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一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置
申请号	CN202410061727.4	申请日	2024-01-16	公开(公告)号	CN117907178A	公开(公告)日	2024-04-19
申请人	山东科技大学;			发明人	彭慧天; 万俊超; 聂文; 李怀彤; 许长炜; 郭立典; 刘飞; 豆雨欣; 李浩铭; 彭怡斐;
摘要	本发明提出了一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，包括装置外壳，装置外壳内设有近前向检测光学通路和除尘系统，近前向检测光学通路包括连通的入射光通路、检测腔和散射光通路，检测腔两侧设置有进尘口和出尘口，进尘口和出尘口一一与装置外壳上两通道口连通，从而形成粉尘流动通路；入射光通路内包括两半导体激光器，两者之间设有隔板，隔板将入射光通路分隔为两并排通道，在每个半导体激光器前方均设有第一准直透镜和第一聚焦透镜；散射光通路相对入射光通路的前进方向呈30°～60°设置，其内包括第二准直透镜、第二聚焦透镜和光电探测器。本发明降低了水汽和粉尘对光电探测器和透镜的附着侵蚀，提高了粉尘检测精度。
权利要求	1.一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，包括装置外壳(1)，所述装置外壳(1)内设有近前向检测光学通路和除尘系统，其特征在于：所述近前向检测光学通路包括依次连通的入射光通路(A)、检测腔(10)和散射光通路(B)，所述装置外壳(1)上开设有两通道口(2)，所述检测腔(10)两侧设置有进尘口(11)和出尘口(12)，所述进尘口(11)和出尘口(12)一一与两通道口(2)连通，从而形成粉尘流动通路；所述入射光通路(A)内包括用以交替发射不同波长激光的两半导体激光器(5)，两所述半导体激光器(5)左右并排设置，且两者之间设有隔板(6)，所述隔板(6)将入射光通路(A)分隔为两并排通道，在每个通道内的半导体激光器(5)前方均设有第一准直透镜(8)，所述第一准直透镜(8)的前方设有第一聚焦透镜(9)；所述散射光通路(B)相对入射光通路(A)的前进方向呈30°～60°倾斜设置，其内包括由后向前依次设置的第二准直透镜(15)、第二聚焦透镜(16)和光电探测器(19)；所述除尘系统包括光学通路除尘系统和检测腔除尘系统；所述检测腔除尘系统包括两微型Z轴线性马达(13)，所述进尘口(11)和出尘口(12)均呈管状，两所述微型Z轴线性马达(13)分别设置于进尘口(11)和出尘口(12)的外圆上；所述光学通路除尘系统包括除尘系统外壳(4)和多个设置于散射光通路左侧外的气体离心风扇(17)，所述散射光通路的左、右侧壁上对应开设有若干小圆孔(18)，所述气体离心风扇(17)及两侧小圆孔(18)均沿散射光通路(B)的前进方向间隔布置，所述除尘系统外壳(4)包裹于散射光通路(B)外并将各气体离心风扇(17)包裹于内，且散射光通路(B)的上、下端面与除尘系统外壳(4)紧密贴合，散射光通路(B)的左、右端面与除尘系统外壳(4)之间留有空间。 2.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述光电探测器(19)用于配合跨阻放大器、AGC自适应增益控制电路、A/D转换电路和数字滤波组成光电转换系统。 3.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述粉尘流动通路的一通道口(2)用于与分离器相连，另一通道口(2)中设置有引流风机(3)，与分离器相连的通道口(2)为靠近检测腔(10)进尘口(11)一侧的通道口(2)。 4.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述散射光通路(B)有两条，分别相对入射光通路(A)前进方向上倾45°和下倾45°设置。 5.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述半导体激光器(5)与检测腔(10)之间的距离、光电探测器(19)与检测腔(10)之间的距离均为6cm。 6.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述进风口(11)和出风口(12)均由橡胶材质制成，且均为直径0.8cm的管状通道，所述粉尘流动通路的两通道口(2)均为直径5cm的管状通道，进风口(11)和出风口(12)均嵌装于对应通道口(2)中。 7.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：两所述半导体激光器(5)分别选用能发射637nm波长激光的激光器HL63142DG和能发射450nm波长激光的激光器PL450B，在激光器HL63142DG与对应的第一准直透镜(8)之间设有仅允许 637nm波长激光通过的布拉格光栅(7)，在激光器PL450B与对应的第一准直透镜(7)之间设有仅允许450nm波长激光通过的布拉格光栅(7)。 8.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述微型Z轴线性马达(13)外套有防水外壳。 9.根据权利要求1所述的交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，其特征在于：所述第二准直透镜(15)的周围设置有光陷阱(14)，所述光陷阱(14)由黑色POM材料制成。
说明书全文	一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置技术领域 [0001] 本发明涉及矿下粉尘浓度检测领域的一种光学检测仪器，特别涉及一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置。背景技术 [0002] 煤矿生产过程中产生的煤尘是煤矿五大灾害之一，煤尘不仅使矿工面临患尘肺病等严重呼吸系统疾病的风险，还可能引发其他健康问题，如慢性支气管炎、哮喘和肺癌等。此外，大量聚集的煤尘容易起煤矿粉尘爆炸。因此，为确保煤矿的生产作业得以高效展开，并对维护矿工的职业健康提供可靠保障，实施精准的煤尘浓度监测具有重要意义。 [0003] 近年来，粉尘浓度监测仪器发展迅速，主要应用的技术有光散射法、重力沉降法、β射线法、称重法和静电感应法等。其中光散射法应用广泛，通过检测激光照射粉尘颗粒产生散射光来计算粉尘浓度。目前大部分光散射法采用单个激光源，对某些粒径的粉尘浓度不能准确检测，由于滤波算法的局限性，致使信噪比较低。此外，矿下环境潮湿多尘，检测仪器内部容易被粉尘和水雾沾染，以上原因造成测量结果误差偏大。发明内容 [0004] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，以解决单一波长激光对某些粒径的呼吸性粉尘浓度不能准确检测和多光谱激光同时照射产生光耦合的问题，还能降低水汽和粉尘对光电探测器和透镜的附着侵蚀，延长其使用年限，提高检测精度。 [0005] 为了解决上述问题，本发明提出了一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，包括装置外壳，所述装置外壳内设有近前向检测光学通路和除尘系统； [0006] 所述近前向检测光学通路包括依次连通的入射光通路、检测腔和散射光通路，所述装置外壳上开设有两通道口，所述检测腔两侧设置有进尘口和出尘口，所述进尘口和出尘口一一与两通道口连通，从而形成粉尘流动通路； [0007] 所述入射光通路内包括用以交替发射不同波长激光的两半导体激光器，两所述半导体激光器左右并排设置，且两者之间设有隔板，所述隔板将入射光通路分隔为两并排通道，在每个通道内的半导体激光器前方均设有第一准直透镜，所述第一准直透镜的前方设有第一聚焦透镜； [0008] 所述散射光通路相对入射光通路的前进方向呈30°～60°倾斜设置，其内包括由后向前依次设置的第二准直透镜、第二聚焦透镜和光电探测器； [0009] 所述除尘系统包括光学通路除尘系统和检测腔除尘系统； [0010] 所述检测腔除尘系统包括两微型Z轴线性马达，所述进尘口和出尘口均呈管状，两所述微型Z轴线性马达分别设置于进尘口和出尘口的外圆上； [0011] 所述光学通路除尘系统包括除尘系统外壳和多个设置于散射光通路左侧外的气体离心风扇，所述散射光通路的左、右侧壁上对应开设有若干小圆孔，所述气体离心风扇及两侧小圆孔均沿散射光通路的前进方向间隔布置，所述除尘系统外壳包裹于散射光通路外并将各气体离心风扇包裹于内，且散射光通路的上、下端面与除尘系统外壳紧密贴合，散射光通路的左、右端面与除尘系统外壳之间留有空间。 [0012] 上述方案中：所述光电探测器用于配合跨阻放大器、AGC自适应增益控制电路、A/D转换电路和数字滤波组成光电转换系统；通过光电探测器收集散射光信号并转换成电信号，经过优化后的跨阻放大器进行信号放大，AGC自适应增益控制电路自动调整信号增益，以保持信号在合适的幅度范围内，最后经过A/D转换电路和数字滤波处理，最终通过微计算机根据计算方法处理得出粉尘浓度。 [0013] 上述方案中：所述粉尘流动通路的一通道口用于与分离器相连，另一通道口中设置有引流风机，与分离器相连的通道口为靠近检测腔进尘口一侧的通道口，引流风机用于辅助粉尘流动。 [0014] 上述方案中：所述散射光通路有两条，分别相对入射光通路前进方向上倾45°和下倾45°设置；设置两条散射光通路，得到两组检测数据，有利于提高粉尘检测精度。 [0015] 上述方案中：所述半导体激光器与检测腔之间的距离、光电探测器与检测腔之间的距离均为6cm。 [0016] 上述方案中：所述进风口和出风口均由橡胶材质制成，且均为直径0.8cm的管状通道，所述粉尘流动通路的两通道口均为直径5cm的管状通道，进风口和出风口均嵌装于对应通道口中；可启动马达带动橡胶材质的进尘口和出尘口振动，除去粉尘流通时粘黏在进尘口和出尘口的粉尘。 [0017] 上述方案中：两所述半导体激光器分别选用能发射637nm波长激光的激光器HL63142DG和能发射450nm波长激光的激光器PL450B，在激光器HL63142DG与对应的第一准直透镜之间设有仅允许637nm波长激光通过的布拉格光栅，在激光器PL450B与对应的第一准直透镜之间设有仅允许450nm波长激光通过的布拉格光栅；两个不同布拉格光栅置于两个半导体激光器前，过滤掉外围和激光器发射出的杂光，使特定波长的激光进入检测腔。 [0018] 上述方案中：所述微型Z轴线性马达外套有防水外壳，起防潮作用。 [0019] 上述方案中：所述第二准直透镜的周围设置有光陷阱，所述光陷阱由黑色POM材料制成，采用黑色POM材料吸收杂光。 [0020] 本发明的有益效果是： [0021] 1、通过两束不同波长的激光交替照射，利用不同粒径粉尘对不同波长入射光前向角散射效果不同，使大部分粒径的粉尘都能在前向检测角度产生更好的散射光，以不同波长所反馈的散射光信号不同来分析各个粒径范围的占比，根据粒径占比设置合适的浓度计算公式，从而能精确获得采样检测腔内的粉尘浓度。2、进尘口和出尘口上安装有微型Z轴线性马达，启动马达带动进尘口和出尘口振动，能除去粉尘流通时粘黏在进尘口和出尘口的粉尘。3、检测通路两侧开有小圆孔，左侧小圆孔中安装有高度气体离心风扇，定时开启风扇，气流能清理光电探测器和光学透镜上附着的粉尘，粉尘通过对侧小圆孔进入除尘系统外壳内暂时储存。 [0022] 总之，本发明基于米氏散射原理，利用交替照射避免产生光耦合，使不同粒径的呼吸性尘在近前向检测角度达到非常好的散射效果，定时清理光学透镜、光电探测器和检测腔通路上附着的粉尘，降低了水汽和粉尘对光电探测器和透镜的附着侵蚀，提高了粉尘检测精度，布局合理，成本低廉。附图说明 [0023] 图1是本发明的外部结构图。 [0024] 图2是装置外壳内入射光通路、检测腔和散射光通路的连接示意图。 [0025] 图3是入射光通路、和散射光通路的内部示意图。 [0026] 图4是散射光通路与除尘系统外壳的装配示意图。 [0027] 图5是本发明的工作流程图。 [0028] 图6是3σ‑卡尔曼滤波复合算法的流程图。 [0029] 图7是本发明中检测数据处理的流程图。具体实施方式 [0030] 如图1—7所示，一种交替双光谱信号的粉尘浓度检测及自洁装置，主要由装置外壳1，装置外壳1内设有近前向检测光学通路和除尘系统组成。 [0031] 近前向检测光学通路包括依次连通的入射光通路A、检测腔10和散射光通路B，近前向检测光学通路内部均涂有有机染料，进行吸光和防止二次散射。装置外壳1上开设有两通道口2，检测腔10两侧设置有进尘口11和出尘口12，进尘口11和出尘口12一一与两通道口2连通，从而形成粉尘流动通路。 [0032] 入射光通路A内包括用以交替发射不同波长激光的两半导体激光器5，两半导体激光器5左右并排设置，且两者之间设有隔板6，隔板6将入射光通路A分隔为两并排通道，在每个通道内的半导体激光器5前方均设有第一准直透镜8，第一准直透镜8的前方设有第一聚焦透镜9； [0033] 散射光通路B相对入射光通路A的前进方向呈30°～60°倾斜设置，其内包括由后向前依次设置的第二准直透镜15、第二聚焦透镜16和光电探测器19； [0034] 除尘系统包括光学通路除尘系统和检测腔除尘系统； [0035] 检测腔除尘系统包括两微型Z轴线性马达13，图5中的马达指微型Z轴线性马达13，进尘口11和出尘口12均呈管状，两微型Z轴线性马达13分别设置于进尘口11和出尘口12的外圆上； [0036] 光学通路除尘系统包括除尘系统外壳4和多个设置于散射光通路左侧外的微缩型的气体离心风扇17，散射光通路的左、右侧壁上对应开设有若干小圆孔18，气体离心风扇17及两侧小圆孔18均沿散射光通路B的前进方向间隔布置，除尘系统外壳4包裹于散射光通路B外并将各气体离心风扇17包裹于内，且散射光通路B的上、下端面与除尘系统外壳4紧密贴合，散射光通路B的左、右端面与除尘系统外壳4之间留有空间。 [0037] 上述方案中：光电探测器19用于配合跨阻放大器、AGC自适应增益控制电路、A/D转换电路和数字滤波组成光电转换系统；通过光电探测器19收集散射光信号并转换成电信号，经过优化后的跨阻放大器进行信号放大，AGC自适应增益控制电路自动调整信号增益，以保持信号在合适的幅度范围内，最后经过A/D转换电路和数字滤波处理，最终通过微计算机根据计算方法处理得出粉尘浓度。 [0038] 上述方案中：粉尘流动通路的一通道口2用于与分离器相连，另一通道口2中设置有引流风机3，与分离器相连的通道口2为靠近检测腔10进尘口11一侧的通道口2，引流风机3用于辅助粉尘流动。 [0039] 上述方案中：散射光通路B有两条，分别相对入射光通路A前进方向上倾45°和下倾45°设置；设置两条散射光通路B，得到两组检测数据，有利于提高粉尘检测精度。 [0040] 上述方案中：半导体激光器5与检测腔10之间的距离、光电探测器19与检测腔10之间的距离均为6cm。 [0041] 上述方案中：进风口11和出风口12均由橡胶材质制成，且均为直径0.8cm的管状通道，粉尘流动通路的两通道口2均为直径5cm的管状通道，进风口11和出风口12均嵌装于对应通道口2中；可启动马达带动橡胶材质的进尘口和出尘口振动，除去粉尘流通时粘黏在进尘口和出尘口的粉尘。 [0042] 上述方案中：两半导体激光器5分别选用能发射637nm波长激光的激光器HL63142DG和能发射450nm波长激光的激光器PL450B，在激光器HL63142DG与对应的第一准直透镜8之间设有仅允许637nm波长激光通过的布拉格光栅7，在激光器PL450B与对应的第一准直透镜7之间设有仅允许450nm波长激光通过的布拉格光栅7；两个不同布拉格光栅7置于两个半导体激光器5前，过滤掉外围和激光器发射出的杂光，使特定波长的激光进入检测腔10。 [0043] 上述方案中：微型Z轴线性马达13外套有防水外壳，起防潮作用。 [0044] 上述方案中：第二准直透镜15的周围设置有光陷阱14，光陷阱14由黑色POM材料制成，采用黑色POM材料吸收杂光。 [0045] 本发明的工作方法为： [0046] 两个半导体激光器5通过555 定时器交替闪烁电路进行控制，555定时器交替闪烁电路由555定时芯片、NPN晶体管、电容、电阻和 LED灯等组成，555定时器配置为交替输出高电平和低电平的方波信号，并且通过选择合适的电阻和电容值来控制方波的频率。 [0047] 555定时器交替闪烁电路控制两个半导体激光器5以0.5s为间隔交替发射激光，波长分别为637nm和450nm，入射激光经过布拉格光栅7后通过第一准直透镜8将入射光束变成平行光束，之后通过第一聚焦透镜9聚光，再通过检测腔10进入散射光通路B。 [0048] 散射光经过第二准直透镜15校准后，经过第二聚焦透镜16聚焦到光电探测器19上，光电探测器19选用BPW 21型光电二极管，光电二极管将光信号转换成电信号，输送给以AD825芯片为核心的跨阻放大器及其二级增益电路进行信号放大，信号输送给以AD603和OPA227芯片为核心的AGC自动增益控制电路，避免因前端散射光的不稳定性使电信号出现极大波动，经过以AD7683芯片为核心的A/D转换电路进行模数转换，最后经过优化算法进行滤除噪声干扰。 [0049] 优化算法包括浓度计算方法和3σ‑卡尔曼滤波复合算法，3σ准则滤除前端异常值，卡尔曼滤波对测量和状态估计的不确定性进行建模，可以在估计中自动权衡测量和模型信息，不断减小标准差，从而抑制噪声的影响。最后可以选择STM32系列单片机根据散射光信号不同分析粒径占比，从而快速修改算法形成适合的浓度计算公式，最后经过数据的处理得到检测腔10内的粉尘浓度。 [0050] 如图3所示，3σ‑卡尔曼滤波复合算法的流程图，在收到A/D转换的数字信号后，先使用3σ准则进行剔除异常值，之后进行卡尔曼滤波，使信号更加精准；浓度计算根据散射光信号不同分析粒径占比，从而快速修改算法形成适合的浓度计算公式，根据环境不同自动调节计算公式。 [0051] 装置工作时，定时开启气体离心风扇17，气流通过小圆孔18清理光电探测器19和光学透镜上附着的粉尘，粉尘通过对侧小圆孔18进入除尘系统外壳4内暂时储存。当检测到3 3 检测腔10浓度低于10mg/m或高于50mg/m时，启动微型Z轴线性马达13带动橡胶材质的进尘口11和出尘口12振动，除去粉尘流通时粘黏在进尘口11和出尘口12的粉尘。