交流耦合式电荷感应法粉尘浓度检测技术研究

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目前煤矿粉尘危害依然严重,尘肺病患者人数日趋增加,粉尘治理刻不容缓。粉尘检测是粉尘治理不可或缺的一部分,但目前的煤矿粉尘浓度检测方法均存在各种不足之处,既要实现准确、连续的粉尘浓度检测,又要减少仪器维护工作,仍具有一定的难度,这也是粉尘浓度检测技术方面亟待解决的难题。本文在分析比较目前粉尘浓度检测方法以及基于交、直流耦合原理的电荷法及其电极形状的基础上,提出了一种新的煤矿粉尘浓度检测技术,即基于棒状电极交流耦合式电荷感应法的粉尘检测技术,其主要研究成果如下:首先,根据高斯静电场理论和电荷感应定律,建立了带电颗粒与棒状电极的数学模型,并在此基础上推导出棒状电极的电荷感应空间灵敏度,分析了棒状电极的结构尺寸和及电极外部保护绝缘材料厚度对其的影响,为粉尘浓度检测仪器(传感器)的电极结构设计提供了参考依据。其次,根据棒状电极电荷感应空间灵敏度,利用MATLAB仿真带电颗粒在电极表面感应电荷量的变化,模拟电荷放大器输出的电压信号,并通过实验进行了验证,得到了电荷放大器输出信号的波动性与带电颗粒的浓度和移动速度之间的变化规律。然后,设计了电荷拾取电路、fA级微弱信号放大处理电路与控制电路;通过软、硬件两方面抗干扰的研究,确保了微弱信号的不失真;根据降噪方法的分析与对比,确定了以小波分析Mallat算法降噪方法作为信号去噪算法;通过对波动信号参数特征值的分析和选取,确定了与粉尘浓度具有较好线性度的特征值。最后,基于实验室粉尘浓度标定系统和LabVIEW设计的数据采集系统,对所设计的感应式粉尘浓度传感器进行了验证;并对其外界影响因素进行了分析,提出了相应的解决方案。实验室实验证明:基于交流耦合式电荷感应法的粉尘浓度传感器其检测误差低于10%,稳定性较好,不受电极表面吸附颗粒的影响,免于维护,具有较好的重复性。
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