CN113405961A - 一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法，属于粉尘检测技术领域。该方法包括：S1：将多角度光散射检测单元置于粉尘浓度检测环境中，得到两个角度光电传感器输出的AD值；S2：采用滤膜质量浓度法测量标准粉尘浓度值；S3：根据标准粉尘浓度值和两个AD值，分别建立曲线m(x)和n(x)；S4：根据样条插值原理，将m(x)和n(x)分成i个插值函数mi(x)和ni(x)，然后利用多角度光散射融合算法计算AD融合值gi(x)；S5：建立粉尘浓度检测回归方程G(x)；S6：将gi(x)带入G(x)中，计算出角度光散射单元检测的粉尘浓度值。本发明减小了粉尘浓度检测的相对误差。
Description
技术领域
本发明属于粉尘检测技术领域，涉及一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法。
背景技术
煤矿井下生产产生的粉尘不仅加大作业人员罹患职业病的风险，而且降低了生产环境的能见度和加大了粉尘爆炸的风险，使得作业人员身心健康及作业环境安全均得不到保障。因此，对粉尘浓度进行在线连续检测是防范粉尘职业危害和保障安全生产的前提。目前，应用较多的粉尘浓度在线检测方法是光散射法。而基于该方法的粉尘浓度检测技术的推广，证明了光散射法对煤矿井下粉尘在线检测的可行性。
目前，吴付祥提出一种单角度光散射的无动力粉尘浓度检测技术，延长了维护时间；孙淼等自主研发的多角度动态光散射装置，对μg级浓度的纳米及亚微米大气颗粒粒径准确测量方法进行了探究；Juan Carlos Gómez Martín等通过模拟实验对多分散球和不规则粒子光散射强度进行测量，重新探讨了光散射法的下限不确定的问题；Xueshan Han等基于MIE理论，研究了粉尘颗粒周围介质对散射信号的影响，发现归因于介质的相对折射率。
国内外学者从微观和宏观对单角度光散射强度、粉尘浓度及影响介质进行了研究，甚至出现了μg级浓度的纳米及亚微米大气颗粒粒径的多角度测量相关研究。但由于煤矿粉尘浓度均达到mg级，至少是大气环境的1000倍，目前仍缺乏针对煤矿井下粉尘的多角度光散射相关研究，其相关检测单元和算法存在差异。
因此，亟需一种能够减小检测相对误差的粉尘浓度检测方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法，减小粉尘浓度检测的相对误差。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法，具体包括以下步骤：
S1：在粉尘浓度检测时，将多角度光散射检测单元置于粉尘浓度检测环境中，分别得到两个角度的光电传感器(Ⅰ和II)输出的AD值mAD、nAD；
S2：采用滤膜质量浓度法测量待测粉尘的标准粉尘浓度值；
S3：根据标准粉尘浓度值和AD值mAD、nAD，分别建立AD值曲线m(x)和n(x)；
S4：根据样条插值原理，将曲线m(x)和n(x)分成i个插值函数mi(x)和ni(x)，然后利用多角度光散射融合算法计算出AD融合值gi(x)；
S5：根据标准粉尘浓度值和AD融合值gi(x)建立多角度光散射单元的粉尘浓度检测回归方程G(x)；
S6：将AD融合值gi(x)带入回归方程G(x)中，计算得到多角度光散射单元检测的粉尘浓度值。
进一步，步骤S1中，所述多角度光散射检测单元包括：激光光源、光学透镜组、光陷阱、光电传感器Ⅰ和II(即光散射接收器件)和对应的检测电路Ⅰ和II等；
当被测粉尘进入光敏感区，光电传感器Ⅰ和II将收集的散射光强转换成电信号，再经过检测电路Ⅰ和II得到光散射法检测的粉尘浓度值及对应的AD值。
进一步，光电传感器Ⅰ和II分别设置在散射角θ＝π/2和3π/2处。
进一步，步骤S3中，所述样条插值原理具体包括：将[0，xn]区间分成n个节点：0<x1<x2<···<xn，根据样条插值原理，将AD值曲线m(x)和n(x)分成i个插值函数mi(x)和ni(x)。
进一步，步骤S4中，所述多角度光散射融合算法的计算公式为：
本发明的有益效果在于：本发明基于光散射基本原理，对散射角度与粉尘浓度的关系进行推演，确定光散射的最佳角度，由此设计出多角度光散射粉尘浓度检测单元；基于试验准备与系统，对多角度检测单元的光电传感器进行试验，采用数据融合方法，将两个光电传感器的AD值进行数据融合，实现对粉尘浓度的检测。本发明方法大大减小粉尘浓度检测的相对误差。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为光散射基本原理示意图；
图2为多角度光散射检测单元示意图；
图3为试验系统示意图；
图4为多角度光散射粉尘浓度检测单元中两个角度的光电传感器的AD值曲线图；
图5为两个角度的光电传感器与多角度光散射检测单元的粉尘浓度检测相对误差对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图5，本发明优选了一种基于多角度光散射粉尘浓度检测单元的粉尘浓度检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在粉尘浓度检测时，将多角度光散射检测单元置于检测环境中，分别得到两个角度的光电传感器Ⅰ和II输出的AD值mAD、nAD；
步骤2：根据多角度光散射粉尘浓度检测单元的光电传感器Ⅰ和II检测粉尘浓度试验数据表(即表1)，将两个光电传感器的AD值mAD、nAD分别建立AD值曲线m(x)和n(x)；
步骤3：根据图4的m(x)和n(x)曲线方程，将mi(x)和ni(x)带入多角度光散射融合算法公式(即式(5)中，计算AD融合值gi(x)；
步骤4：将AD融合值gi(x)带入回归方程G(x)中，计算多角度光散射单元检测的粉尘浓度值。
步骤2中，多角度光散射粉尘浓度检测单元的设计方法
1)光散射法基本原理
MIE散射法是煤矿井下粉尘浓度检测的常用方法，基本原理如图1所示，假设一束单色平行光(波长λ、强度I0)入射坐标O点，而一群折射率m、真密度ρ、直径d的粉尘颗粒在O点将向空间任意方向发出散射光。P点为散射光接收点，r是矢径，θ是散射角。
P点是各个粉尘颗粒在此处散射强度的叠加，其散射光强I与被测粉尘颗粒浓度C的关系式如式(1)所示。
假设常数k，如式(2)：
则，式(1)可变为(3)：
I＝k*C (3)
由式(3)可知：P点散射光强I与被测粉尘的浓度C成正比。
2)多角度光散射检测单元
根据式(3)，被测粉尘浓度C与光散射强度I成正比，与常数k成反比。
检测中，入射光和粉尘被确定，则入射光波长λ、光强I0、粉尘颗粒直径d、真密度ρ及折射率m均视为定值。则k的大小取决于散射角θ。
经过数学推演，当θ＝π/2或3π/2时，k的计算值最小，粉尘浓度C有最大测量值。
可见，若在θ＝π/2或3π/2处接收光的散射，将更有利于粉尘浓度的检测。经国内外技术对比发现，光散射法的散射角一般选择两者之一。若将两者结合，将进一步减小光散射粉尘浓度检测的误差。
不同于μg级浓度的大气颗粒物检测，煤矿粉尘浓度较大，一般是大气环境的100～10000倍，甚至更高。为了降低粉尘对光散射检测器件的污染，结合前面的推论，在散射角θ＝π/2和3π/2处分别设计光散射接收器件，两个角度中间采用中空圆形结构使粉尘快速通过，将得到多角度的光散射检测单元，如图2所示。
多角度光散射检测单元由激光光源、光学透镜组、光陷阱、光电传感器Ⅰ和II(光散射接收器件)和检测电路Ⅰ和II等组成。当被测粉尘进入光敏感区，光电传感器Ⅰ和II将收集的散射光强转换成电信号，再经过检测电路Ⅰ和II得到光散射法检测的粉尘浓度值及对应的AD值。
步骤3中，多角度光散射融合算法的获得方法：
基于多角度光散射粉尘浓度检测单元，为了进一步减小测量误差，考虑将各个角度的测量数据进行融合。
数据融合是一个新兴的研究领域，是针对一个系统使用多数据源这一特定问题而展开的一种关于数据处理的研究。实践证明：与单源数据相比，运用多源数据融合能够克服单源数据的局限性，增强系统生存能力，提高整个系统的可靠性和鲁棒性，增强数据的可信度，并提高精度，扩展整个系统的时间、空间覆盖率，增加系统的实时性和信息利用率等。
基于图2的多角度光散射粉尘浓度检测单元，采用多源数据融合方法，本发明将对同一被测粉尘对象在不同散射角度的光散射检测数据进行融合，提出一种多角度光散射的粉尘检测算法。
而不同散射角度的数据来源于完备的实验系统及可靠的实验。
1)试验准备
(1)粉尘制样
从煤矿井下采回较大的每块，再放入破碎机进行初步粉碎，然后使用研磨机进行重复多次研磨，通过自动筛选设备筛分出中位粒径≤75μm的煤粉，最后将≤75μm的煤粉放入恒温(25±5)℃烘箱中进行24h恒温处理，以备后用。
(2)仪器准备
标准采样仪器：国际通用的手工采样器，负载能力(200±20)Pa，误差±10％；
称重仪器：十万分之一天平，量程0～42g，分辨率0.01～0.1mg；
样机：多角度光散射粉尘浓度检测样机。
(3)试验系统和环境
由定量发尘器(0～1000mg/m3)、静电除尘器、压气泵、除尘管道(风硐)、风速测定仪(0～30m/s)、电脑控制平台及变频风机组成粉尘发尘系统，如图3所示。发尘系统内风速稳定，在变频风机的作用下，风速均匀性偏差≤5％；定量发尘器将粉尘喷入管道，风硐管道截面粉尘浓度均匀性相对标准偏差≤5％；风硐内同一水平面上粉尘浓度相对偏差≤2％。
在实验室内，开启恒温空调保持试验环境相对湿度≤60％RH，温度为(25±5)℃，且稳定。
(4)试验步骤
本试验方法为滤膜质量浓度法，其粉尘浓度测量原理为：在采样泵作用下使一定体积的含尘空气在一定时间内附着在已知质量的滤膜上，再测量采样气量和滤膜上粉尘的质量，计算出被测粉尘在一定气体体积中的质量浓度。
计算粉尘质量浓度的公式如式(4)所示：
式中，C为被测粉尘质量浓度，mg/m3；m1、m2是滤膜采样前后的质量，g；Q为采样流量，L/min；t是采样时间，min。
试验步骤如下：
①选用孔径≤0.3μm的干净滤膜，置于烘箱中，以25℃恒温2h；取出恒温处理的滤膜，使用十万分之一天平称重，记录滤膜质量m1；
②开启风机调整风速，待风硐的风度稳定后，开启静电除尘器、压气泵和定量发尘器，开始发尘；将采样器、多角度光散射粉尘检测单元置于风硐中同一截面的同一水平位置；
③一段时间后，待风硐内的粉尘浓度稳定后，开启采样器进行粉尘采样；经过采样时间t后，结束采样，记录采样气量Q；
④从采样器中小心取出采样后的含尘滤膜，再次放入烘箱内25℃恒温2h；
⑤将再次恒温的含尘滤膜使用镊子夹入天平内进行称重，记录含尘滤膜的质量m2；
⑥根据式(4)计算采样器称重测量的粉尘质量浓度C，作为标准粉尘浓度值；将标准粉尘浓度值与多角度光散射粉尘检测单元的两个角度的光电传感器检测值及AD值进行对比分析；
⑦调节发尘器开口，改变风硐内的粉尘浓度，重复①、③～⑥进行其他粉尘浓度下的对比试验；
⑧试验完成，关闭所有设备，将多角度光散射粉尘检测单元和采样器从风硐中取出归置。
2)多角度光散射融合
根据试验准备1)，以采样器的滤膜采样法称重的粉尘质量浓度值作为标准，将多角度光散射粉尘浓度检测单元的两个角度的光电传感器Ⅰ和II检测的粉尘浓度值以及AD值(16位)(去掉电路的背景噪声)记录整理。经过30次试验后，从中抽取代表性的数据如表1所示。
表1多角度光散射粉尘浓度检测单元的光电传感器Ⅰ和II检测粉尘浓度试验数据表
多角度光散射粉尘浓度检测单元两个角度的光电传感器1和2输出的AD值是粉尘浓度标定的基础，绘制的AD值与粉尘浓度之间的关系曲线分别为m(x)，n(x)，见图4所示。
如表1，多角度光散射粉尘浓度检测单元的两个角度对应的光电传感器1和光电传感器2的粉尘浓度检测相对误差分别为：(-8.7～14.5)％、(-7.8～14.2)％，其相对误差跨度较大，最大误差值也较大。
可见，单角度粉尘浓度检测的相对误差较大，检测相对误差仍需减小。
基于两个角度的光电传感器1和2的AD值，本发明将两者AD值进行数据融合，寻找一种能减小粉尘浓度检测相对误差的AD融合值，即是多角度光散射融合值。
如图5，光电传感器1的AD值曲线为m(x)，光电传感器1的AD值曲线为n(x)。将[0，xn]区间分成n个节点：0<x1<x2<···<xn，根据样条插值原理，两个曲线分成i个插值函数mi(x)和ni(x)。则将某次测试的m(x)和n(x)的AD值进行数据融合，计算两条样条曲线间的阴影面积值gi(x)为AD融合值，如式(5)为多角度光散射融合算法。
将表1两个角度的光电传感器Ⅰ和II的AD值带入式(5)提取AD融合值，表2所示。
表2不同粉尘浓度的AD融合值
步骤4中，基于表2的试验数据，建立多角度光散射单元的粉尘浓度检测回归方程G(x)，其中x是多角度光散射检测单元的AD融合值gi(x)，将其带入G(x)中计算得到被测粉尘浓度值。
对比试验验证：
本实施例设计一种基于多角度光散射粉尘浓度检测单元和融合检测算法的粉尘浓度检测方法。而融合检测算法的核心是检测相对误差，下面将对其进行试验验证。
将多角度光散射粉尘浓度检测算法写入到多角度光散射检测单元中，基于步骤3中的试验准备，使用同样的方法对多角度光散射检测单元进行粉尘浓度检测试验，分别记录光电传感器Ⅰ、光电传感器II和多角度光散射检测单元的粉尘浓度测量值。取50次试验数据中的典型数据，其检测相对误差对比图如图5所示。由图5可知，多角度光散射检测单元的检测相对误差≤9.5％，比光电传感器Ⅰ的检测相对误差小4.6％，比光电传感器II的检测相对误差小4.4％。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于多角度光散射的粉尘浓度检测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：在粉尘浓度检测时，将多角度光散射检测单元置于粉尘浓度检测环境中，分别得到两个角度的光电传感器输出的AD值mAD、nAD；
S2：采用滤膜质量浓度法测量待测粉尘的标准粉尘浓度值；
S3：根据标准粉尘浓度值和AD值mAD、nAD，分别建立AD值曲线m(x)和n(x)；
S4：根据样条插值原理，将曲线m(x)和n(x)分成i个插值函数mi(x)和ni(x)，然后利用多角度光散射融合算法计算出AD融合值gi(x)；
S5：根据标准粉尘浓度值和AD融合值gi(x)建立多角度光散射单元的粉尘浓度检测回归方程G(x)；
S6：将AD融合值gi(x)带入回归方程G(x)中，计算得到多角度光散射单元检测的粉尘浓度值。
2.根据权利要求1所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S1中，所述多角度光散射检测单元包括：激光光源、光学透镜组、光陷阱、光电传感器Ⅰ和II和对应的检测电路Ⅰ和II；
当被测粉尘进入光敏感区，光电传感器Ⅰ和II将收集的散射光强转换成电信号，再经过检测电路Ⅰ和II得到光散射法检测的粉尘浓度值及对应的AD值。
3.根据权利要求1或2所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，光电传感器Ⅰ和II分别设置在散射角θ＝π/2和3π/2处。
4.根据权利要求1所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S3中，所述样条插值原理具体包括：将[0，xn]区间分成n个节点：0<x1<x2<···<xn，根据样条插值原理，将AD值曲线m(x)和n(x)分成i个插值函数mi(x)和ni(x)。
5.根据权利要求4所述的粉尘浓度检测方法，其特征在于，步骤S4中，所述多角度光散射融合算法的计算公式为：
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- 2021-06-21 CN CN202110685178.4A patent/CN113405961B/zh active Active
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