CN109406357B - 一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统及检测方法。本发明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，穿过衰减振荡脉冲波区域，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衰减振荡脉冲波区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小，计算机根据能量减小的衰减振荡脉冲信号和原始的衰减振荡脉冲信号，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动态衰减特性的检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及粉尘云团浓度检测技术，具体涉及一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统及其检测方法。

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

针对粉尘云团动态分布的探测问题，本发明提出了一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统及其检测方法。

本发明的一个目的在于提出一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统。

本发明的应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统包括：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发射传感器、接收传感器、电源管理电路、脉冲信号产生电路、信号处理电路和电源，发射传感器与接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为衰减振荡脉冲波区域，粉尘云团扩散径向方向穿过衰减振荡脉冲波区域，脉冲信号产生电路连接至发射传感器，接收传感器连接至信号处理电路，发射传感器、接收传感器、脉冲信号产生电路和信号处理电路分别连接至电源管理电路，电源管理电路连接至电源，电源管理电路、脉冲信号产生电路和信号处理电路集成在一起构成集成电路；脉冲信号产生电路输出脉冲电压信号至发射传感器，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，穿过衰减振荡脉冲波区域，形成衰减振荡脉冲波，由接收传感器接收，接收传感器将衰减振荡脉冲波传输至信号处理电路，经信号处理电路滤波、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，粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的衰减振荡脉冲波区域，导致超声波能量减小，接收传感器接收能量减小的衰减振荡脉冲波，经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衰减振荡脉冲信号，计算机根据能量减小的衰减振荡脉冲信号和原始的衰减振荡脉冲信号，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动态能量衰减系数曲线，实现对整个粉尘云团的浓度衰减特征信息的实时采集。

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电源采用锂电池给电源管理电路供电，电源管理电路实现对发射传感器、接收传感器、脉冲信号产生电路和信号处理电路的用电分配和管理。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，衰减振荡脉冲波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。

发射传感器和接收传感器采用压电式超声换能器。

本发明的另一个目的在于提供一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统的检测方法。

本发明的应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)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；

2)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；

3)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；

4)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；

5)脉冲超声波传感器检测单元启动，进行初始化和系统自检；

6)脉冲信号产生电路输出脉冲电压信号至发射传感器，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，穿过衰减振荡脉冲波区域，形成衰减振荡脉冲波；

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

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

9)起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中产生粉尘云团；

10)粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的衰减振荡脉冲波区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

11)接收传感器接收能量减小的衰减振荡脉冲波，经信号处理电路传输至多通道数据采集仪；

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

13)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；

14)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。

其中，在步骤13)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，即衰减振荡脉冲波区域的距离，i＝1,2,……,N,N为脉冲超声波传感器检测单元的个数。

本发明的优点：

超声波在检测、诊断及探测方面具有广泛的应用。本发明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，穿过衰减振荡脉冲波区域，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衰减振荡脉冲波区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小，计算机根据能量减小的衰减振荡脉冲信号和原始的衰减振荡脉冲信号，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动态衰减特性的检测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衰减特性的检测系统的一个结构框图。

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动态衰减特性的检测系统包括：检测单元支撑件3、脉冲超声波传感器检测单元2、数据传输线、多通道数据采集仪5和计算机；其中，粉尘填充在起爆装置1中，起爆装置1连接至起爆控制器；以起爆装置1为中心，竖直的检测单元支撑件3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3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3上，沿竖直方向均匀布置多个脉冲超声波传感器检测单元2，从而使得脉冲超声波传感器检测单元2分布在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2通过数据传输线连接至多通道数据采集仪5的一个输入端；多通道数据采集仪5的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪5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2包括发射传感器21、接收传感器22、电源管理电路、脉冲信号产生电路、信号处理电路和电源，发射传感器与接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为衰减振荡脉冲波区域，粉尘云团扩散径向方向穿过衰减振荡脉冲波区域，脉冲信号产生电路连接至发射传感器，接收传感器连接至信号处理电路，发射传感器、接收传感器、脉冲信号产生电路和信号处理电路分别连接至电源管理电路，电源管理电路连接至电源，电源管理电路、脉冲信号产生电路和信号处理电路集成在一起构成集成电路，如图2所示。

本实施例的应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)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；

2)以起爆装置为中心，竖直的检测单元支撑件3按照正交阵列式布置在起爆装置的四周，成两路，每一路八个检测单元支撑件共十六件；

3)在每一个检测单元支撑件3上，沿竖直方向均匀布置三个脉冲超声波传感器检测单元2，从而共48个脉冲超声波传感器检测单元2均布在整个粉尘云团的空间中；

4)每一个脉冲超声波传感器检测单元2通过数据传输线连接至多通道数据采集仪5的一个输入端；多通道数据采集仪5的输出端连接至计算机，多通道数据采集仪5和计算机位于粉尘云团外的安全区域；

5)脉冲超声波传感器检测单元2启动，进行初始化和系统自检；

6)脉冲信号产生电路输出脉冲电压信号至发射传感器，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，穿过衰减振荡脉冲波区域，形成衰减振荡脉冲波；

7)接收传感器接收衰减振荡脉冲波，传输至信号处理电路，经信号处理电路滤波、整流和信号放大传输至多通道数据采集仪5；

8)多通道数据采集仪5进行存储，并传输至计算机，计算机得到原始的衰减振荡脉冲信号；

9)起爆控制器引爆起爆装置，爆轰过程中产生粉尘云团；

10)粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的衰减振荡脉冲波区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

11)接收传感器接收能量减小的衰减振荡脉冲波，经信号处理电路传输至多通道数据采集仪5；

12)多通道数据采集仪5采集能量减小的衰减振荡脉冲波，并实时传输至计算机，得到能量减小的衰减振荡脉冲信号；

13)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衰减振荡脉冲信号幅值，A_1i(t)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，即衰减振荡脉冲波区域的距离，i＝1,2,……,48；

14)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。

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 (8)

1.一种应用于粉尘云团动态衰减特性的检测系统，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，所述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；所述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；所述脉冲超声波传感器检测单元包括发射传感器、接收传感器、电源管理电路、脉冲信号产生电路、信号处理电路和电源，发射传感器与接收传感器相对放置在支撑件上，二者之间为衰减振荡脉冲波区域，粉尘云团扩散径向方向穿过衰减振荡脉冲波区域，脉冲信号产生电路连接至发射传感器，接收传感器连接至信号处理电路，所述发射传感器、接收传感器、脉冲信号产生电路和信号处理电路分别连接至电源管理电路，电源管理电路连接至电源，所述电源管理电路、脉冲信号产生电路和信号处理电路集成在一起构成集成电路；脉冲信号产生电路输出脉冲电压信号至发射传感器，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，穿过衰减振荡脉冲波区域，形成衰减振荡脉冲波，由接收传感器接收，接收传感器将衰减振荡脉冲波传输至信号处理电路，经信号处理电路滤波、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，粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的衰减振荡脉冲波区域，导致超声波能量减小，接收传感器接收能量减小的衰减振荡脉冲波，经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衰减振荡脉冲信号，计算机根据能量减小的衰减振荡脉冲信号和原始的衰减振荡脉冲信号，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动态能量衰减系数曲线，实现对整个粉尘云团的浓度衰减特征信息的实时采集。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述数据传输线连接在脉冲超声波传感器检测单元与多通道数据采集仪之间，埋于地面下。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述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。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述多通道数据采集仪的电源采用锂电池给电源管理电路供电，电源管理电路实现对发射传感器、接收传感器、脉冲信号产生电路和信号处理电路的用电分配和管理。

5.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述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，衰减振荡脉冲波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。

6.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述发射传感器和接收传感器采用压电式超声换能器。

7.一种如权利要求1所述的应用于粉尘云团动态衰减特性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)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；

2)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；

3)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；

4)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；

5)脉冲超声波传感器检测单元启动，进行初始化和系统自检；

6)脉冲信号产生电路输出脉冲电压信号至发射传感器，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，穿过衰减振荡脉冲波区域，形成衰减振荡脉冲波；

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

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

9)起爆控制器引爆起爆装置，粉尘爆轰过程中产生粉尘云团；

10)粉尘云团扩散穿过发射传感器与接收传感器之间的衰减振荡脉冲波区域，导致衰减振荡脉冲波的能量减小；

11)接收传感器接收能量减小的衰减振荡脉冲波，经信号处理电路传输至多通道数据采集仪；

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

13)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；

14)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。

8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于，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，即衰减振荡脉冲波区域的距离，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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