基于多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術

趙 政，李德文，吳付祥，劉國慶

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

粉塵是礦山五大災害之一，對人體危害很大，長期吸入會引發塵肺病;環境粉塵質量濃度達到一定程度還存在爆炸隱患。因此，對粉塵質量濃度進行在線連續檢測是防患未然的重要手段[1]。目前，應用最多的粉塵質量濃度在線檢測方法主要是光散射法、電荷感應法[2]。而基于2種方法的粉塵質量濃度檢測技術的推廣，證明了2種方法對礦山粉塵在線檢測的可行性[3]。

劉永杰等[4]針對空氣中粉塵顆粒質量濃度自動測量的問題，研究了一種基于光散射法測量粉塵質量濃度的理論方法;HAN Xueshan等[5]基于Mie理論，研究了粉塵顆粒周圍介質對散射信號的影響，發現歸因于介質的相對折射率;CLEMENTI等[6]提出了一種通過靜態光散射測量來表征球形粉塵顆粒的數值方法;陳建閣等[7]根據煤礦粉塵的電荷性提出電荷感應法粉塵質量濃度檢測技術;GAJEWSKI[8]建立了探針電位與動態空間的粉塵顆粒電荷密度和凈電荷之間的數學模型。

國內外學者已對光散射法和電荷感應法檢測粉塵質量濃度進行了宏觀和微觀研究，但目前部分學者，如李德文等[9]發現:光散射法適用于低粉塵質量濃度檢測，電荷感應法則相反;并提出粉塵質量濃度檢測的最優方案是光散射法與電荷感應法相結合。因此，針對2種檢測方法的局限性，筆者提出一種基于多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術，集中2種方法的優點，通過實驗驗證了該技術減小了誤差、提高了標定靈敏度、克服了光散射法和電荷感應法的局限性。

1 光散射法基本原理

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

假設波長λ、強度I0的單色平行光入射三維坐標O點，而O點有折射率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出散射光[11]。圖1中P點為散射光強接收點，r為O點與P點的矢徑，θ為r矢徑和Z軸之間的散射角[12]。

當非均勻分布的粉塵顆粒群在O點質量濃度不高、厚度較薄，且粉塵顆粒的散射光相互獨立不干涉，則P點的散射光強是各個粉塵顆粒在此處散射強度的疊加。因此，P點散射光強度I與被測粉塵顆粒群質量濃度C的關系式[13]為

(1)

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

(2)

式(1)可變為

I=kC

(3)

由式(3)可知:P點散射光強I與被測粉塵的質量濃度C呈正比。

據圖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、光學透鏡組、凹面聚光鏡、光陷阱、光電傳感器和檢測電路等組成。當被測粉塵進入光敏感區，光電傳感器將收集的散射光強轉換成電信號，再經過檢測電路得到光散射法檢測的粉塵質量濃度值及對應的AD值。AD轉換(Analogue-to-Digital)是將輸入的模擬量轉換成數字量，在電子檢測及計算機控制等技術領域，發揮著不可替代的基礎作用[27]。而光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元將和粉塵濃度相關的散射光強度和感應電荷強度等模擬量轉換成直接可用的數字量(AD值)，其AD值是傳感單元標定被測粉塵濃度的基礎數據。

2 電荷感應法基本原理

帶電量為q的粉塵顆粒，近距離飛過金屬探測電極，由于電荷感應作用使探測電極產生的動態感應電荷量為Q;再提取感應電荷產生交變信號的波動性來反演被測粉塵的質量濃度，且Q與粉塵質量濃度呈正比[15]。原理如圖3所示[16]。

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

根據高斯靜電場理論，探測電極表面感應的電荷量等于穿過閉合曲面的點通量乘以介電常數[17]。經過數學推演得到動態感應電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q之間的關系[18]為

(4)

式中，ε為介電常數;l為帶電粉塵顆粒與探測電極的感應距離。

由式(4)可見，動態感應電荷量Q與粉塵顆粒帶電量q成正比，與感應距離l成反比。

根據電荷感應法的基本原理，若要準確檢測粉塵質量濃度，需波動性大的動態感應電荷量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)外壁作為探測電極。帶螺旋狀探測電極的圓形氣筒和檢測電路構成了電荷感應傳感子單元，如圖4所示。

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

當含塵氣流在圓形氣筒內壁飛過，探測電極將獲得動態感應電荷，檢測電路中的電荷放大器獲取信號且轉換成電壓輸出，再經過程控放大、工頻濾波、AD轉換、MCU處理得到電荷感應法檢測的粉塵質量濃度值及對應的AD值。

3 多傳感融合的粉塵檢測技術

光散射法對高粉塵質量濃度、電荷感應法對低粉塵質量濃度的檢測，在檢測誤差、標定靈敏度等方面有局限性[9]。

為了克服2種檢測方法各自的局限性，筆者借助自主研制的光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元，基于最優化原則，將2種傳感子單元進行多傳感結構融合;然后基于多傳感數據融合原理，提出一種粉塵質量濃度檢測算法，完成基于多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術的研究。

3.1 多傳感結構融合

3.1.1 光散射子單元的防污染研究

研究發現:光散射傳感子單元不能完全克服被測粉塵對光學器件的污染，且粉塵質量濃度越高，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經過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，潔凈氣幕將粉塵隔離在氣流1中，確保光學器件不被快速污染。

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:在工作面內存在橫向風流干擾的情況下，6 m/s風速氣幕的隔塵效率是97.6%[20-21]。而光散射傳感子單元內部無橫向風流干擾，調節采樣氣流分配比例、適當減小采樣氣流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，達到隔塵的要求，緩解光散射傳感子單元的污染。

3.1.2 結構融合

多傳感融合檢測技術的基礎是融合結構，本文需要以圖5光散射傳感子單元和圖4電荷感應傳感子單元為前提，將2種傳感子單元進行結構融合。

結構融合的方式有2種:并聯和串聯。若采用并聯的方式，結構示意如圖6所示。

圖6 并聯融合結構示意Fig.6 Schematic diagram of parallel fusion structure

并聯融合結構需將采樣主氣流按比例分配分為采樣氣流3和4;同時還要保證氣流3和4中含有的粉塵也滿足此比例。氣流分配可通過比例閥調節實現，但是氣流3和4中粉塵的分配存在隨機性、分配規律難以探尋，目前無法實現氣流中粉塵的按比例分配。可見，并聯融合結構是不可行的。因此，考慮采用串聯方式進行檢測結構的融合。其結構示意如圖7所示。

圖7 串聯融合結構示意Fig.7 Schematic diagram of series fusion structure

傳感子單元的串聯順序是該融合結構的核心，需對其進行對比分析。

首先，假設將圖7中的串聯順序顛倒，采樣主氣流將先流過電荷感應傳感子單元，再通過光散射傳感子單元。分析發現:電荷感應傳感子單元檢測的粉塵是采樣主氣流中的粉塵，而由于氣幕隔塵的分流導致光散射傳感子單元檢測的粉塵是采樣氣流1中的粉塵;前者檢測的粉塵總量比后者大。因此，電荷感應傳感子單元在前、光散射傳感子單元在后的串聯順序是不可行的。

然后，再采用圖7的串聯順序，2者檢測的粉塵均是采樣氣流1中的粉塵，其是同一對象，被測粉塵總量不存在差異。可見，圖7的串聯結構正是本文所需的多傳感融合結構，而該結構的光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元組成了多傳感融合單元。

3.2 多傳感數據融合及檢測算法

多傳感數據融合是一個新興的研究領域，是針對一個系統使用多個傳感單元這一特定問題而展開的一種關于數據處理的研究[22]。實踐證明:與單傳感系統相比，運用多傳感數據融合技術能夠克服單傳感單元的局限性，增強系統生存能力，提高整個系統的可靠性和魯棒性，增強數據的可信度，并提高精度，擴展整個系統的時間、空間覆蓋率，增加系統的實時性和信息利用率等[23-24]。

基于圖7的多傳感融合單元，采用多傳感數據融合方法，將對同一被測粉塵對象在不同傳感子單元的檢測數據進行融合，提出一種能夠克服單傳感子單元各自局限性的檢測算法。而不同傳感子單元的數據來源于完備的實驗系統及可靠的實驗。

3.2.1 實驗準備

(1)粉塵制樣和儀器準備。實驗選用的粉塵樣品是煤粉，制作過程如下:從煤礦現場采回較大的煤塊;放入破碎機進行初步粉碎;再使用研磨機進行精細研磨，使煤粉的中位徑均<75 μm;最后將煤粉放置到溫度為(25±5) ℃烘箱中進行24 h烘干。

標準儀器選用粉塵質量濃度測量的國際通用儀器:手工采樣器。

樣機:經光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元串聯融合而成的多傳感融合單元的樣機如圖8所示。

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

(2)實驗系統和環境。由定量發塵器(0～1 000 mg/m3)、靜電除塵器、壓氣泵、除塵管道(風硐)、風速測定儀(0～30 m/s)、電腦控制臺及變頻風機組成粉塵發塵系統，如圖9所示。發塵系統內風速穩定，在變頻風機的作用下，風速均勻性偏差≤5%;定量發塵器將粉塵噴入管道，風硐管道截面粉塵質量濃度均勻性相對標準偏差≤5%。

圖9 實驗系統實物Fig.9 Physical picture of experimental system

實驗室使用恒溫空調使環境相對濕度小于60% RH，溫度為(25±5) ℃，且穩定。

3.2.2 多傳感數據融合

將多傳感融合單元置于實驗系統中進行實驗，以手工采樣器采樣稱重的粉塵質量濃度值作為標準。將光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元測量的粉塵質量濃度值以及AD值(16位)記錄整理。經過50次實驗之后，從中抽取實驗數據見表1。

表1 光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元檢測粉塵質量濃度實驗數據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值是粉塵質量濃度標定的基礎，為了在同一水平進行多傳感數據融合研究，將光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元輸出的AD值進行最值歸一化，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誤差:當粉塵質量濃度≤100 mg/m3時，檢測誤差<10%;當粉塵質量濃度為100～500 mg/m3時，檢測誤差為10%～14%;當粉塵質量濃度為500～1 000 mg/m3時，檢測誤差為14%～15%。電荷感應傳感子單元檢測誤差:當粉塵質量濃度≤100 mg/m3時，檢測誤差為12%～15%;當粉塵質量濃度為100～500 mg/m3時，檢測誤差為8%～12%;當粉塵質量濃度為500～1 000 mg/m3時，檢測誤差為6%～8%。

靈敏度是指測量系統的示值變化除以相應的被測量值變化所得的商[25]，以此類推，本文的標定靈敏度是傳感單元檢測的AD值除以被測粉塵質量濃度值的商。

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

分析和比較發現:粉塵質量濃度低時，光散射法的檢測誤差小、標定靈敏度高，而電荷感應法的檢測誤差大、標定靈敏度低;粉塵質量濃度升高后，2種檢測方法的檢測誤差、標定靈敏度與低粉塵質量濃度時相反。由此可見:光散射法適用于較低粉塵質量濃度的檢測，電荷感應法對高粉塵質量濃度檢測有優勢。換而言之，光散射法檢測較高粉塵質量濃度、電荷感應法檢測較低粉塵質量濃度有局限性。

為了克服光散射法或電荷感應法單一方法對粉塵質量濃度檢測的局限性，基于多傳感數據融合的原理，本文將集中光散射法對低粉塵質量濃度和電荷感應法對高粉塵質量濃度的檢測優點，將2者的檢測數據進行融合[26]，探尋一種既適用于低粉塵質量濃度檢測又能高精度檢測高粉塵質量濃度的新檢測技術。

將2種傳感子單元輸出的AD值進行數據融合，尋找一種能提升粉塵質量濃度標定靈敏度和減小粉塵質量濃度檢測誤差的AD融合值。

如圖10所示，光散射傳感子單元AD值曲線為a(x)，電荷感應傳感子單元AD值曲線為b(x)。將[0，xn]區間分成n個節點: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，見表2。

由表1，2可知，光散射傳感子單元的平均標定靈敏度是90.2，電荷感應傳感子單元的平均標定靈敏度是23.4;而經數據融合的多傳感融合單元的平均標定靈敏度是2 911.4，與光散射傳感子單元相比靈敏度提高了32.3倍，與電荷感應傳感子單元比較靈敏度提高了124.4倍。可見，多傳感數據融合的AD融合值大幅提高了粉塵質量濃度檢測的靈敏度。

基于表2中的實驗數據，建立多傳感融合單元的粉塵質量濃度檢測回歸方程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)中計算得到被測的粉塵質量濃度值。

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

3.2.3 粉塵質量濃度檢測算法

基于多傳感融合單元，對同源的光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元的AD值進行數據融合，得到一種新的粉塵質量濃度檢測算法。結合3.2.2節，

其光散射傳感子單元、電荷感應傳感子單元數據融合過程和新的粉塵質量濃度檢測算法的步驟:

(1)在粉塵質量濃度檢測時，將多傳感融合單元置于檢測環境中，分別得到光散射傳感子單元、電荷感應傳感子單元輸出的AD值gAD,dAD;

(2)據表1，將2個子單元的AD值gAD,dAD進行歸一化，分別為ai(x)和bi(x);

(3)據圖10的a(x)和b(x)曲線方程，將ai(x)和bi(x)代入式(5)，計算AD融合值fi(x);

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

4 實 驗

筆者對多傳感融合結構和融合檢測算法進行研究，提出一種多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術。而融合結構的重點是防污染的光散射子單元，融合檢測算法的核心是檢測誤差，下面將分別對其進行實驗驗證。

4.1 光散射子單元的防污染實驗

為了防止被測粉塵對光學器件的污染，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。

采用實驗方法對氣幕隔塵的效果進行驗證。圖11為環境實驗艙，將圖2沒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，再將發塵器發出的粉塵噴入艙內，分別開啟圖2和圖5光散射傳感子單元的采樣泵進行長達1個月的實驗。

圖11 環境實驗艙實物Fig.11 Physical drawing of the environmental laboratory module

經過1個月實驗后，取出2種光散射傳感子單元，拆開光敏感區對比分析。圖12左邊是沒有氣幕隔塵的光散射傳感子單元光敏感區的實驗效果，右邊為帶氣幕隔塵的光散射傳感子單元光敏感區的防污染實驗效果。

圖12 粉塵防污染實驗效果對比Fig.12 Comparison of dust pollution prevention experiment effect

左邊的光敏感區已經被完全污染，右邊的光敏感區只有少許粉塵。證明采用的氣幕隔塵方法盡量避免了粉塵對光學器件的污染，延長了維護時間，為粉塵質量濃度的檢測提供了保障。

4.2 多傳感融合單元的檢測誤差實驗

將新型粉塵質量濃度檢測算法寫入多傳感融合單元，使用3.2節中的粉塵、標準儀器、實驗系統和環境，采用同樣的方法對多傳感融合單元進行粉塵質量濃度檢測實驗，分別記錄光散射傳感子單元、電荷感應傳感子單元和多傳感融合單元的粉塵質量濃度檢測值。經過50次實驗之后，從中抽取實驗數據，其檢測誤差對比圖如圖13所示。

實驗發現:多傳感融合單元的檢測誤差≤8.5%，比光散射傳感子單元的誤差小6.4%，比電荷感應傳感子單元的誤差小6.2%。究其原因:將粉塵質量濃度檢測的光散射方法和電荷感應方法相結合，形成多傳感融合單元，采用多傳感數據融合技術，集中了2種方法對低、高粉塵質量濃度檢測的優勢，解決對高、低粉塵質量濃度的檢測誤差偏大的問題。證明:基于多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術的檢測誤差大幅減小;克服了光散射法和電荷感應法對粉塵質量濃度檢測的局限性，多傳感融合的技術優勢顯著。

5 結 論

(1)基于礦山工作面的氣幕控塵技術，設計了一種光散射傳感子單元的防污染結構，實驗證明:該結構盡量避免了粉塵對光學器件的污染，延長了維護時間，為粉塵質量濃度的檢測提供了保障。

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

(3)采用實驗和理論分析的方法，完成了光散射傳感子單元和電荷感應傳感子單元的AD值數據融合算法，并提出了一種多傳感融合的粉塵質量濃度檢測算法，形成了多傳感融合的粉塵質量濃度檢測技術。

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

(5)多傳感融合技術克服了光散射法和電荷感應法對粉塵質量濃度檢測的局限性，集中了2者的優點，進一步減小了檢測的誤差和提高了標定靈敏度。