粉塵質(zhì)量濃度的光纖光柵傳感測(cè)量技術(shù)*

丁云峰,郭永興,陳先鋒,楊冰濤,熊 麗

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081;3.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430081)

可燃性粉塵廣泛存在于化工、冶金、糧食加工、礦物開采等領(lǐng)域。當(dāng)粉塵顆粒物質(zhì)量濃度達(dá)到一定程度時(shí)，極易引起粉塵爆炸事故，帶來(lái)災(zāi)難性的后果。粉塵質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)和預(yù)警技術(shù)受到了廣泛的重視。關(guān)于粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)量主要依靠稱重法、測(cè)塵儀等手段。稱重法測(cè)量準(zhǔn)確度高，但過(guò)程繁瑣，無(wú)法快速的反映粉塵的質(zhì)量濃度狀況，不能用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警[1]；測(cè)塵儀是人工在現(xiàn)場(chǎng)持儀器讀取粉塵質(zhì)量濃度，同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)粉塵質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)預(yù)警，而且為帶電型儀器，有電荷輸出時(shí)，易引起環(huán)境粉塵燃爆。粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)量原理大致有電荷法、電容法、光散射法等[2-10]。趙恩彪等[2]、陳建閣等[3]、趙恩彪等[4]根據(jù)粉塵顆粒與流場(chǎng)中金屬電極之間的碰撞產(chǎn)生靜電荷的原理，研究了基于電荷法的煤粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量技術(shù)。李靜等[5]根據(jù)粉塵質(zhì)量濃度不同時(shí)其介電常數(shù)不同的原理，研究了電容法測(cè)粉塵質(zhì)量濃度技術(shù)，通過(guò)電容輸出電壓表征粉塵質(zhì)量濃度大小。張珊珊等[6]、高昊等[7]根據(jù)激光經(jīng)過(guò)粉塵時(shí)產(chǎn)生散射的原理，利用光電探測(cè)器檢測(cè)透過(guò)的光強(qiáng)來(lái)表征粉塵質(zhì)量濃度，但上述方法均需要將帶電設(shè)備置于粉塵現(xiàn)場(chǎng)，存在安全隱患，對(duì)防止塵爆非常不利。為此，需要一種本質(zhì)安全、可實(shí)時(shí)測(cè)量的粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)技術(shù)。光纖光柵是一種新型光無(wú)源器件，以光為傳感信號(hào)，具備無(wú)電檢測(cè)、不受電磁干擾、精度高、一根光纖可串接多個(gè)光柵等優(yōu)勢(shì)，是一種本質(zhì)安全的檢測(cè)元件，特別符合粉塵環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)元件的苛刻要求[11-12]。目前光纖光柵傳感在土木工程[13]、機(jī)械裝備[14]、機(jī)器人[15]等領(lǐng)域的安全監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在粉塵安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。本文中根據(jù)光纖光柵的基本傳感原理，結(jié)合光纖準(zhǔn)直器，提出了一種粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)量方法，具備無(wú)電、遠(yuǎn)距離檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，搭建了測(cè)量裝置并開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可為粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量提供新方法和新思路。

1 測(cè)量裝置與測(cè)量原理

1.1 光纖光柵傳感原理

圖1所示為光纖光柵的傳感原理：光柵經(jīng)激光刻寫于細(xì)微的單模光纖纖芯中，一束寬帶光入射于光纖內(nèi)時(shí)，光纖光柵反射特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，即經(jīng)過(guò)光柵后的透射出的光信號(hào)出現(xiàn)“塌陷”，而被光柵反射回的光信號(hào)為峰狀光譜，當(dāng)刻有光柵處的光纖受到溫度和軸向應(yīng)變作用時(shí)，該反射光譜產(chǎn)生漂移，中心波長(zhǎng)值發(fā)生規(guī)律性變化。光纖Bragg光柵的中心波長(zhǎng)值的漂移量與其所處環(huán)境溫度和所受軸向應(yīng)變的關(guān)系為[16]：

(1)

式中:λ為光纖Bragg光柵初始的中心波長(zhǎng)，Δλ為光柵的波長(zhǎng)漂移量，αf為光纖的熱膨脹系數(shù)，ξ為光纖材料的熱光系數(shù)，Pe為光纖的彈光系數(shù)。這就是光纖Bragg光柵對(duì)應(yīng)變和溫度參數(shù)的測(cè)量原理。

圖1 光纖光柵傳感原理示意圖Fig.1 Illustration of the mechanism of fiber Bragg grating

1.2 粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量原理與裝置

整個(gè)測(cè)量裝置由兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)的光纖準(zhǔn)直器、光纖光柵、粉塵盒、光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀、計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀發(fā)出寬帶光，經(jīng)單模光纖進(jìn)入左側(cè)第一光纖準(zhǔn)直器，寬帶光的光束放大后以平行光的形式進(jìn)入粉塵盒，光強(qiáng)經(jīng)過(guò)粉塵顆粒的反射、散射而削弱后，進(jìn)入到右側(cè)第二光纖準(zhǔn)直器，然后通過(guò)光纖進(jìn)入光纖光柵，和光柵中心波長(zhǎng)一致的光被反射，反射光依次通過(guò)第二光纖準(zhǔn)直器、粉塵盒(光強(qiáng)再次削弱)和第一光纖準(zhǔn)直器后，進(jìn)入光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀，經(jīng)過(guò)儀器的解調(diào)、光電探測(cè)后，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示光纖光柵反射譜的高度和具體的光功率值，在粉塵作用下，光譜高度降低。

根據(jù)Beer-Lambert光透射定律[17]，一束強(qiáng)度為I0的平行光入射到粉塵顆粒上時(shí)，由于粉塵的散射和吸收效應(yīng)，出射光強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)減弱，出射光強(qiáng)I和入射光強(qiáng)I0之間的關(guān)系為：

(2)

式中:N是粉塵的粒子數(shù)濃度，粒子數(shù)濃度表示每立方米空氣中所含粉塵的顆粒數(shù)，D是粉塵粒徑，K是消光系數(shù)，L是待測(cè)粉塵區(qū)的厚度，消光系數(shù)K是與光源波長(zhǎng)λ、折射率m、顆粒粒徑D有關(guān)的參數(shù)，被測(cè)粉塵類型等參數(shù)確定時(shí)，其即為常數(shù)，若被測(cè)粉塵粒徑D已定，待測(cè)區(qū)厚度L確定后，則粉塵粒子數(shù)濃度N只與出射光的衰減情況有關(guān)，通過(guò)標(biāo)定入射、出射光的光強(qiáng)差值和粉塵質(zhì)量濃度之間的關(guān)系，即可通過(guò)光強(qiáng)的變化表征粉塵質(zhì)量濃度。對(duì)于圖2中測(cè)量裝置，通過(guò)檢測(cè)光纖光柵在有無(wú)粉塵前后的反射譜光強(qiáng)的變化，即可反推得到粉塵質(zhì)量濃度的大小。

由于測(cè)量裝置是通過(guò)檢測(cè)光柵的光譜強(qiáng)度來(lái)反映粉塵質(zhì)量濃度，就需即使光柵光譜的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生左右漂移(如環(huán)境溫度變化、光柵受力等)，光譜強(qiáng)度也不發(fā)生變化，這就需要寬帶光源在一定的帶寬范圍內(nèi)足夠平坦。為此，光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀內(nèi)的光源為特殊定制，經(jīng)過(guò)測(cè)試，其在1 550～1 570 nm的范圍內(nèi)具備優(yōu)越的光譜平坦性。因此本測(cè)量裝置可具有溫度測(cè)量的功能——利用光纖光柵波長(zhǎng)漂移來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度。利用光譜強(qiáng)度來(lái)測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度時(shí)，二者互不干擾，實(shí)現(xiàn)雙參數(shù)同時(shí)測(cè)量。

圖3 光纖光柵粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量裝置Fig.3 Fiber Bragg grating measuring equipment for dust concentration

圖3所示為根據(jù)測(cè)量原理搭建起的實(shí)驗(yàn)裝置，其中2個(gè)光纖準(zhǔn)直器安裝在五維調(diào)整架上便于對(duì)準(zhǔn)調(diào)整，粉塵盒子采用透明亞力克板制造而成，兩側(cè)面留有和準(zhǔn)直器對(duì)準(zhǔn)的通孔，粉塵盒置于振動(dòng)篩下方，通過(guò)振動(dòng)篩產(chǎn)生向下流動(dòng)的粉塵顆粒環(huán)境，通過(guò)選用不同型號(hào)的振動(dòng)篩網(wǎng)，可以調(diào)整落入粉塵盒中的粉塵顆粒的直徑大小。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，探測(cè)裝置可置于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)長(zhǎng)距離的光纖與光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀連接，即可實(shí)現(xiàn)粉塵現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)電、遠(yuǎn)程測(cè)量，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的本質(zhì)安全。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用手持式粉塵檢測(cè)儀作為本裝置的參考儀器，量程為0～100 g/m3，利用其測(cè)得的粉塵盒內(nèi)粉塵質(zhì)量濃度值作為參考。光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀的光源總帶寬為80 nm(1 525～1 605 nm)，在1 550～1 570 nm內(nèi)光譜平坦，因此選取了一支中心波長(zhǎng)為1 560.1 nm的光纖光柵作為傳感元件， 探測(cè)儀光強(qiáng)功率準(zhǔn)確度為1 mW，采集頻率為1 Hz。光纖準(zhǔn)直器的光斑直徑為500 μm，工作距離為10～15 cm。

2.1 粉塵質(zhì)量濃度與光功率關(guān)系測(cè)試

粉塵的粒徑一般用“目數(shù)”來(lái)體現(xiàn)，它是指每平方英寸的粉塵篩網(wǎng)上開孔的數(shù)目，數(shù)目越大，孔徑越小。通過(guò)選擇篩網(wǎng)，選取了3種不同粒徑的小麥粉塵作為測(cè)試對(duì)象，分別是200目(對(duì)應(yīng)粒徑約為48～75 μm)、300目(對(duì)應(yīng)粒徑約為38～48 μm)和400目(對(duì)應(yīng)粒徑約為25～38 μm)。通過(guò)調(diào)整振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率，獲得每種粒徑規(guī)格下不同質(zhì)量濃度的粉塵環(huán)境，分別讀取、記錄下手持式粉塵檢測(cè)儀的質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)和光學(xué)解調(diào)探測(cè)儀的光功率數(shù)據(jù)。

圖4～6分別為200、300和400目粒徑的粉塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出：首先，隨著粉塵質(zhì)量濃度的增大，光纖光柵的光功率均逐漸降低，經(jīng)過(guò)擬合可得，粉塵質(zhì)量濃度和光功率呈基本的線性關(guān)系，線性系數(shù)均超過(guò)了0.96；其次，200目粉塵的遞減靈敏度明顯大于其他兩種，分析認(rèn)為，這是由于200目的粒徑大于其他兩種，導(dǎo)致粉塵顆粒更容易阻擋準(zhǔn)直器的光路傳輸，光功率降低更快，與粒徑更小的粉塵相比，阻擋光路的偶然性更大，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，此時(shí)就需采用更大光斑直徑的準(zhǔn)直器。圖7所示為3種目數(shù)的粉塵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，可以看出300目和400目粉塵測(cè)試結(jié)果的一致性更好。

圖4 光纖光柵光功率和200目粉塵質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Correlation between FBG optical power and dust mass concentration of 200 meshes

圖5 光纖光柵光功率和300目粉塵質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5 Correlation between FBG optical power and dust mass concentration of 300 meshes

圖6 光纖光柵光功率和400目粉塵質(zhì)量濃度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Correlation between FBG optical power and dust mass concentration of 400 meshes

圖7 不同目數(shù)的粉塵實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Test results as compared for dusts with different meshes

圖8 光纖光柵測(cè)量結(jié)果和稱重法測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.8 Test results as compared between FBG method and weight method

2.2 測(cè)量結(jié)果誤差分析

為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，以200目小麥粉塵為樣品，采用稱重法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)量得到的光功率值，采用上文測(cè)試結(jié)果的擬合數(shù)據(jù)反推出粉塵盒內(nèi)的質(zhì)量濃度，然后根據(jù)稱重法基本原理，收集懸浮在粉塵盒子空間內(nèi)的粉塵，并采用高精度稱重儀獲得其質(zhì)量M，已知粉塵盒的體積V為3.2×10-4m3，則粉塵的質(zhì)量濃度C可通過(guò)C=M/V得到。隨機(jī)采樣了18個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩種測(cè)量結(jié)果在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處的具體數(shù)值對(duì)比情況、以及以稱重法為基準(zhǔn)的相對(duì)誤差情況如圖8所示，左側(cè)Y軸為粉塵質(zhì)量濃度值，右側(cè)Y軸為該測(cè)點(diǎn)處兩個(gè)數(shù)值的相對(duì)誤差。易得，在粉塵質(zhì)量濃度較低時(shí)，二者的測(cè)量結(jié)果相差較小：在粉塵質(zhì)量濃度低于30 g/m3的情況下，兩種測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差絕大部分在1.5%～2.1%之間，最大值為3.97%；而隨著質(zhì)量濃度變大，二者絕對(duì)誤差值和相對(duì)誤差值逐漸變大：粉塵質(zhì)量濃度從44.52 g/m3增到到89.69 g/m3過(guò)程中，相對(duì)誤差由5.42%逐步增大至10.81%，而且基本均為光纖光柵的測(cè)量值偏大，分析認(rèn)為這主要是由于隨著質(zhì)量濃度增加，有部分粉塵附著在了光纖準(zhǔn)直器表面，產(chǎn)生了恒定的光路阻擋，導(dǎo)致測(cè)量值偏大，這也解釋了上文圖4～6中，在高質(zhì)量濃度時(shí)光纖光柵測(cè)量結(jié)果急劇變小的現(xiàn)象。但二者的整體測(cè)量結(jié)果吻合，說(shuō)明了所提出的光纖光柵測(cè)量技術(shù)的可行性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

提出了一種基于光纖光柵和光纖準(zhǔn)直器組成的新型粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備無(wú)電檢測(cè)、本質(zhì)安全的優(yōu)勢(shì)；開展粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)量裝置的光功率信息輸出與粉塵質(zhì)量濃度呈基本的線性遞減關(guān)系；稱重法和光纖光柵技術(shù)的測(cè)量結(jié)果基本一致，證明了該裝置測(cè)量的可行性與有效性。