一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及粉尘浓度检测技术领域，具体涉及一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置及方法。

背景技术

气固两相流流动参数的测量一直以来是一个难题：一方面，各种粉尘浓度的测量方法本身从原理上就有局限性，导致测量结果存在一定的误差。另一方面，粉尘颗粒流动参数测量常常伴随着恶劣的现场条件，大部分测量系统在严格的实验室条件下能获得较好的测量结果，但是现场的实际操作中效果不尽如人意。为验证飞机等交通运输工具动力舱内，干粉灭火系统的可靠性，需要对复杂其受保护空间内的灭火剂颗粒浓度进行实时检测。

目前国内外的各种粉尘检测设备如LD-5C型微电脑激光粉尘仪，ATM-2000激光粉尘浓度仪、JFC-1激光粉尘浓度仪等主要用于大气环境，工业场所中的颗粒物浓度检测，都难以实现在环境恶劣条件下，对复杂受限空间内的高浓度粉尘进行实时测量。在受保护的复杂受限空间的特殊环境，如高温，高湿，震动等因素对测量装置的电子元件的影响，导致信号处理电路的不稳定性，不能保证测量结果的准确性，抗干扰能力差。

在已有技术当中，专利《粉基剂的测量系统》(CN 101858846 A)公布了一种用于干粉剂的测量系统，其干粉剂传感器头在复杂受限空间内高浓度粉尘环境的测量中，梯形扩腔式体内侧极易造成粉尘的堆积，堵塞测量光路，影响测量结果。且其设备控制系统过于复杂，设备不利于小型化携带。专利《一种反射式光纤粉尘浓度测量系统》(CN 106769738 A)提供了一种反射式光纤粉尘浓度测量装置，包括测量部分、光源部分、定向耦合部分、信号转换部分。(刘海强等.基于双光路差分测量法的光纤粉尘浓度测量研究[J].应用光学,2019,40(01):167-171.)。其光学测量部分为固定式，激光调整端与反射端通过连接杆固定连接，适用性差，难以深入复杂受限空间对所需特定区域的高浓度粉尘进行实时检测。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置及方法，通过探入式收发一体的光纤测量探头设计，能够使测量端探入到复杂受限空间内的特定测量区域，进行粉尘浓度的检测。这种全光纤光路的测量方式不仅满足了在狭窄空间内的工作条件，而且有效避免了激光器光源，探测器以及信号处理电路等在复杂特殊环境下的不稳定性，保证了测量结果的准确性，具有较强的抗干扰能力。

本发明的技术方案为：一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，该装置包括收发一体光纤测量探头和信号发生与处理控制模块，所述的收发一体光纤测量探头部分通过光纤线缆与信号发生与处理控制部分连接。所述收发一体光纤测量探头包括Y型探头光纤束和测量探头尖端，所述信号发生与处理控制模块包括激光器，激光驱动器，温度控制器，主控制器，显示器，雪崩式探测器，信号处理器和数据采集装置。

所述Y型探头光纤束由若干发射端光源光纤束和若干接收端探测光纤束通过光纤耦合器汇聚构成，所述Y型探头光纤束的汇聚端与探头尖端嵌套连接，所述测量探头尖端为周向开设有若干壁孔的中空圆柱结构，直通型测量空间能够避免高浓度粉尘环境中的粉尘堆积。其内部位于Y型探头光纤束汇聚端的后端依次设有透镜和反射镜。

所述主控制器的输出端与激光驱动器和温度控制器输入端连接。激光驱动器和温度控制器输出端与激光器的输入端连接。所述激光器的输出端通过光纤跳线与发射端光源光纤束连接，所述接收端探测光纤束通过光纤跳线与雪崩式探测器的输入端连接，所述雪崩式探测器的输出端通过信号处理器与数据采集卡的输入端连接，所述数据采集卡和主控制器交互式连接。所述显示器的输入端与主控制器的输出端连接。

所述的探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，激光光源采用波长为650nm可见光红光。当该装置用于检测浓度低于一定阈值的粉尘环境时，可以通过所述的激光驱动器增加通过激光器的电流值以增加初始光光强；当该装置用于检测浓度高于一定阈值的粉尘环境时，可以通过所述的激光驱动器降低通过激光器的电流值以降低初始光强。

所述的探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，所述发射端光源光纤束的数目和接收端探测光纤束的数目最优为：发射端光源光纤数目为1，接收端探测光纤数目为6。所述发射端光源光纤束和接收端探测光纤束在Y型探头光纤束的汇聚端截面上的几何分布为均匀有规则的形状，接收端探测光纤束均匀分布在发射端光源光纤束周围。

所述的探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，所述测量探头尖端采用吸光材料制备，并且均进行磨砂发黑处理减少空间杂散光对接收端探测信号的影响。

所述的探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，所述测量探头尖端内反射镜到Y型探头光纤束汇聚端的距离在0～5cm之间。

一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置的检测方法，包括以下顺序的步骤：

步骤a、首先将Y型探头光纤束通过夹具进行固定，安装到受保护结构测试设备中。传感器探头应合理布置在复杂受限空间中。

步骤b、主控制器发出指令，通过激光驱动器驱动激光器，并对激光器进行恒定光强控制，通过温度控制器使激光器处于恒定的工作温度。

步骤c、稳定后的激光器发出的激光信号通过发射端光源光纤束进入探头测量空间，经透镜聚焦后，照射到探头测量空间内部的粉尘环境中，然后经过反射镜的反射，再次照射到探头测量空间内部的粉尘环境中，实现激光信号在探头尖端内部粉尘环境中的双程光路传输；

步骤d、从探头测量空间内部待测粉尘出射的激光信号经透镜聚焦后通过接收端探测光纤束传输到雪崩式探测器；

步骤e、雪崩式探测器将接收到的激光信号转换成电信号，并发送给信号处理器，信号处理器对滤波和放大处理，通过数据采集卡以一定的采集频率进行浓度信号采集；

步骤f、控制器通过对输出电信号进行处理，建立起输出信号与原始信号之比，根据朗伯-比尔定律得到透射率与粉尘浓度之间的关系，最终得到粉尘浓度在显示器上进行实时显示。

本发明的有益效果为：

(1)本发明检测时只需要将传感器测量探头安装到粉尘环境中，无需其他辅助设备对环境中的粉尘浓度进行测量，探入检测方式，可以灵活地使用在各种特定情况下，避免了对含尘气流流场环境的影响，直通型测量空间能够避免高浓度粉尘测量过程中，探头中的粉尘堆积，提高了检测的准确度提高了检测的准确度；

(2)本发明采用收发一体的结构形式易于一体集成和小型化、低成本，便于在狭小空间内的检测，收发一体光纤探头为全光纤结构，避免了外界环境的干扰，提高了测量系统的信噪比；

(3)本发明的收发一体光纤探头尖端的体积可以根据复杂受限空间的具体形况进行优化。当复杂受限空间过于狭小时，测量探头尖端设计尺寸可以适当缩小，从而更为合理的布置在复杂受限空间中，准确得到测量点粉尘浓度的变化情况；

(4)本发明的收发一体光纤探头光纤束的制作材料可以采用耐高温的光纤，适用于高温复杂的检测条件下，因此可以应用在飞机等交通运输工具动力舱内，对其干粉灭火系统的可靠性进行验证，对复杂其受保护空间内的干粉灭火剂颗粒浓度进行实时检测。

附图说明

图1为一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置结构示意图；

图2为收发一体光纤测量探头尖端内部具体结构示意图；

图3为收发一体光纤测量探头尖端正视图；

图4为收发一体光纤测量探头尖端侧视图；

图5为收发一体光纤测量探头尖端的立体视图；

图6为探测器接收端光纤束分布截面图；

图7为激光器光源发射端光纤束分布截面图；

图8为探头光纤束汇聚端分布截面图；

图9为安装在代表性复杂受限空间内测量装置组成实例图；

图10为安装在代表性复杂受限空间内测量装置实施方法流程图。

图中附图标记的含义：1-收发一体光纤测量探头部分、2-信号发生与处理控制部分、3-代表性复杂受限空间、4-含尘气流、11-Y型探头光纤束、111-接收端探测光纤束、112-发射端光源光纤束、113-透镜、114-接收端光纤纤芯、115-发射端光纤纤芯、116-光纤保护层、12-测量探头尖端、121-探头测量空间、122-反射镜、123-反射镜安装端盖、124-探头尖端外壳、13-光纤耦合器、21-激光器、22-激光驱动器、23-温度控制器、24-主控制器、25-显示器、26-雪崩式探测器、27-信号处理器、28-数据采集装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1～图10所示，一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置，包括收发一体光纤测量探头部分1和信号发生与处理控制部分2，其中收发一体光纤测量探头部分1包括Y型探头光纤束11、接收端探测光纤束111、发射端光源光纤束112、透镜113、测量探头尖端12、反射镜122和光纤耦合器13。信号发生与处理控制部分2包括激光器21、激光驱动器22、温度控制器23、主控制器24、显示器25、雪崩式探测器26、信号处理器27和数据采集装置28。

Y型探头光纤束11由若干接收端探测光纤束111和若干发射端光源光纤束112通过光纤耦合器汇聚构成，所述Y型探头光纤束11的汇聚端与测量探头尖端12嵌套连接。测量探头尖端12为周向开设有壁孔的中空圆柱结构，采用吸光材料制备，并且均进行磨砂发黑处理。Y型探头光纤束11汇聚端的前端依次设有透镜113和反射镜122。透镜113和反射镜122中间区域，测量探头尖端12内的中空圆柱结构即为探头测量空间121。直通型测量空间能够避免高浓度粉尘环境中的粉尘堆积对测量结果的影响。

测量探头尖端12内反射镜122到Y型探头光纤束11汇聚端透镜113的放置方式沿中轴线进行限定，保证光路的准直性。反射镜122与Y型探头光纤束11汇聚端透镜113距离在0～5cm之间。即测量探头尖端12内反射镜122到Y型探头光纤束11汇聚端透镜113的焦距应该在0～5cm之间。

为提高粉尘浓度测量精度，对于不同浓度粉尘环境的测量，所需测量探头尖端透镜与反射镜之间的距离最优的确定方法为：

a、对于所测量粉尘颗粒的性质和测量浓度范围不同，根据朗伯-比尔定律，透射光光强与原始光强之间关系的表达式为：I＝I

b、数据采集系统采集激光衰减信号得到的透射率通常在0.2-0.8之间的数据处理最为合适，杂散光等噪声信号对测量结果影响较小，使得测量结果更为准确。在粉尘浓度测量范围为c

主控制器24的输出端与激光驱动器22和温度控制器23输入端连接。激光驱动器22和温度控制器23输出端与激光器的输入端连接。所述激光器21的输出端通过光纤跳线与发射端光源光纤束112连接，所述接收端探测光纤束通过光纤跳线与雪崩式探测器26的输入端连接，所述雪崩式探测器26的输出端通过信号处理器27与数据采集装置28的输入端连接，所述数据采集装置28和主控制器24交互式连接。所述显示器25的输入端与主控制器24的输出端连接。

如图10所示，一种探入式收发一体光纤粉尘浓度测量装置的检测方法，包括以下顺序的步骤：

a、首先将测量探头尖端12通过夹具进行固定，安装到受保护结构测试设备中。测量探头尖端12应合理布置在复杂受限空间中。

b、主控制器24发出指令，通过激光驱动器22驱动激光器21，通过温度控制器23使激光器21处于恒定的工作温度，并对激光器21进行恒定光强控制。

c、稳定后的激光器21发出的激光信号通过发射端光源光纤束112进入探头测量空间121，经透镜113聚焦后，照射到探头测量空间121内部的粉尘环境中，然后经过反射镜122的反射，再次照射到探头测量空间121内部的粉尘环境中，实现激光信号在探头尖端内部粉尘环境中的双程光路传输；

d、从探头测量空间121内部待测粉尘出射的激光信号经透镜113聚焦后通过接收端探测光纤束111传输到雪崩式探测器26；

e、雪崩式探测器26将接收到的激光信号转换成电信号，并发送给信号处理器27，信号处理器27对滤波和放大处理，通过数据采集装置28以一定的采集频率进行浓度信号采集；

f、主控制器24通过对输出电信号进行处理，得到输出信号与原始信号之比，根据朗伯-比尔定律，建立透射率与粉尘浓度之间的关系，最终得到粉尘浓度在显示器25上进行实时显示。

透射率与粉尘浓度之间的关系通过以下计算方法得到。如图10所示，安装在代表性复杂受限空间内的测量探头尖端12通过光对含尘气流4进行测量，并根据测量数据计算输出信号与原始信号之比即透射率，由于透射率与含尘气流4中的粉尘浓度有一定的比例关系，便可根据一定的比例关系计算出含尘气流4中的粉尘浓度。初始光强为I

本发明的工作原理：主控制器24为整个测量装置的核心，通过激光驱动器22和温度控制器23驱动激光器21，并使其处于恒定的工作温度进行恒定光强控制。稳定后的激光器21发出的激光信号通过发射端光源光纤束112，经透镜113聚焦后，照射到探头测量空间121内部的粉尘环境中，激光经过反射镜122的反射，再次照射到探头测量空间121内部的粉尘环境中，实现激光信号在测量探头尖端12内部粉尘环境中的双程光路传输，增加测量光程。最后衰减后的激光经透镜113聚焦后通过接收端探测光纤束111传输到雪崩式探测器26。雪崩式探测器26将接收到的激光信号转换成电信号，并发送给信号处理器27对滤波和放大处理，通过数据采集装置28以一定的采集频率进行浓度信号采集，主控制器24对输出电信号进行处理，得到输出信号与原始信号之比，根据朗伯-比尔定律，建立透射率与粉尘浓度之间的关系，最终得到粉尘浓度在显示器25上进行实时显示。最终实现收发一体式的粉尘浓度测量功能。

上述组合可以灵活地适用在下面一些特定地情况下：

当复杂受限空间内含尘气流4的粉尘浓度较低时，可以通过主控制器24调节激光驱动器22增加通过激光器21的电流值以增加初始光光强；当复杂受限空间内含尘气流4的粉尘浓度较高时，可以通过主控制器24调节激光驱动器22降低通过激光器21的电流值以降低初始光强。根据具体的测量环境，最终确定初始光强值。

测量探头尖端12的体积可以根据复杂受限空间的具体形况进行优化。当复杂受限空间过于狭小时，测量探头尖端12设计尺寸可以适当缩小，以便更为合理的布置在复杂受限空间中。当复杂受限空间内的环境温度过高时，测量探头尖端12和Y型探头光纤束11可以进行适当的耐高温保护处理。根据具体的测量环境，最终确定测量探头尖端形状和保护措施的合理设计。

本发明通过收发一体光纤测量探头1采用Y型探头光纤束11、测量探头尖端12以及光纤跳线的光纤结构实现透射光的收发一体的测量功能。通过雪崩式探测器26对透射光信号的采集，根据朗伯-比尔定律建立透光率与粉尘浓度的关系，实现复杂受限空间内粉尘浓度的实时测量。本发明对粉尘浓度测量时只需要将收发一体光纤测量探头1安装到粉尘环境中，无需借助其他辅助设备对环境中的粉尘进行采集，结构简单，易于小型化和低成本，探入式的测量方式，避免了测量区域壁面对散射区域的大小和相对位置的影响，直通型测量空间能够避免高浓度粉尘测量过程中，探头中的粉尘堆积，提高了检测的准确度。收发一体的结构形式易于一体集成和小型化、低成本，不仅满足了在狭窄空间内的工作条件，而且有效避免了电路元器件在复杂特殊环境下的不稳定性，保证了测量结果的准确性，具有较强的抗干扰能力。为复杂受限空间内抗干扰粉尘浓度测量设备提供了技术保障。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。