Mie散射法测量矿井粉尘浓度技术研究
作者：孙博 田明
来源：《科技资讯》 2014年第2期
孙博 田明
（长春理工大学光电工程学院 吉林长春 130022）
摘 要：本文介绍了矿井粉尘测量的不同方法，系统阐述了Mie散射理论，对其理论公式的推导、以及各系数的获得，采用Matlab进行数据模拟，最后得出用Mie散射法对矿尘浓度测量的关系式，并显示其测量方法的优越性。通过对矿井粉尘测试系统设计，最终使用仪器对某矿井进行了实地数据测量，并且分析了对测量仪产生影响的因素，并阐述相关的解决方法。
关键词：Mie光散射 粉尘浓度测量 Matlab模拟
中图分类号：TB44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2014)01(a)-0000-00
1 引言
在矿场对粉尘浓度检测，可以及时的得知矿井的粉尘浓度，进而采取相应的防尘控制措施。因此设计一种检测矿井粉尘浓度的仪器的意义十分重大。一种简单高效实用而且适合工程应用的煤粉浓度测量的方法研究迫在眉睫。近年来，随着科学技术的不断发展，矿井粉尘浓度检测技术得以飞速发展，技术也日趋成熟，这已经发展成为了一个专门的研究领域。目前，已经研发和制造了很多种对于不同工作原理的粉尘浓度测量仪器。此外，矿尘能增加机械的损耗，缩短精密仪表的使用时间,降低了工作场所的能见度，增加了工伤事故。此外煤炭燃烧后所产生的粉尘导致我国许多城市产生煤烟污染，像一些大城市的PM2.5都一直很严重。为了有效的防治粉尘污染，对其排放的浓度要首先保证在控制标准以内。
2 粉尘浓度测试方法
目前粉尘浓度的测定方法以质量浓度法为基础，主要为取样法和非取样法，如图1，以用于测定个全尘浓度或呼吸性粉尘浓度。
3 基于光散射的矿井粉尘浓度测量方法
3.1 Mie散射理论
Mie散射理论是依据电磁波与其构成颗粒物质的电荷的相互作用，其可以看做为多极子群，受到激发后，振动多极子形成，并向外辐射次生电磁波。Mie散射在研究矿尘分析上，主要考虑散射光强与粉尘气体质量浓度直径的关系，是对粒子群的研究，首先对于单个粒子光散射而言，具有个体意义。假设矿尘粒子为球形颗粒，其等效直径为球体直径。
当颗粒的直径比入射光波长大很多时，则此时发生衍射，则在颗粒的接收方向上形成的为相同圆形颗粒，以及直径的圆孔，其衍射光强为：
其中，
综合以上所述，当对不同大小的颗粒进行散射研究时，其光强分布是不相同的。
3.2 Mie散射测量颗粒浓度W
当对单一的颗粒进行角散射截面光强的测量是很微弱的，而对于体角散射系数，则是可以测得的。对于大量的颗粒在气体中不规则的运动，使得颗粒间的散射光没有相干性，则可得其散射光强为可叠加。
由于Mie散射表达式为数学级数，其第一项为瑞利散射式，当所测量的矿井粉尘颗粒很小时，则可用瑞利散射代替，其误差仅为1%。
则可表示为：
由上公式可以看出，接收的光强和颗粒浓度W，以及光角度有关，对于光强较为集中的角度，或者采用激光光源进行测量时，则对光电接收时，则其散射角度一定，则可以认为接收的光强和其质量浓度W为正比关系。
3.3光散射测量系统原理
所要设计的光散射测量系统，该系统主要由激光器、扩束镜、滤光片、分光版、光电探测器、聚焦透镜、滤光片、PC控制显示器组成。
4 系统数据测量及影响分析
由于粉尘浓度随时间不短变化，为了说明各测点测粉尘浓度情况，则引入时间加权平均粉尘浓度的概念，其为瞬时粉尘浓度积分的平均值，即：
其中——的距离工作面进风端x处测点位置在测尘时间内的平均粉尘浓度，mg/m3；
——测点位置t时刻的瞬时粉尘浓度，mg/m3；
T—— 测尘时间，min。
从几何意义上看，其值为粉尘浓度一时间曲线所包围的面积被测尘时间所除，图中用TWA表示。
现分别对某一煤矿的进、回风巷以及工作面支架设置测量点，用设计的矿井粉尘浓度仪对相关的粉尘进行测定，机器均设于人行倒距离底板1.5米高度位置。
由上述两图可看出，
（1）在非生产时候，工作面产尘较少，且尘量平稳，回风巷粉尘浓度比进风巷浓度略高，这主要是由于工作面照常通风，检修人员及设备产尘所致。
（2）从图6可得，统一地点同时测定的全尘和呼吸性粉尘浓度的时间加权平均值分别为25 mg/m3和0.899 mg/m3，其比例约为25：1.这和该矿过去对生产班所作的大量较为严格的测定结果相吻合。
由上述所测得的相关数据对其矿井粉尘浓度测量仪进行影响的分析，现对其具体的影响因素进行分析。
1）光源波动
本章针对光源波动采用了双光路差分方法，以减少或者消除光源波动所带来的影响。在对电源设计上，也采用了W7800系列稳压管组成的，三端固定式集成稳压电源来对电源不稳定进
Mie散射法测量矿井粉尘浓度技术研究
