一种基于红外差分法的粉尘浓度测量装置.pdf

第 4 1 卷 第 7期 2 0 1 5年 7月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on V0 1 ． 4 1 NO ． 7 J u 1 ．2 01 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 7 0 0 5 8 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 1 4 郑宸 ， 于永进 ， 孙金红 ， 等． 一种基于红外差分法的粉尘浓度测量装置[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 7 5 8 6 1 ． 一 种基于红外差分法的粉尘浓度测量装置 郑 宸 。 ， 于永进 。 ， 孙金 红 。 ， 程 学珍 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地 ，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘要 针对传统光 学法检测粉尘浓度 时易受环境温度 、 光源和光 电器件等因素影响的问题 ， 提 出了一种 红 外差分 粉 尘浓度 测 量 方法 ， 并基 于该 方 法设 计 了一 种粉 尘 浓度 测量装 置 。该 装置 利 用红外 差分 测量 原理 ， 通过 以 3 C 2 4 4 0为核 心 的数据 采 集与 处理模 块计 算粉 尘 浓度 ， 并 通过 L a b VI E W 信 号处 理模 块 对 采 集信 号 进行 小波 阈值去 噪 处理 。调试 结 果表 明 ， 该 装置 具 有较 高的粉 尘浓度 信号 采集 精度 和测 量 准确性 。 关键 词 粉 尘浓度 ；红外 吸收 ；红外 差分 法 ；小波 阈值 去 噪 中图分类号 T D7 1 4 ． 3 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 5 0 7 0 1 I 1 1 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 7 0 1 ． 1 1 1 2 ． 0 1 4 ． h t m1 A d us t c o nc e n t r a t i o n me a s ur i n g de v i c e ba s e d o n i n f r a r e d d i f f e r e n c e me t h od ZHE NG Ch e n 一， YU Yo n g j i n 一， S UN J i n h o n g 一， CHENG Xu e z h e n t 1． Col l e g e of El e c t r i c a l En gi n e e r i n g a nd Au t o m a t i o n，Sha nd on g Un i ve r s i t y of S c i e nc e a n d Te c hn ol o gy， Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，Ch i n a ；2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Mi n i n g Di s a s t e r Pr e v e n t i o n a n d Co n t r o l Co f o u n d e d by Sh a nd on g Pr o v i nc e a nd t h e M i ni s t r y o f Sc i e nc e a nd Te c h no l o g y，Sha n do ng Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r t he p r o b l e m t h a t t r a d i t i o na l o pt i c a l m e t ho d s f o r m e a s u r i ng d us t c o nc e nt r a t i o n we r e s us c e pt i bl e t o e n vi r o n m e n t a l t e mpe r a t u r e， l i g ht s o ur c e a n d p ho t o e l e c t r i c de v i c e， a d us t c onc e n t r a t i o n m e a s u r i ng m e t ho d u s i n g i nf r a r e d d i f f e r e nc e me t h od wa s pr o po s e d， a nd a d us t c onc e n t r a t i o n me a s ur i n g d e v i c e wa s d e s i g n e d wh i c h wa s b a s e d o n t h e me t h o d．Th e d e v i c e c a l c u l a t e s d u s t c o n c e n t r a t i o n b y a d a t a a c q ui s i t i on a n d p r oc e s s i n g mo dul e whi c h t a k e s 3 C2 44 0 a s a c o r e a nd ba s e d o n i n f r a r e d d i f f e r e n t i a l me a s u r i n g p r i n c i p l e ， a n d u s e s wa v e l e t t h r e s h o l d d e n o i s i n g me t h o d t o p r o c e s s t h e a c q u i r e d s i g n a l s b y La bVI EW s i gn a l pr o c e s s i ng m o du l e ． The de bug gi ng r e s ul t s h o w s t ha t t he de vi c e i s h i g h i n s i gn a l a c q ui s i t i on pr e c i s i o n a nd me a s ur e me nt a c c u r a c y of du s t c on c e n t r a t i on． Ke y wo r d s dus t c on c e n t r a t i on； i n f r a r e d a bs or p t i o n；i nf r a r e d di f f e r e nc e m e t ho d； wa v e l e t t hr e s h ol d d e no i s i ng 0 引言 近年来 中国大部分地 区连续遭 到 了雾霾 的袭 击 ， 影响了人们的 日常生活和身体健康 ， 呼吸道疾病 的发病率明显提高。防治粉尘污染已经成为刻不容 缓 的任务 ， 而 有效 地 进 行 粉 尘浓 度 的实 时 监 测 监 控 是 防治粉 尘污 染 的重要 手段 Ⅲ 。各个 国家 对粉 尘 浓 度监测系统都进行了不同程度 的研究 ， 理论 和方法 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 2 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 5 1 2 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家 自然科学基金重点资助项 目 U1 2 6 1 2 0 5 ； 山东省 大型科 学仪器设备 升级改造 技术研究项 目 2 0 1 3 S J GZ 0 5 ； 山东省中青年科 学 家奖励基金资助项 目 B S 2 0 1 3 DX 0 1 2 。 作者简介 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东枣庄人 ， 硕 士研究 生 ， 主要 研究方 向为检 测技术 与 自动化装 置 ， E - ma i l z h e n g c h e n 1 2 2 6 1 6 3 ． c o m。通信 作 者 程学珍 1 9 6 4 -- ， 女 ， 山东临沂人 ， 教授 ， 博士 ， 主要研究方 向为检测技术及 图像处理 ， E - ma i l z h e n x c 6 4 1 1 1 6 3 ． t o m。 2 0 1 5年 第 7期 郑宸等 一 种基 于 红外 差分 法的粉 尘 浓度测 量装 置 5 9 也 得到 了很 大改 进 。光 学法 可利 用 粉尘 的物 理特 性 和光学特性实现粉尘浓度 的检测 ， 其 自动化程度及 测量准确度高 ， 测量周期短 。光学法主要包括光散 射法 ] 、 光吸收法 、 光 闪烁法口 ] 等， 其 中红外光吸收 法 不受被测样 品状态的限制 ， 对 固体、 液体和气体 等被测物都能实 现定量分 析检测 ， 目前应用 较广。 现场应用表明， 红外光吸收法 在检测过程 中会受到 温度 、 光源波动及光 电器件等因素的影响。针对该 问题 ， 本 文 提 出一种 基 于红 外 差 分_ 5 的 粉尘 浓 度 测 量方法 ， 并基于该方法设计 了一种粉尘浓度测量装 置 。该 装 置基 于 L a b VI E W 测 试 平 台 ， 利 用 小 波 去 噪方法 和 G语言编程进行粉尘浓度检测。与传 统差分法[ 8 相比， 红外差分法能更好地消除光源 、 温 度和其他干扰因素的影 响， 保证粉尘浓度测量 的准 确 性 。 1 红外 差分 粉尘 浓度 测量 原 理 红 外 光 照 射 粉 尘 时会 被 粉 尘 吸 收 ， 其 吸 收 的能 量符合朗伯一比尔定律 I I o e x p 一 KC L 1 式中 为透射光的强度 ； I 。 为入射光 的强度 ； K 为 消光 系数 嘲 ； C为 粉尘 浓度 ； L为样 品 的吸 收光程 。 基于红外差分的粉尘浓度测量方法采用单红外 光源 、 双光路 、 双气室结构 ， 测量回路电压为 VA VA 1 VA 2 2 参 考 回路 的电压 为 VB VB 1 VB 2 3 式中 ， 分别为测量回路和参考回路在背景光 信号作用下的电压信号 ； ， V酏分别为测量 回路和 参考 回路在温度信号作用下的电压信号。 当红外光源亮时， 测量回路的电压为 Vc I o e x p 一 KC L Rd 7 8 J d u s VA 1 VA 2 4 参考 回路 的电压 为 VD I o R 。 f f J r e f VB 】 VB 2 5 式中 R ， R 分别为测量探测 器和参考探测 器的 响应度 ； 叩 ， 分别为测量回路和参考 回路的放大 倍数 ； J ， J 分别 为测量 滤光片和参 考滤光 片的 透 光率 。 为了消 除背 景光 和温 度 因素 带 来 的影 响， 将 式 4 与式 2 、 式 5 与式 3 分别相减 ， 得 Vd Il。 t Vc VA 6 V f VD VB 7 式中 ， 分别为测量 回路 和参 考 回路 的放大 电 』 盘 。 为 了 消 除 电子 器 件 的扰 动 、 测 量 回路 的 干扰 和 光源本身波动带来的误差 ， 进行如式 8 所示 的差分 运算 F 一 Vd u s t -- Vr e 4 8 将式 2 一式 5 代人式 8 ， 得 c 一 一 K L n 十 h 1 2 F------ -fi ] 9 由 ln 1 泰 勒 级 数 展 开 得 h ≈ ， 将式 1 0 代入式 9 ， 得粉尘浓度计算公式 c 一 一 n 器 令 6 一 -n 鼍 一 ， F 一 1 ，化简得 c 一 6 1 2 2 装置 硬件 设计 2 ． 1装 置 结 构 基 于红外 差分 法 的粉尘 浓度测 量装 置 主要包 括 以单光源、 双光路、 双气室结构组成 的光学模块， 以 3 C 2 4 4 0为 核 心 的数 据 采 集 与处 理 模 块 ， 以 及 L a b VI E W 信号处理模块 ， 如图 1所示。由特定波 长的红外光照射待测粉尘 ， 光 电探测器接收照射后 的红外光并将光信号转换为电信号 ， 电信号经放大 后 由 3 C 2 4 4 O串口程序输送到上位机 L a b VI E W 信 号 处理模 块 中进行 综 合 分 析 和 处理 ， 处 理 后 的信 号 由数据采集与处理模块计算出待测粉尘浓度 。 图 1 粉尘浓度测量 装置结构 2 ． 2 光学模 块 图 2为粉尘浓度测量装置的光学模块结构。由 于粉尘对近红外光敏感 ， 所 以选用红外热辐射光源 2 0 1 5年 第 7期 郑 宸 等 一 种基 于红 外 差分 法的粉 尘浓度 测 量装 置 6 1 3 装置软件设计 去噪的粉尘浓度信号 ， 如图 9所示 。 粉尘浓度测 量装置工作时 ， 先进行初始化等准 备工作 ， 然后进 行信号采 集。L a b VI E w 信号处 理 模 块采 用小 波 分析 方 法 对 采 集 信 号 进 行 去 噪处 理 ， 再 由 A／ D 转 换 器 进 行 数 据 采 集 及 模 数 转 换 。 3 C 2 4 4 0根据处理后 的信号计算粉尘浓度 ， 最 后控 制 液 晶 显 示 器 显 示 粉 尘 浓 度 。装 置 软 件 流 程 如 图 7所 示 。 圃 匦圃 ● Y 鬲 I 信 号 采 集 l 二 二 L a b VI E W4 N 号处理 r一 囤垂麴 匝 壅困 陬丽 再翻 结束 图 7 装 置软件流程 图 9 经 小波阈值 去噪的粉 尘浓度信 号 5 结 语 提出了一种基于红外差分法的粉尘浓度测量装 置设计方案 。采用红外差分法计算粉尘浓度能更好 地消除环境温度变化 引起的误差， 减少光源等其他 因素对信号检测的干扰 ； 采用小波分析方法对采集 信号进行去噪处理， 提高了信号采集精度及测量的 准 确性 。 4 装 置调 试 参考文献 将粉尘浓度测量装置硬件电路搭建起来后进行 调试。检测数据采集与处理模块能否产生正确的粉 尘浓度信号 ； 根据装 置软件 流程检查各模块的数据 流向是否正确 ； 对程序中的条件判断 、 事件结构的触 发条件 、 循环次数控制和输入输出等进行调试 。 光学模块中的探测器通过脉冲调制输出电压信 号 ， 调试 时 直接 连接 到 3 C 2 4 4 0 ， 由 串 口程序 输 人 到 L a b VI E W 信号处理模块进行分析 与处理 。图 8显 示了调试时未经小波阈值去噪的粉尘浓度信号 。 1 ．7 5 1 ．5 0 1 ．2 5 之 1 ．0 0 趔 謦 0 ．7 5 0 ．5 0 O ．2 5 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 o o 时间／ ms 图 8未 经 小 波 阈 值 去 噪 的 粉 尘 浓 度 信 号 设置采样频率为 1 0 0 0 Hz ， 采样点为 1 0 0 ， 对粉 尘浓度信号进行 2层小波分解 。小波参数 小 波分 解 的低阈值 L o D为一0 ． 0 1 0 5 9 7 ， 小波分解的高 阈 值 Hi D为一0 。 2 3 0 3 7 6 ， 小波重构 的低阈值 L i R 为 0 ．2 3 0 3 7 8 ， 小 波 重 构 的 高 阈 值HoR 为 一 0 ． 0 1 0 5 9 7 。 之后 进行 小 波重 构 ， 得 到 经 小 波 阈值 程学珍． 基 于微 电荷感应 原理 的矿井粉 尘浓 度传感器 研究I- D - ] ． 青 岛 山东科技大学 ， 2 0 1 I I - 2 0 ． 潘琦 ， 赵延 军 ， 汤光华 ， 等． 一种新 型激光 粉尘 浓度在 线测量 仪 的研 究 [ J ] ． 仪 器 仪 表 学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 6 1 07 0 1 07 4． 杨 阳， 董凤 忠 ， 倪 志波 ， 等． 基于光 闪烁法 的烟气 流速 反演和 路 径 加 权 函 数 的分 析 E J 3 ． 光 子学 报 ， 2 0 1 2 ， 4 1 4 3 8 4 - 3 8 8 ． 姚玉维 ， 赵赛果 ， 王汝琳． 新 型矿用智 能红外 吸收 瓦斯 传感器 的研究F J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 4 2 2 8 3 1 ． 赵乐平． 红外吸收粉尘传感器的设计E D] ． 秦皇岛 燕 山大 学 ， 2 0 1 2 1 5 - 3 0 ． XU Y S，WLAVLR J B，HEAL Y D M ， e n Z ． W a v e l e t t r a n s f o r m d o ma i n f i l t e r s a s p a t i a l l y s e l e c t i v e n o i s e f i l t r a t i o n t e c h n i q u e E J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n o n I ma g e Pr o c e s s i n g， 1 9 9 4 ， 3 6 7 4 7 7 5 8 ． 张妙飞 ， 张剑英 ， 徐 昌盛． 小波 阈值 降噪在矿井语音通 信 中 的 应 用 研 究 [ J ] ． 工 矿 自 动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 1 5 0 5 4． 王玉 田， 郭增军 ， 王莉 田． 差分 吸收式光纤 甲烷气体传 感器 的 研 究 [ J ] ．光 电 子 激 光， 2 0 0 1 ， 1 2 7 67 5 67 8． 王 自亮． 粉 尘 消光 系 数 的确 定 方 法 E J ] ． 煤 炭 学 报 ， 2 0 0 0， 2 5 4 4 0 4 4 0 7 ． 曹 茂永 ， 王霞 ， 孙农 亮． 仪 用放大 器 AD 6 2 0及其应 用 E J ] ． 电测与仪表 ， 2 0 0 0 ， 3 7 4 1 8 4 9 5 2 ． A／ 馨 ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ [ [rL [ [ [ [ [ [