v基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究.doc
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1、分类号:TM930 密 级: 秘 密 UDC: 单位代码: 10424 学 位 论 文基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究钱 晓 超申请学位级别:硕士学位 专业名称:控制理论与控制工程 指导教师姓名:曹 茂 永 职 称:教 授 山 东 科 技 大 学二零一一年五月论文题目:基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究 作者姓名: 钱晓超 入学时间: 2009年9月 专业名称: 控制理论与控制工程 研究方向: 传感器与智能仪表 指导教师: 曹茂永 职 称: 教 授 程学珍 教 授论文提交日期:2011年5月 论文答辩日期:2011年6月12 日授予学位日期: Study of the Mea
2、suring Method for Coal Dust Concentration Based on the Charge Induction PrincipleA Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degree ofMASTER OF PHILOSOPHYfromShandong University of Science and TechnologybyQian XiaochaoSupervisor: Professor Cao MaoyongCollege of Information and
3、 Electrical EngineeringMay 2011声 明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文,除了所列参考文献和世所公认的文献外,全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名: 日 期:AFFIRMATIONI declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technolog
4、y, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date:山东科技大学硕士学位论文 摘要摘 要煤矿井下粉尘检测对煤矿的安全生产以及煤矿工人的身体健康具有重要的意义。针对煤矿井下粉尘检测研究的现状,研究了一种基于电荷感应原理的粉尘浓度测量新方法。其基本原理为:煤矿粉尘在产生和运动过程中会带电,粉尘的带电量与粉尘浓度具有一定的关系,通过
5、电荷感应的方法测量粉尘的带电量,并结合一定的信号处理方法即可获得粉尘的浓度信息。该测量方法的研究包括电荷感应信号采集和信号处理两部分。电荷信号采集部分包括一个由圆环状电极、绝缘管以及屏蔽罩组成的敏感元件以及对电荷灵敏的前置放大器。运用有限元软件ANSYS对敏感元件的结构和几何尺寸进行了优化,建立了敏感元件的动态特性方程,研究了敏感元件的动态特性以及单个粉尘颗粒通过敏感元件时的感应电荷信号变化规律。研制了一款适用于本测量方法的前置放大器,并且在实验室的矿井粉尘检测试验系统的模拟巷道中进行了实验,获得了不同粉尘浓度下的电荷感应信号。信号处理部分首先对电荷感应信号进行了分析,得到了信号的时频特性,针
6、对信号的特点提取了信号的特征值。采用因子分析法对信号的特征值进行了分析,获得了对粉尘浓度影响最大的三个特征值。应用这三个特征值为输入变量,采用了基于遗传算法优化BP神经网络的方法建立了粉尘浓度与电荷感应信号的数学模型,最终获得了粉尘电荷感应信号与浓度的关系。通过实验以及误差分析,该方法的测量误差小,并且具有免维护,能够实现长时间在线监测的优点,具有很好的应用前景。关键词:煤尘浓度, 电荷感应, ANSYS, 因子分析, 人工神经网络 AbstractThe measurement of dust concentration at coal mine is very important for
7、the safety in coal mine production and the life safety of the coal mine workers. In this paper, a new method based on electrostatic induction is researched. The basic principle is as follows: The coal mine dust will be charged when the dust is produced and moved, and there are some relations with th
8、e charge and the dust concentration; the dust concentration will be obtained by using a sensing element which is sensitive to the static to measure the electric charges of the dust.The measurement method includes two parts: the inductive charge single acquisition system and the digital signal proces
9、sing method. The acquisition system contains a charge sensitive preamplifier and a sensing element which consists of a circular ring electrode, an insulation-tube and a shield. The geometry and construction of the sensing element are optimized by ANSYS. A dynamic equation is set up in order to study
10、 the dynamic response of the sensing element. The single acquisition system is experimented in the coal mine dust simulate experiment system. The digital signal of the inductive charge with different dust density is collected. For the digital signal processing part, the time-frequency properties of
11、the signal are studied firstly. Based on the time-frequency properties, characteristics of the signal are extracted. Factor Analysis is applied to analyze the influence of the characteristics to the dust concentration. Three characteristics which have more influence than others are chosen for the in
12、put of the BP neural network optimized by the Genetic algorithm. With this method, the relationship between the inductive charge single and the dust concentration is built. The calculation result and error analysis shows that this measurement method has high precision up to the application standard.
13、 And it has great perspective and practicability with the advantage of Maintenance Free and online monitoring.Keywords: coal-dust concentration, electrostatic induction, ANSYS, factor analysis, artificial neural network山东科技大学硕士学位论文 目录目录1 绪论11.1 选题的背景及意义11.2 煤矿粉尘带电机理31.3 煤尘带电量测量方法51.4 基于电荷感应原理的粉尘浓度测量
14、方法72 测量装置敏感元件设计102.1 测量装置敏感元件介绍102.2 圆环状测量装置敏感元件性能分析122.3敏感元件的有限元仿真及静态灵敏度分析162.4 敏感元件动态特性分析292.5 本章小结353 测量系统前置放大电路分析与设计363.1 感应电荷信号的性质分析363.2 前置放大电路373.3 本章小结434 粉尘电荷感应信号研究444.1 单个粉尘粒子形成的感应信号444.2 矿井粉尘检测及其模拟实验464.3 本章小结575 粉尘电荷感应信号与粉尘浓度关系研究585.1 粉尘电荷感应信号特征值的因子分析585.2粉尘电荷感应信号与浓度的数学模型建立625.3 本章小结706
15、总结和展望716.1 总结716.2 展望72致谢73参考文献74攻读硕士期间研究成果79Contents1 Introduction11.1 Background and significance of topics11.2 Mechanism of charged dust31.3 Measurement method of of dust charge quantity 51.4 The measuring method for dust concentration based on the charge induction principle72 Sensitive element d
16、esign of the Measurement device102.1 Introduction of the sensitive element102.2 Performance analysis of the sensitive element with ring-sharped electrode122.3 The static sensitivity analysis of the sensitive element using finite element analysis162.4 Dynamic performance of the sensitive element292.5
17、 Chapter summary353 Preamplifier analysis and design of the Measurement device363.1 Analysis of the inductive charge signal363.2 Design of the preamplifier373.3 Chapter summary434 Research of the inductive charge signal of dust444.1 The inductive charge signal of single particles444.2 Experiment usi
18、ng the dust simulate experiment system464.3 Chapter summary575 The relations between dust charge induction signal and dust concentration585.1 Factor analysis of the inductive charge signal characteristic value585.2 Mathematical model of the inductive charge signal and dust concentration625.3 Chapter
19、 summary706 Conclusion and prospect716.1 Conclusiont716.2 Prospect72Thanks73Main referece documents74Main work achievement of the author during working on master paper79山东科技大学硕士学位论文 绪论1 绪论1.1 选题的背景及意义1.1.1 煤矿井下粉尘危害煤矿粉尘是指在煤矿生产过程中,打眼、爆破、割煤、掘进、喷浆、运输等工序的作业产生漂浮在生产环境的空气中的大量粉尘粒子,也叫全尘1。影响粉尘生成量的因素很多,理论和实践分析表
20、明主要取决于以下因素:地质构造及煤层赋存条件、煤岩的物理性质、环境的温湿度、采煤方法、通风状况、采掘机械化程度和生产强度等。随着矿井机械化程度的不断提高,开采强度的加大,煤矿井下粉尘问题日趋突出2。煤矿粉尘危害主要表现在两个方面3:一是煤尘能燃烧和爆炸,威胁生产,危害矿工的人身安全;二是粉尘对人体有危害,能够引起尘肺病。煤矿粉尘本身具有爆炸性,当粉尘浓度达到一定程度,又有引发爆炸的热源存在时,就有可能发生爆炸。煤尘爆炸时,能够形成高温、高压冲击波。同时,爆炸产生的冲击波能够将巷道中的落尘扬起,导致新的爆炸,有时甚至会反复多次,形成连续爆炸。煤矿粉尘爆炸时还会产生CO,在爆炸事故中受害者大多数是
21、由于CO中毒造成的。煤矿粉尘不仅自身在一定条件下可能发生爆炸,而且能够参与瓦斯等的爆炸。研究表明,有煤矿粉尘参与的瓦斯爆炸,爆炸压力波衰减慢,压力峰值更高,传播距离更远,火焰传播速度更快,火焰波及范围更广4-6。煤矿粉尘中粒径小于15微米的称之为呼吸性粉尘,其中小于7微米的粉尘容易进入肺泡并且沉积,诱发尘肺病7。研究表明,煤矿粉尘诱发尘肺病的下限浓度在58,而目前我国煤矿井下粉尘浓度在0.2-3000,超标率达86.59。据卫生部统计,2002年底,中国尘肺病累计病例达到58万人,其中仍然存活者44万多人。2002年,全国共报尘肺病患者12448例,其中煤矿系统的尘肺病例占47.6%(仅为原国
22、有重点煤矿病例数,不包括地方煤矿和乡镇煤矿)10-12。综上所述,煤矿井下粉尘对煤矿的安全生产以及煤矿工人的身体健康安全有相当大的危害,对煤矿井下粉尘浓度进行监测控制具有重大意义。一方面可以保障煤矿工人的生命安全和矿井的安全生产,另一方面可以保障井下作业的矿工的身体健康,减少尘肺病等职业病的发作。同时还可以减少贵重仪器的磨损,提高使用寿命。1.1.2 煤矿井下粉尘测量方法现状目前煤矿井下粉尘检测方法主要分为非在线测量法和在线测量法两种。1) 非在线测量法非在线测量法测量粉尘浓度主要是滤膜称重法。滤膜称重法的基本原理为:在抽气机的作用下,抽取一定流量的空气通过滤膜,将煤尘阻隔在滤膜上,然后通过称
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