0 引 言
煤矿井下粉尘不但影响煤矿工人的身体健康,而且在一定的浓度范围内还会引发爆炸,所以煤矿井下粉尘的实时检测是煤矿安全生产的重要环节。目前煤矿使用的测尘仪较多,其中光电式测尘仪因其具有可实现非接触式测量,测量范围宽,测量对象广,易与计算机配合使用,可实现快速实时测量等优点,而被认为是一种很有发展前途的测量方法。现有的光电式测尘仪是在粉尘对光的透射损耗和散射作用的基础上发展起来的,但二者均要求对不变的尘样才能精确测量,实际上即使在同一采掘工作面,不同的工作状态下其尘样也有较大变化,因此只有建立一种能自动适应尘样变化的检测方法才能从根本上解决这一问题。
1 光电式传感器的测量原理与系统结构
1.1 测量原理
由光的衍射理论可知,颗粒的衍射光包含了有关颗粒分布的全部信息,本传感器以Fraunhofer衍射理论为基础,利用一组同心光敏二极管阵列环来检测由粉尘和平行光作用形成的衍射光场的信号,通过对衍射光场分布的数据处理就可以实时检测出粉尘的计重含量和呼吸性粉尘的含量。
1.2 传感器系统的组成主机连接如图1。
图1 主机连接图
图1中LED组件由发光二极管组成,可视为点光源,LED上电后由于温度的上升,发出的光能会出现衰减。作者对其上电后的衰减特性进行了实验,利用硅光电池采集LED的光能,对采样数据的分析,验证了LED衰减特性的存在,分析了其衰减对粉尘检测的影响,并针对其衰减特性进行了修正。点光源发出的光经过透镜L1变为平行光,尘粒与平行光作用形成衍射光场,L2为傅立叶透镜,位于L2焦平面上的光敏二极管阵列环作为衍射光的接收器。无论尘粒与L2的距离远近,只要衍射光与主光轴所成角度相等,总落在阵列环的同一环上。本文采用12组并行环,得到12路光能信号,将其计作向量E,E=(E1,E2…E12)T,计重含量W按颗粒
直径分为12个区间,则W=( W1, W2…W12)T,两向量间满足E=TW,矩阵T的元素由阵列环的
几何尺寸和尘粒直径决定。从数学上讲,只要实时探测出矩阵E,则可据W=T-1E求出W,但由于系数矩阵T严重病态,求解其逆矩阵会给测量带来与实际相差甚远的结果。作者设计了一种既能实时检测又适于单片机运行的“模式识别”的反演算法。选取一组三函数W(r)=rAe-(rB)c,经过相应运算处理得到166个模式,每个模式对应的特征向量为12路归一化的光强及光强的和,模式识别算法作者已撰写文献〔3〕。由实测的15种尘样随机抽取尘样演化出210种模式,另有若干现场分散度数据拟合出相应的分布函数W(r)作为待测样品,它们的角谱分别用电信号模拟,对模式识别算法进行了仿真,全尘计重含量误差较小,但呼吸性粉尘含量最大误差超过12%。
2 算法改进
2.1模式识别算法的误差分析
作者对“模式识别”反演算法进行了误差分析,本文模式群包括166组模式,虽然模式群覆盖面基本可以满足要求,但相近模式间存在一系列“过渡分布”,过渡带越大则拟合误差越大,同时质量,粒度分布函数具有平滑、单峰特性,而实际粉尘的分布与设定的这些规则的分布可能存在误差,希望通过模式多样化解决这一问题,会成倍地增加模式量;另一方面由于测量时采用待测尘样的对应信号与预存模式的特征向量求方差和的方法,运算量较大。而待测尘样与预存模式逐个比较的方法其运算量又与模式量成正比,增多模式量与保证测量实时性间存在矛盾。限制模式量意味着参数变化步幅比较大,不利于模式分布的多样性和广泛性,因此增加模式量来提高测量精度就不能
