基于木质粉尘燃烧特征光谱的火花探测装置研究

尚征帆，张杰，倪申健，徐兆军，那斌，朱南峰

(南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037)

木制产品加工过程中会产生大量的木质废屑和粉尘，在传统的生产过程中这些粉尘没有得到有效的处理，因而埋下了诸多安全隐患。随着社会的不断发展，人们对于生产环境的安全性要求不断提高，对生产过程中所产生的粉尘有了较为严苛的处理需求，但是在处理粉尘的过程中燃爆事故依然时有发生[1]。从有记录的第一起粉尘爆炸事故[2]发生至今已有上百年历史，但燃爆事故发生的频率并没有随着科技的进步而显著下降，反而成为木材加工行业安全生产的重大威胁[3]。粉尘爆炸的危害不仅在于其巨大的冲击力，更在于极易诱发第2次爆炸，进而对进入现场救援的工作人员造成不可挽回的伤害[4]。根据调查，木质粉尘燃爆多发于运输管道、料仓等相对密闭的场合，漂浮的木质粉尘由点火源引燃触发爆炸[5-6]。研究表明，粉尘燃爆需要满足5个基本条件：密闭空间、氧化剂、可燃性粉尘、合适的分散浓度以及点火源[7-11]，其中，点火源是最容易控制的一个变量，因此，针对点火源进行探测是防控装置研发的出发点和着重点[12]。

国内利用火花的光电现象着手研发相应的检测装置，如汪秀清等[13]指出，火花探测器是一种光敏设备，外界环境光会对其产生较为严重的影响，因此必须要避免漏光所造成的错误操作。相比于国内设备研发尚处起步阶段，国外一些大厂的产品已占据了广阔市场空间，如德国EWS公司与格雷康(GRECON)、加拿大瀚森泰克(HANSENTEK)与美国的克拉克(CLARKS)[14]。与国内检测装置相比，进口的火花探测器具有检测范围广、响应速度快、误判动作少等优点，但是过高的成本限制了其推广。

笔者从点火源开始研发火花探测器，以期设计出既具备进口设备优点又可控成本的火花探测器。从理论出发，研究并设计了一款基于dsPIC的火花检测装置，完成对管道中粉尘火花信号的采集、放大及处理等，可实现对木粉尘燃烧火花快速准确的探测，且具有较低的成本。

1 火花探测原理

1.1 辐射基本定律

黑体辐射定律表明，绝对零度以上的物体都会向外辐射能量，且辐射出的能量强度和物体的波长与温度有密切联系，如式(1)所示：

(1)

式中：B(λ,T)为黑体的光亮辐射强度；λ为辐射波长；T为黑体绝对温度；h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；c为光速。

普朗克黑体辐射定律通常运用于绝对黑体，但现实中的大多数物质与黑体存在较大差异。为将粉尘燃烧辐射强度、温度和辐射定律建立联系，引入斯蒂芬-玻尔兹曼定律并对问题进行简化[15]，如式(2)和(3)所示:

(2)

E=εEb=εσT4

(3)

式中：E为辐射功率；ε为发射率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；Eb为同波长下黑体的辐射功率。可以看出，物体的温度越高，其辐射功率也越强。燃烧的木质粉尘其表面温度显著高于环境温度，因此其辐射出的能量也远远高于环境背景，通过对这种光和热的探测可以达到探测火花的目的[16]。

1.2 木质粉尘燃烧光谱特征

以杨树(PopulusL.)和马尾松(PinusmassonianaLamb)为例，对2种木材粉尘的燃烧过程进行光谱试验，发现其燃烧过程中均包含钠、钾元素的波峰特征，如图1所示，分别呈现了背景光谱曲线和2种木材粉尘燃烧时的光谱特征。从图1中可以发现，在木粉尘燃烧时由钠和钾元素发出的光谱十分明显，其中，由钾元素激发的光谱强度远大于由钠元素所激发的光谱强度。由于钠元素和钾元素是树木生长过程中必需的微量元素，而且在树木中的含量相对稳定，因此可以作为检测特征用于火花探测。

图1 不同树种粉尘燃烧光谱特征

1.3 传感器材料的选择

根据上述光谱特征，主要针对590～770 nm波长范围进行火花探测器的设计，因此，所选用的光敏传感器必须对上述波长范围内的光信号有较强的响应度[17]。响应度是输出电信号电流大小与入射光功率的比值，可以发现材料的响应度与光线波长呈正比关系，如式(4)所示：

(4)

式中：R为响应度；IP为平均输出电流；PO为平均输入功率；e为电子电荷；η为量子效率。

常见的光电二极管材料一般为硅或锗，而硅材料在波长590～770 nm时的量子效率较高[18]，能满足需求。

2 火花探测装置软硬件设计

2.1 硬件设计

2.1.1 火花探测装置整体设计

整个系统由控制器单元、光电检测单元和串口通信单元等部分组成，如图2所示。管道内产生的火花经过光电探头转换为模拟电流信号，经运放转化成电压信号后利用滤波电路将干扰信号去除，再传递至模/数转换器转换为数字信号，利用上位机所设定的光强阈值，通过dsPIC控制输出模块进行相应的动作。

图2 火花探测装置整体设计

2.1.2 传感器选型

由于光电二极管对环境温度比较敏感，很容易使电路产生温漂，而火花探测器工作环境的温度也会有较大变化，因此对传感器的温度响应要求更高。采用PIN光电二极管(S1223型，日本滨松)作为本火花探测装置的传感器，如图3所示，该型号光电二极管在可见光到近红外波段(光谱响应范围320～1 100 nm)具有高灵敏性、高可靠性和高速响应等特性，可满足设计需求。

图3 传感器及其特性指标

2.1.3 信号放大电路设计

由于火花信号本身较为微弱，因而硅管采集并输出的电信号就十分微弱，需要对获得的信号进行放大。但电路放大的不仅仅是有效信号，也会将噪音等杂波信号一并放大，因此需要通过硬件设计获取较为纯净的有效信号。低噪声电路可以有效滤除噪声所带来的影响，其第1级如图4所示，采用LT1793作为运算放大器，使电路同时拥有低电压噪声和极低电流噪声的特点，可满足噪声需求。

图4 初级放大电路设计

为进一步提高火花探测装置的灵敏度，额外设计了二级放大电路，如图5所示，将初级放大电路的输出信号进行再次放大。采用LT1012作为放大元件，其同样也是低噪音运放，但是二级放大电路在放大正常信号的同时也放大了噪声，进而影响装置的精准性。因此，将初级放大电路与二级放大电路的信号同时传输至dsPIC，并由单片机进行权重比较后做出判断，从而达到灵敏度和精准性之间的平衡。

图5 二级放大电路设计

2.2 软件设计

软件运行流程如图6所示，主要由系统初始化、参数设置、A/D转换、数据处理、串口通信和控制信号输出等程序模块构成。其中，系统初始化包括时钟初始化、端口初始化、中断初始化、串口初始化以及ADC初始化等部分。

图6 软件运行流程

软件设计主要包括：信号快速准确地采集与处理；通过串口实现稳定数据传输与控制。因此，程序设计的主要思路为：dsPIC每10 ms采集6次，取平均值作为一次采样结果；每10个采样结果再进行一次软件滤波，得到一个有效的采样数据，并保留2位有效数字通过串口发送至上位机，若取得的有效数据大于上位机所设定的阈值便发出警报。

2.3 实物样貌

本装置的整体外观如图7所示,整个装置包覆在金属外壳中，避免了电磁信号的干扰，提高了装置的工作稳定性与环境适应性。

图7 装置整体外观

3 装置性能测试

为定量描述本研究所设计的火花探测装置的各方面性能，严格按照“Approval standard for spark detection and extinguishing systems”搭建检测平台对本装置进行性能检测，检测项目主要包括火花探测器的同轴性能、视场角、半功角以及反应时间。

3.1 检测平台的搭建与原理

检测平台如图8所示，主要由信号发生器、基准标定电源、示波器、供电电源等组成。信号发生器采用GaAs装置(峰值波长900 nm，包括2个特征光谱)，可产生特定波长的信号，用来模拟火花信号；基准标定电源用于输出稳定电压，作为标定模拟火花辐射源辐射功率的电源；示波器用于校验信号发生器发射的波形和测量探头的反应时间。

1.基准标定电源;2.信号发生器;3.检测平台;4.供电电源;5.示波器;6.被检装置。

3.2 检测试验

3.2.1 同轴性能试验

通过信号发生器发射脉冲，火花模拟器以相同频率产生信号，并将探测到的信号数量上传至电脑进行显示。若显示的火花数量与发射脉冲数一致，则移动滑块使探测器远离模拟源；若火花数量小于发射脉冲数，则移动滑块使探测器靠近模拟源；重复测量，直至测量出探测器在当前情形下能够探测到所有红外信号的最远距离。火花探测器的同轴性能试验结果表明，该火花探测器的探测距离为75 cm。

3.2.2 半功角试验

将探测器置于同轴性能的一半距离处，将旋转台顺(逆)时针转动5°，按下信号发生器上的触发按钮，观察电脑上探测到的火花数量。若火花数量与发射脉冲数一致，则增大角度，直至探测器无法探测到全部信号，记录旋转台的旋转角度，即为探测器的半功角。火花探测器的半功角试验结果表明，该火花探测器的半功角为115°。

3.2.3 视场角试验

将探测器置于同轴性能的最远探测距离处，将旋转台顺(逆)时针转动5°，按下信号发生器上的触发按钮，观察电脑上探测到的火花数量。若火花数量与发射脉冲一致，则增大角度，直至探测器无法探测到全部红外信号，记录旋转台的旋转角度，即为探测器的水平视场角。火花探测器的视场角试验结果表明，该火花探测器的水平视场角为40°。

3.2.4 探测器反应时间试验

移动探测器使探测器与模拟源的距离为20 cm，通过示波器光标测量出示波器上信号1上升沿与信号2上升沿的时间差并记录，该时间差即为当前情形下探测器的反应时间。移动探测器，每次增大探测器与模拟源的距离为5 cm，重复测量并记录时间差，直至达到最远探测距离，测量出探测器与模拟源各个距离下的反应时间。火花探测器的反应时间试验结果表明，该火花探测器在最远探测距离(75 cm)时的反应时间为520 μs。

3.3 试验结果

根据检测试验的结果，可得到本装置的具体性能参数为：同轴性能75 cm、半功角115°、视场角40°和反应时间520 μs。由此可知，本装置的同轴性能，即最远探测距离是检测标准0.15 m的5倍，在最远探测距离时的反应时间也控制在微秒级，优于德国某品牌同类型产品毫秒级的反应时间。

4 结 论

本研究围绕木质粉尘燃爆的问题展开，分析了火花探测的原理，针对杨木与马尾松粉尘的燃烧过程进行光谱监测，发现在燃烧时均会在钠、钾元素对应的波长范围内激发出明显峰值。依据上述特征选取传感器并基于dsPIC进行硬件开发，在电路设计中，两级放大电路的设计使得装置更好地平衡了误报率与灵敏度之间的矛盾。为进一步降低装置误报率，可根据管道气流速度的不同，通过上位机对火花探测装置进行采样频率与警报阈值的设置。将本装置按照国际标准进行测试，结果表明所设计开发的火花探测装置保证了低误报率、高灵敏度，探测距离是检测标准的5倍，能够达到设计目标，满足企业的使用需求。