● 摘要
随着现代工业和科学技术的迅速发展，在工业生产中会遇到各种粉尘、气体浓度的测量问题。尤其是在矿井环境下，瓦斯等气体和粉尘导致的爆炸以及呼吸性粉尘引起的尘肺病，时刻危害着矿井的安全生产和工作人员的生命安全。随着全社会安全生产意识和环保意识的提高，对粉尘和有害气体的实时监测提出了更高的要求，急需研制更高性能的光学粉尘、气体监测设备以提高安全监测能力。本文首先介绍了粉尘和气体浓度测量的基本原理和方法，以及国内外的研究现状。目前国内的检测设备相对比较落后，探测范围小、反应时间长、体积大、成本高且需要经常校准，不能满足生产生活中对粉尘、气体浓度实时在线检测的需求。经过调研可知，用于粉尘和气体监测的光学测量方法已成为主要的研究方向。现有的粉尘和气体测量方法存在以下两个问题：粉尘和气体分别独立测量，使得粉尘和气体之间相互影响，同时硬件成本较高；粉尘非取样法测量需要已知粉尘分散度，在浓度测量同时不能实现粉尘分散度的测量。为了解决以上问题，基于粉尘和气体对红外光散射和吸收作用导致的衰减原理，本课题提出了一种非分光红外多波长同步测量粉尘和气体浓度的新型红外传感器设计方案。将不同粒径的粉尘和不同种类的气体作为不同介质。在确定多个波长红外光与多种介质作用的衰减系数的基础上，测量各介质对若干不同波长红外光波的衰减，根据朗伯-比尔定律列出衰减方程组，通过计算得到不同待测介质的浓度，从而得出不同粒径粉尘和不同种类气体的浓度以及粉尘的粒径分布。在理论上对粉尘和气体与光波的衰减作用进行了分析，论证了非分光红外多波长粉尘、气体同步测量方案的理论可行性。完成了系统的光路和电路功能、结构的设计。系统的光路结构采用开放式气室结构，多次反射气室的设计提高了光与待测介质的作用距离，提高了测量的灵敏度。利用对不同波长敏感的多通道探测器，复用一个宽谱红外光源，降低了多种粉尘、气体同时测量的硬件成本。检测方法设计采用方波调制光源技术的基础上检测探测器输出信号的峰峰值，能够有效地抑制背景光噪声对测量的影响。完成了对系统电路结构的设计和技术实现，包括滤波放大电路，光源调制电路以及单片机控制电路，并进行了电路调试和优化设计。完成设计的系统样机具备了在实际粉尘和气体测量环境中进行标定和测试的条件。在实验室条件下通过模拟实验对整体设计方案进行了原理实验验证，在验证实验中，采用香烟燃烧生成的粉尘以及蜡烛燃烧生成的CO2作为粉尘和气体两种模拟介质，在实验中对粉尘和气体进行同步测量，在实验室模拟实验条件下，验证了非分光红外多波长粉尘、气体同步测量原理的可行性。本文提出的不同粒径粉尘和不同种类气体同步测量的非分光红外多波长传感器设计方案拓宽了红外传感技术在粉尘和气体测量领域的应用，整合了现有的粉尘和气体测量技术，在测量原理和技术方法上提出了创新性设计，对于煤矿生产的安全监测具有重要意义。