射传感器的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

g)计算处理器得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；

h)计算处理器根据能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度ρ下的能量衰减系数α(ρ)：

A₀表示原始的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，A₁(ρ)表示粉尘浓度ρ下的能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，L₀为标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离；

i)改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，重复步骤e)～h)，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数；

j)计算处理器经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

在步骤14)中，计算机计算得到第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量衰减系数α_i：

其中，A_0i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元的原始的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，A_1i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，L为单元发射传感器与单元接收传感器之间的距离，即单元场衰减振荡脉冲区域的距离，L＝L₀，i＝1,2,……,N，N为脉冲超声波传感器检测单元的个数。

在步骤15中，根据标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，由在时刻t的能量衰减系数α(t)得到在t时刻的粉尘浓度ρ(t)，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时标定。

本发明的优点：

本发明提供标定系统，得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系；在整个粉尘云团扩散的空间中分布脉冲超声波传感器检测单元，采用持续时间很短的脉冲电压信号激励发射传感器，产生超声波，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成衰减振荡脉冲波，具备很强的抗干扰能力和测试系统的便捷性；粉尘爆轰过程中产生粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小，计算机根据能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号和原始的单元场衰减振荡脉冲信号，计算得到能量衰减系数；本发明利用脉冲超声波的特性，对于粉尘云团进行动态浓度探测，具备客观的应用价值和研究价值。

附图说明

图1为本发明的应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统的一个实施例的示意图；

图3为本发明的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统的一个实施例的示意图结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统包括：粉尘、标准压力容器9、U型喷嘴8、工作台、粉尘填充器皿7、逆止阀6、高频电磁阀5、电磁阀控制器4、储气室2、压力表3、高压气压机1、标定发射传感器和标定接收传感器10、标定集成电路板11、数据采集器以及计算处理器；其中，密封的标准压力容器固定在工作台上；U型喷嘴设置在标准压力容器内的底部；高压气压机1、储气室2、逆止阀6、粉尘填充器皿7和U型喷嘴8顺次通过输气管道连接；压力表3通过输气管道连接至储气室2；电磁阀控制器4电气连接至高频电磁阀5；标定发射传感器和标定接收传感器10相对设置在标准压力容器9内，二者之间为标定场衰减振荡脉冲区域，并分别电气连接至标定集成电路板11；标定集成电路板连接至数据采集器，数据采集器连接至计算处理器；质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿7内。

如图2所示，本实施例的应用于粉尘云团动态浓度分布的检测系统包括：检测单元支撑件12、脉冲超声波传感器检测单元13、数据传输线、多通道数据采集仪14和计算机；其中，粉尘填充在起爆装置中，起爆装置连接至起爆控制器；以起爆装置15为中心，竖直的检测单元支撑件12按照正交阵列式布置在起爆装置15的四周，正交阵列的直径与粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；在每一个检测单元支撑件12上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元13，从而使得脉冲超声波传感器检测单元13分布在整个粉尘云团扩散的空间中；每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪14的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；脉冲超声波传感器检测单元包括单元发射传感器、单元接收传感器、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路、单元信号处理电路和单元电源，单元发射传感器与单元接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为单元场衰减振荡脉冲区域，粉尘云团扩散径向方向穿过单元场衰减振荡脉冲区域，单元脉冲信号产生电路连接至单元发射传感器，单元接收传感器连接至单元信号处理电路，单元发射传感器、单元接收传感器、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路分别连接至单元电源管理电路，单元电源管理电路连接至单元电源，单元电源、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路集成在一起构成单元集成电路，如图2所示。

本实施例的应用于粉尘云团动态浓度分布的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系：

a)标准压力容器内为纯净的空气没有粉尘，标定发射传感器发出超声波；

b)经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

c)计算处理器得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；

d)将质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；

e)通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内；

f)来自标定发射传感器的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

g)计算处理器得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；

h)计算处理器根据能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度下的能量衰减系数α(ρ)：

A₀表示原始的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，A₁(ρ)表示粉尘浓度ρ下的能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，L₀为标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离；

i)改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，重复步骤e)～h)，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数；

j)计算处理器经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

2)将粉尘填充在起爆装置中，并将起爆装置连接至起爆控制器，确定粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径和高度范围；

3)以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，正交阵列的直径与粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；

4)在每一个检测单元支撑件上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元，从而脉冲超声波传感器检测单元分布在整个粉尘云团扩散的空间中；

5)每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；

6)脉冲超声波传感器检测单元启动，进行初始化和系统自检；

7)单元脉冲信号产生电路输出调制脉冲至单元发射传感器，单元发射传感器发出超声波，超声波沿垂直于粉尘云团扩散径向方向传播，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成衰减振荡脉冲波；

8)单元接收传感器接收衰减振荡脉冲波，传输至单元信号处理电路，经单元信号处理电路滤波、整流和信号放大传输至多通道数据采集仪；

9)多通道数据采集仪进行存储，并传输至计算机，计算机得到原始的单元场衰减振荡脉冲信号；

10)起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中产生粉尘云团；

11)粉尘云团扩散穿过单元发射传感器与单元接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

12)单元接收传感器接收能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，经单元信号处理电路传输至多通道数据采集仪；

13)多通道数据采集仪采集能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，并实时传输至计算机，得到能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号；

14)计算机计算得到第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量衰减系数α_i(t)：

其中，A_0i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元的原始的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，A_1i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，L为发射传感器与接收传感器之间的距离，即单元场衰减振荡脉冲区域的距离，i＝1,2,……,48；

15)将处于粉尘云团的空间中所有的脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数进行数据融合，拟合得到粉尘云团扩散的动态能量衰减系数曲线α(t)；

16)根据标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，由在时刻t的能量衰减系数α(t)得到在t时刻的粉尘浓度ρ(t)，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时标定。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统，其特征在于，所述标定系统包括：粉尘、标准压力容器、U型喷嘴、工作台、粉尘填充器皿、逆止阀、高频电磁阀、电磁阀控制器、储气室、压力表、高压气压机、标定发射传感器、标定接收传感器、标定集成电路板、数据采集器和计算处理器；其中，密封的标准压力容器固定在工作台上；U型喷嘴设置在标准压力容器内；高压气压机、储气室、高频电磁阀、逆止阀、粉尘填充器皿和U型喷嘴顺次通过输气管道连接；压力表通过输气管道连接至储气室；电磁阀控制器电气连接至高频电磁阀；标定发射传感器和标定接收传感器相对设置在标准压力容器内，二者之间为标定场衰减振荡脉冲区域，并分别电气连接至标定集成电路板；标定集成电路板连接至数据采集器，数据采集器连接至计算处理器；质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；标准压力容器内没有粉尘时，标定发射传感器发出超声波，经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，由标定接收传感器接收，经标定集成电路板，由数据采集器采集，传输至计算处理器，得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；高压气压机产生高压气体，定量储存在储气室中；通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内，逆止阀防止粉尘回流，从标定发射传感器发出的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，能量减小，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，由标定接收传感器接收，经标定集成电路板，由数据采集器采集，传输至计算处理器，得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；计算处理器根据经能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度下的能量衰减系数；改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数，经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

2.如权利要求1所述的标定系统，其特征在于，所述标定发射传感器和标定接收传感器采用压电式超声换能器。

3.如权利要求1所述的标定系统，其特征在于，所述标定集成电路板包括标定电源管理电路、标定脉冲信号产生电路、标定信号处理电路和标定电源；其中，标定电源连接至标定电源管理电路；标定电源管理电路分别连接至标定发射传感器、标定接收传感器、标定脉冲信号产生电路和标定信号处理电路；标定脉冲信号产生电路连接至标定发射传感器；标定接收传感器连接至标定信号处理电路；标定信号处理电路连接至数据采集器。

4.一种如权利要求1所述的应用于粉尘云团浓度场分布的标定系统的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括以下步骤：

a)标准压力容器内没有粉尘，标定发射传感器发出超声波；

b)经标定场衰减振荡脉冲区域，形成标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

c)计算处理器得到原始的标定场衰减振荡脉冲信号；

d)将质量已知的粉尘填充在粉尘填充器皿内；

e)通过电磁阀控制器控制高频电磁阀导通，控制高压气体流通至粉尘填充器皿内，粉尘在高压气体的压力下，通过U型喷嘴，均匀喷洒至标准压力容器内；

f)来自标定发射传感器的超声波，经过充满粉尘的标定场衰减振荡脉冲区域，形成能量减小的标定场衰减振荡脉冲波，标定接收传感器接收标定场衰减振荡脉冲波，经标定集成电路板进行信号处理后，由数据采集器采集并存储，传输至计算处理器；

g)计算处理器得到能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号；

h)计算处理器根据能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号和原始的标定场衰减振荡脉冲信号，得到在这个粉尘浓度下的能量衰减系数；

i)改变粉尘填充器皿内的粉尘的质量，重复步骤e)～h)，得到一系列对应的粉尘浓度下的能量衰减系数；

j)计算处理器经过线性拟合得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，实现粉尘浓度标定。

5.如权利要求4所述的标定方法，其特征在于，粉尘的质量为m，标准压力容器的体积为V，粉尘浓度为ρ，ρ＝m/V，从而得到粉尘浓度ρ与能量衰减系数α之间的关系。

6.如权利要求4所述的标定方法，其特征在于，在步骤h)中，得到在这个粉尘浓度ρ下的能量衰减系数α(ρ)：

A₀表示原始的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，A₁(ρ)表示粉尘浓度ρ下的能量减小的标定场衰减振荡脉冲信号幅值，L₀为标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离。

7.一种采用如权利要求1所述的标定系统的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：检测单元支撑件、脉冲超声波传感器检测单元、数据传输线、多通道数据采集仪、标定系统和计算机；其中，粉尘填充在起爆装置中，起爆装置连接至起爆控制器；以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，正交阵列的直径与粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；在每一个检测单元支撑件上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元，从而使得脉冲超声波传感器检测单元分布在整个粉尘云团扩散的空间中；每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；脉冲超声波传感器检测单元包括单元发射传感器、单元接收传感器、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路、单元信号处理电路和单元电源，单元发射传感器与单元接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为单元场衰减振荡脉冲区域，粉尘云团扩散径向方向穿过单元场衰减振荡脉冲区域，单元脉冲信号产生电路连接至单元发射传感器，单元接收传感器连接至单元信号处理电路，单元发射传感器、单元接收传感器、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路分别连接至单元电源管理电路，单元电源管理电路连接至单元电源，单元电源、单元电源管理电路、单元脉冲信号产生电路和单元信号处理电路集成在一起构成单元集成电路；单元脉冲信号产生电路输出调制脉冲至单元发射传感器，单元发射传感器发出超声波，超声波沿垂直于粉尘云团扩散径向方向传播，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成单元场衰减振荡脉冲波，由单元接收传感器接收，单元接收传感器将单元场衰减振荡脉冲波传输至单元信号处理电路，经单元信号处理电路滤波、整流和信号放大后，传输至多通道数据采集仪进行存储，并将数据实时传输至计算机进行分析得到原始的单元场衰减振荡脉冲信号；起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中，粉尘云团扩散穿过单元发射传感器与单元接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致超声波能量减小，单元接收传感器接收能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，经单元信号处理电路由多通道数据采集仪采集，并传输至计算机得到能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号，计算机根据能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号和原始的单元场衰减振荡脉冲信号，计算得到粉尘云团扩散穿过每一个脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数，将处于粉尘云团空间中所有脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数进行数据融合，拟合得到粉尘云团扩散的能量衰减系数；标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系，通过能量衰减系数得到粉尘云团扩散空间的粉尘浓度，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时测定。

8.如权利要求7所述的检测系统，其特征在于，每一个脉冲超声波传感器检测单元中的单元发射传感器与单元接收传感器之间的距离，等于标定系统中的标定发射传感器与标定接收传感器之间的距离。

9.一种如权利要求7所述的应用于粉尘云团动态浓度场分布的检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

1)标定系统得到粉尘浓度与能量衰减系数之间的关系；

2)将粉尘填充在起爆装置中，并将起爆装置连接至起爆控制器，确定粉尘爆轰形成的粉尘云团扩散的直径和高度范围；

3)以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，正交阵列的直径与粉尘云团扩散的直径一致，检测单元支撑件的高度与粉尘云团扩散的高度一致；

4)在每一个检测单元支撑件上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元，从而脉冲超声波传感器检测单元分布在整个粉尘云团扩散的空间中；

5)每一个脉冲超声波传感器检测单元通过数据传输线连接至多通道数据采集仪的一个输入端；多通道数据采集仪的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪和计算机位于粉尘云团外的安全区域；

6)脉冲超声波传感器检测单元启动，进行初始化和系统自检；

7)单元脉冲信号产生电路输出调制脉冲至单元发射传感器，单元发射传感器发出超声波，超声波沿垂直于粉尘云团扩散径向方向传播，穿过单元场衰减振荡脉冲区域，形成衰减振荡脉冲波；

8)单元接收传感器接收衰减振荡脉冲波，传输至单元信号处理电路，经单元信号处理电路滤波、整流和信号放大传输至多通道数据采集仪；

9)多通道数据采集仪进行存储，并传输至计算机，计算机得到原始的单元场衰减振荡脉冲信号；

10)起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中产生粉尘云团；

11)粉尘云团扩散穿过单元发射传感器与单元接收传感器之间的单元场衰减振荡脉冲区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

12)单元接收传感器接收能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，经单元信号处理电路传输至多通道数据采集仪；

13)多通道数据采集仪采集能量减小的单元场衰减振荡脉冲波，并实时传输至计算机，得到能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号；

14)计算机计算得到每一个脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数；

15)将处于粉尘云团的空间中所有的脉冲超声波传感器检测单元的能量衰减系数进行数据融合，拟合得到粉尘云团扩散的动态能量衰减系数曲线；

通过能量衰减系数得到粉尘云团扩散空间的粉尘浓度，实现对整个粉尘云团的浓度分布的实时测定。

10.如权利要求9所述的检测方法，其特征在于，在步骤14)中，计算机计算得到第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量衰减系数α_i：

其中，A_0i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元的原始的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，A_1i表示第i个脉冲超声波传感器检测单元在时刻t的能量减小的单元场衰减振荡脉冲信号幅值，L为单元发射传感器与单元接收传感器之间的距离，即单元场衰减振荡脉冲区域的距离，i＝1,2,……,N，N为脉冲超声波传感器检测单元的个数。

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