单晶硅传感器在快速测尘仪中的应用研究

李西刚，蔡 桃

(1.湖南有色冶金劳动保护研究院，湖南长沙 410014;2.湖南有色金属职工中等专业学校，湖南长沙 410014)

根据卫生部2010年统计，自上世纪50年代以来，我国累计报告职业病例749 970例，其中累计报告尘肺病676 541例，占90.2%。尘肺病是我国职业病发病率最高、人数最多的职业病，是矿难和其它工伤事故死亡人数的三倍之多。我国每年因尘肺病造成的直接经济损失达80多亿元。尘肺病严重威胁着劳动者的生命安全与健康，已成为我国一个重大的公共卫生和社会问题。

尘肺病主要来源于矿山开采，劳动者在矿山开采、掘进、凿岩、爆破、支柱、运输作业环境中作业，长期吸入带有粉尘特别是含游离二氧化硅的粉尘的空气，粉尘长期滞留在支气管与肺泡内而患上尘肺病。

职业病与常见病最大的区别是一旦得了职业病则很难治愈，这就要求必须采取预防措施，及时监测作业现场的粉尘浓度，及时控制通风防尘，使作业场所粉尘浓度达到国家标准以内，防止尘肺病的发生。而粉尘浓度监测是整个预防尘肺病过程的关键，因此及时监测粉尘浓度是非常必要的。

1 粉尘浓度检测仪的发展概况

在上世纪80年代以前，我国工矿企业大都采用称重法(重量法)，80年代以后相继研制出多种类型的粉尘测定仪，主要有:光吸收法粉尘仪、光散射法粉尘测尘仪、β射线盖革计数法粉尘测尘仪，其原理、结果准确度和应用场所各有优点，也各存在一些缺点。

1.1 称重法

称重法是传统测尘方法，也是用来标定和校正所有新型粉尘浓度测定仪的标准方法。测尘过程是先将收尘滤膜干燥，用天平称重、编号、记录后装入采样滤盒中，到作业现场后，用大气采样器进行定时、流量抽气采样，完成后再将滤盒中含有粉尘的滤膜在试验室进行干燥、再次称重，根据采样的时间、流量和粉尘重量(含尘滤膜－空白滤膜)计算出现场的粉尘浓度。此方法数据可靠、准确度高，不受现场湿度、温度、粉尘颜色、形状和理化性质影响。缺点是从滤膜准备到计算出结果需要几十个小时，不能做到及时测量、及时控制。

1.2 光电测尘法

利用光吸收和光散射原理研制的粉尘浓度测定仪器产品应用较多，特别是在煤矿应用较多。根据粉尘对光吸收原理，粉尘浓度越高，吸收光越多，被测光强度变弱的特点，采用激光器产生入射光，照射到分光器上，分光器将入射光分为强度相等的两束光，一束光作为信号光束照到测量区，然后进入光电探测器，另一束光作为参考光束，直接射到光电探测器，由于粉尘的吸收和散射作用，前者光强度弱，而后者参考光束光强几乎等于入射光，两束光强之差的大小与粉尘浓度大小相关，经过电子电路和数据处理可得出粉尘浓度。充电测尘原理如图1所示。此方法优点是:操作简单、快速、可连续进行粉尘测定。缺点是:粉尘颗粒的直径大小、形状、分布状况、粉尘颜色对粉尘浓度的测定结果有一定的影响。

图1 光电测尘仪原理图

1.3 β射线盖革计数法

利用粉尘对β射线有一定的吸收作用的特点，粉尘越多对β射线吸收越多，探测到的β射线就越少。因此粉尘测定过程是探测空白滤膜的β射线强度，然后将滤膜移到采样位置抽气收集粉尘，再移到β射线源处探测含尘滤膜的β射线强度(β射线射到盖革计数管上)。粉尘浓度越大，β射线前后强度差越大。经过电子电路和数据处理器处理后得出粉尘浓度结果，其原理如图2所示。这一方法的优点是:测尘速度快，可连续进行粉尘浓度监测，测量粉尘不受颜色、形状、颗粒大小、化学性质的影响，只与粉尘质量密度有关。缺点是:GM计数管工作电压很高(一般在1 300 V以上)。在矿山井下作业场所湿度很高的环境中(90%以上)，可能产生不稳定因素，特别是在有色冶金矿山井下存在着伴生放射性物质，含有放射性粉尘对测定结果有一定的影响;另在测定过程中，滤膜要移动两次，在移动过程中，有可能粉尘脱落和错位造成测量结果误差。

2 单晶硅在测尘仪中的应用

图2 β射线盖革计数法测尘原理图

以上几类测尘仪各有优点，也存在缺点。在有色冶金行业、矿山企业，不同的作业场所产生的粉尘颜色不同，矿山井下湿度一般在90%以上，并含有一定的放射性物质，这些都是影响测定结果的因素。为解决这一问题，某研究院采用工作电压低、稳定性好的单晶硅作为粉尘浓度探测传感器，并进行了一系列的实验研究，效果良好。

2.1 单晶硅的粉尘测量原理

选用放射性同位素C14作为β射线源。其能量为0.158 meV，半衰期5 720 a，强度为500 ui，β射线强度稳定。它的能量从0到最大值呈连续分布，当β粒子通过介质(粉尘)时，与介质中的电子发生碰撞而能量损失并被介质吸收，吸收程度与介质的颜色、成分、粒度无关，只与介质的质量大小有关。采用直径20 mm的单晶硅作为β射线探测器件，β射线遇到粉尘时一部分射线被粉尘吸收，单晶硅探测到的β射线强度减弱，计数减少，粉尘浓度越高，β射线强度越弱，计数越少。根据这一原理，将测量的计数通过电路处理，经计算机运算得出粉尘浓度结果。

2.2 单晶硅计数稳定性实验

单晶硅的优点是灵敏度很高，体积小，工作电压低，使用寿命长。缺点是存在一定的暗流而产生噪声，这种噪声与外加工作电压有关。为了解决单晶硅计数的准确度、重复性这一问题，该院在不同的工作电压下，在相同的时间内进行了8次计数稳定性实验，测试结果见表1。

表1 计数稳定性实验

实验结果表明:24 V直流工作电压下单晶硅的计数准确度高、重复性、稳定性好。

2.3 单晶硅的特性

单晶硅是一种采用特殊工艺，将熔融的单质硅在凝固时使硅原子以金刚石晶格排列成三维空间长程有序的单晶硅体。单晶硅具有准金属的物理性质，又有显著的半导体特征，广泛用于制造集成电路、晶闸管、半导体元器件、光伏材料等，其化学性质非常稳定。单晶硅对放射性β射线很敏感，被放射线照射时单晶硅会产生电离而形成电子空穴对，电子空穴对在外加电场作用下向两极移动，从而产生脉动电流，如图3所示。

图3 单晶硅对β射线作用反应原理图

2.4 单晶硅粉尘浓度传感器的设计

综合国内各种粉尘测量仪的优缺点，排除对粉尘浓度测定影响的各种因素，该院设计了一种空气采样与单晶硅探测为一体的粉尘浓度传感器。传感器结构示意图如图4所示。将铝合金棒加工成内空直径为20 mm的柱形空间(采样测尘室)上端固定放射性同位素C14 β射线源，下端固定直径为20 mm单晶硅探测器，在β射线源与单晶硅之间设计一与水平夹角30°的滤膜切面。这样设计的优点是:增加射线穿透的相对厚度，提高测量精度，并且在整个粉尘测量过程中不需移动滤膜，保证了测量的可靠性。采样测尘室上端设计一个空气入口，下端一个抽气出口。粉尘测量时先测定空白滤膜的β射线强度I0，然后定时、定流量抽取含尘空气，粉尘将滞留在滤膜上。抽气泵停止工作后单晶硅开始探测工作，测定含尘滤膜的数据I1，最后测定粉尘中放射性本底数据I2，数据经计算机运算处理后转换成粉尘浓度结果，整个过程连续自动运行。

图4 传感器结构示意图

粉尘浓度数学模型:

式中:C为粉尘浓度;I0为空白滤膜计数;I1为滤膜和粉尘计数;I2为粉尘放射性本底计数;K为修正系数;T为湿的补尝系数;V为抽气体积。

2.5 单晶硅的测尘标定

单晶硅测尘仪的标定是以粉尘重量法测尘为标准，将重量法采样器与单晶硅测尘仪放置在粉尘发生风洞中。其原理如图5所示。

图5 标定实验图

在同浓度粉尘环境中，同时、同流量进行采样。流量定为30 L/min，采样时间同定为12 min。粉尘浓度分别由低到高分级测定，最后将测得的系统数据进行统计分析，得出修正系数K。

单晶硅测尘仪标定后再与“重量法”进行测尘对比实验，实验结果见表2。

表2 单晶硅测尘仪与“重量法”测尘对比实验

实验结果表明:单晶硅传感器的测量误差小、准确度高、稳定可靠。

2.6 井下湿度测试实验及补偿修正

湿度是影响井下测尘的主要因素之一，因为水份也是吸收β射线的介质，在测尘过程中被同时吸收而造成测量误差，为此，必须对测量误差进行修正。

该院在某矿山井下作业场所进行了湿度与粉尘样品中水份含量关系的实验。实验方法为:将空白滤膜干燥后称重W1，然后到井下作业场所定时、定流量采样，同时记录相对湿度，称重W2，此时，W2为水份、粉尘、滤膜重量之和，再将样品进行干燥处理后(除去水份)称重W3。用W3减去W1可得出粉尘重量，用W2减去W3可得出水份的重量。在井下现场实验中取得了32组数据，实验结果见表3。

表3 湿度对测尘影响实验

从表3数据分析可知:32个样品中相对湿度在90%以上的有31个，占样品总数的96.9%，这一结果表明井下相对湿度在90%以上，而水份增重的变化不大(在0.05～0.40 mg之间)，鉴于这一点，在井下粉尘测量时引入一个湿度修正系数T来补偿湿度对测量的影响。

3 单晶硅测尘仪矿山井下现场测试

为了符合有色冶金矿山井下复杂的测量条件，将修正调试后的单晶硅测尘仪在不同类型矿山(锑矿、铜矿)井下，与重量法进行了作业现场粉尘测量对比实验，试验结果见表4、表5。

根据表4、表5中数据经系统误差和线性回归统计分析:应用单晶硅粉尘浓度传感器测量粉尘，其测量相对误差小于20%，抗干扰能力强，在一定程度上排除了湿度和放射性本底的影响，达到了有色冶金矿山井下测尘的要求。

表4 某锑矿井下测试数据

表5 某铜矿井下测试数据

4 结语

有色金属矿山井下作业环境复杂，湿度很大，大都伴生有放射性物质，给粉尘浓度测定带来很大的难度。应用低电压的单晶硅作为粉尘浓度传感器，并采用三次计数法和现场实验获取湿度补偿系数，能有效解决湿度和放射性本底影响粉尘测定的问题。试验表明，采用单晶硅粉尘浓度传感器实时测定粉尘浓度是切实可行的，为粉尘浓度监测仪的发展提供了一条新的思路和途径。

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