CN107340211A - 一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭领域。一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，包括一可通过光学方法进行粉尘浓度测量的粉尘监测装置，其特征在于，所述粉尘监测装置包括一激光探测雷达，所述激光探测雷达以脉冲激光器为光源，脉冲宽度纳秒级，通过探测空气中不同距离的煤炭颗粒物散射信号来获取煤炭颗粒物污染的分布，实现煤炭堆场上空水平范围内颗粒物污染浓度的实时扫测。本发明以雷达粉尘监测装置，比起常规传感器检测网，不仅具备了自动监测煤炭粉尘颗粒物的浓度，而且能对煤炭堆场内普通传感器不能部署的区域进行监测。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭领域，具体涉及一种自动监测装置。
背景技术
目前，国内外测量粉尘浓度设备按其测定方法主要方法大致分为2类：①采样法，即使用采样器采样，通过称重和计算得出粉尘浓度值；②采用非取样法，即利用光散射或光吸收等方法快速测尘，直接读粉尘浓度。其中光散射法是通过测量颗粒受到光照射后发出的散射光信号的大小来测量颗粒的质量浓度。其工作原理是：来自光源的光束照射到粉尘区，发生光的散射，与颗粒浓度相关的散射光信号由光电接收器接收并转换为电信号，经放大器放大后送入微处理器进行处理、计算，即可得到粉尘的浓度。光散射法由于具有测量速度快，测量范围广，重复性好，自动化程度高，能够实现在线测量等优点，目前在气象、公共卫生、劳动卫生、大气污染等领域得到了广泛应用。
我国港口煤炭散货堆场大多为露天堆存，企业一般自身也没有配置煤炭粉尘的监测设施。长久以来未见任何有针对较大范围堆场的露天煤炭粉尘颗粒物进行实时监测的设备或仪器的实际应用。由于没有实时的科学数据支持，造成了港口露天堆场的环保手段仅凭人工的经验，其环保效果不尽人如意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，包括一可通过光学方法进行粉尘浓度测量的粉尘监测装置，其特征在于，所述粉尘监测装置包括一激光探测雷达，所述激光探测雷达以脉冲激光器为光源，脉冲宽度纳秒级，通过探测空气中不同距离的煤炭颗粒物散射信号来获取煤炭颗粒物污染的分布，实现煤炭堆场上空水平范围内颗粒物污染浓度的实时扫测。
本发明以雷达粉尘监测装置，比起常规传感器检测网，不仅具备了自动监测煤炭粉尘颗粒物的浓度，而且能对煤炭堆场内普通传感器不能部署的区域进行监测。特别适用于港口煤炭露天堆场的粉尘监控装置。尤其是对我国大型港口煤炭露天堆场来说，具有非常好的技术发展前景和市场应用空间。
所述激光探测雷达还包括一激光发射模块、一激光接收模块，激光发射模块包括一用于产生脉冲光束的激光器，激光接收模块包括一望远镜；
所述激光探测雷达还包括一发射/接收光轴控制模块，所述发射/接收光轴控制模块使激光束与望远镜光轴重合。
激光器优选采用Nd:YAG激光器。激光发射模块还可以设有能量监测用的能量监测装置、光束指向控制的方向控制机构等部件。能量监测装置包括光束取样镜片和积分球，激光发射模块通过光束取样镜片和积分球可以实时监测发射激光的能量。激光发射模块优选是一能够产生激光雷达所需要的高能量激光，并对激光光斑进行整形，对激光器输出能量进行监视，并具备激光束指向自动调节能力的激光发射模块。
所述望远镜优选直径150mm的望远镜，所述望远镜镀金膜，1064nm反射率在95％以上。
激光接收模块在接收光路上自远至近依次设有光阑、准直透镜、窄带滤光片组、分光镜、汇聚透镜、探测器。并监视发射/接收光轴对准情况，主要部件包括接收望远镜、分光光路、探测器等部件。
所述激光器发出的光路上设有依次扩束镜、电控反光镜；Nd:YAG激光器产生的激光，经扩束镜扩束后，被电控反射镜反射出去，所述电控反射镜安装在望远镜副镜处；
激光接收模块还包括一四象限探测器、一单通道雪崩光电二极管，1064nm回波信号由95/5分光镜分成两部分，其中，
5％的那一束汇聚至四象限探测器，四象限探测器的四象限雪崩光电二极管的信号发送给发射/接收光轴控制模块；
95％的那一束由单通道雪崩光电二极管接收，单通道雪崩光电二极管的信号则发送数据采集/显示/存储模块。
反射镜可以通过一转轴连接一电机。反射镜优选是具有两个纬度调整能力的反射镜。反射镜在电机的带动下，可以转动，实现反射角度的调整。
四象限探测器的信号经放大电路后由所述发射/接收光轴控制模块的信号采集模块接收，所述发射/接收光轴控制模块根据四象限探测器四通道输出能量是否一致，判断激光束与望远镜光轴是否重合，所述发射/接收光轴控制模块控制连接所述电控反射镜。当四象限探测器的中心精确调节到光阑的成像中心处，激光束与望远镜光轴重合，远场信号在四象限探测器上的能量分布均匀，四象限探测器四通道输出能量一致。一旦发射/接收光轴不重合，发射/接收光轴控制模块则利用质心算法计算光轴的偏离量，反馈给电控反射镜，调整电控反射的角度，实现激光束指向的闭环控制。
发射/接收光轴控制模块的信号采集模块的采样率高达15Msps，距离分辨率为10m。
数据采集/显示/存储模块可读取各部件实时状态、扫描***指向、发射激光能量、回波信号强度、点探测器测得的颗粒物污染浓度等信息，利用这些信息也可出计算堆场上煤炭空颗粒物污染浓度分布。
所述激光探测雷达还设有一用于调控所述激光探测雷达探测方向的方位扫描机构。方位扫描机构控制所述激光探测雷达探测方向，实现360°扫描测量。
方位扫描机构包括一45度反射镜，所述45度反射镜固定在一可360°旋转的旋转台，所述旋转台固定在激光雷达的出光口处，所述旋转台采用蜗轮蜗杆结构，中心通光孔径160mm，激光器发出的光穿过所述通光孔，经45度反射镜发射后射出。所述旋转台通过步进电机驱动。
方位扫描机构还包括一角度传感器，所述角度传感器安装在所述45度反射镜的顶部。从而实现对出光角度的测量，实现360°探测的监测。
所述激光探测雷达还设有传感器***，所述传感器***包括温度传感器、湿度传感器等。以通过温度、湿度传感器获取煤炭堆场附近的温度、湿度，为***提供环境下的防尘防雨保护提出参考。
附图说明
图1为本发明的部分结构示意图；
图2为激光接收模块的光路图；
图3为方位扫描机构的结构示意图。
具体实施方式
为了本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参照图1、2和3，一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，包括一可通过光学方法进行粉尘浓度测量的粉尘监测装置，粉尘监测装置包括一激光探测雷达，激光探测雷达以脉冲激光器为光源，脉冲宽度纳秒级，通过探测空气中不同距离的煤炭颗粒物散射信号来获取煤炭颗粒物污染的分布，实现煤炭堆场上空水平范围内颗粒物污染浓度的实时扫测。本发明以雷达粉尘监测装置，比起常规传感器检测网，不仅具备了自动监测煤炭粉尘颗粒物的浓度，而且能对煤炭堆场内普通传感器不能部署的区域进行监测。特别适用于港口煤炭露天堆场的粉尘监控装置。尤其是对我国大型港口煤炭露天堆场来说，具有非常好的技术发展前景和市场应用空间。
激光探测雷达还包括一激光发射模块1、一激光接收模块7，激光发射模块1包括一用于产生脉冲光束的激光器2，激光接收模块7包括一望远镜；激光探测雷达还包括一发射/接收光轴控制模块5，发射/接收光轴控制模块5使激光束与望远镜光轴重合。激光探测雷达还设有一用于调控激光探测雷达探测方向的方位扫描机构4。方位扫描机构4控制激光探测雷达探测方向，实现360°扫描测量。
具体各模块的主要内容
1)激光发射模块1
激光发射模块1为***的光源组件，产生激光雷达所需要的高能量激光，并对激光光斑进行整形，该模块还对激光器2输出能量进行监视，并具备激光束指向自动调节能力，为发射/接收光轴监视***提供硬件支持。
采用Nd:YAG激光器作为激光源，利用其基频光(1064nm)作为激光源，利用光束取样镜片和积分球作为能量监测机构8实时监测发射激光的能量，经扩束镜9扩束后的激光束由一个安装在望远镜副镜处的45度反射镜3发射出去，反射镜3可以电动调节，以用于激光雷达发射/接收光轴的对准。该反射镜3具有两个维度的调节能力(θx和θy)。
激光器2的主要参数如下：
2)接收模块7
接收模块7是利用望远镜采集大气颗粒物污染的后向散射信号，滤除大气背景辐射，利用高灵敏探测器对信号进行采集，接收模块7还能监视发射激光/接收光轴之间的相对位置，为发射/接收光轴控制模块5提供数据。
模块采用直径150mm的望远镜作为接收望远镜，该望远镜镀金膜，1064nm反射率能95％以上。1064nm回波信号由95/5分光镜11分成两部分，其中一部分(5％)汇聚至四象限探测器12，用来检测激光束在望远镜视场中的指向，另一束(95％)由单通道雪崩光电二极管13接收，其中四象限雪崩光电二极管的信号直接发送给发射/接收光轴控制模块5，而单通道雪崩光电二极管13的信号则发送给数据采集/显示/存储模块6。探测器的信号经放大电路后由信号采集模块接收，采集模块的采样率高达15MHz，距离分辨率为10m。
接收器的主要参数如下：
3)发射/接收光轴控制模块5
该模块的主要硬件包括接收光路中的四象限探测器12、电控反射镜3、控制电路。模块可将探测器的中心精确调节到光阑10的成像中心处，激光束与望远镜光轴重合，远场信号在四象限探测器12上的能量分布均匀，探测器四通道输出能量一致。一旦发射/接收光轴不重合，则利用质心算法计算光轴的偏离量，反馈给电动反射镜3，实现激光束指向的闭环控制。
4)扫描模块
采用单45度反射镜3结构实现此功能，将45度反射镜3安装在步进电机驱动的旋转台14上，旋转台14采用蜗轮蜗杆结构，中心通光孔径160mm。扫描模块安装在***顶部，和主要箱体之间的连接必须保证足够的防水性能。本模块可以实现激光雷达部署点水平360°范围内的扫描探测。
5)数据采集/显示/存储模块6
该模块可读取各部件实时状态、扫描***指向、发射激光能量、回波信号强度、点探测器测得的颗粒物污染浓度等信息，利用这些信息也可出计算堆场上煤炭空颗粒物污染浓度分布。
6)环境保障模块
激光探测雷达还设有传感器***，传感器***包括温度传感器、湿度传感器等。以通过温度、湿度传感器获取煤炭堆场附近的温度、湿度，为***提供环境下的防尘防雨保护提出参考。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，包括一可通过光学方法进行粉尘浓度测量的粉尘监测装置，其特征在于，所述粉尘监测装置包括一激光探测雷达，所述激光探测雷达以脉冲激光器为光源，脉冲宽度纳秒级，通过探测空气中不同距离的煤炭颗粒物散射信号来获取煤炭颗粒物污染的分布，实现煤炭堆场上空水平范围内颗粒物污染浓度的实时扫测。
2.根据权利要求1所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述激光探测雷达还包括一激光发射模块、一激光接收模块，激光发射模块包括一用于产生脉冲光束的激光器，激光接收模块包括一望远镜；
所述激光探测雷达还包括一发射/接收光轴控制模块，所述发射/接收光轴控制模块使激光束与望远镜光轴重合。
3.根据权利要求2所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，激光器采用Nd:YAG激光器。
4.根据权利要求2所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述望远镜为直径150mm的望远镜，所述望远镜镀金膜，1064nm反射率在95％以上。
5.根据权利要求3所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述激光器发出的光路上设有依次扩束镜、电控反光镜；Nd:YAG激光器产生的激光，经扩束镜扩束后，被电控反射镜反射出去，所述电控反射镜安装在望远镜副镜处；
激光接收模块还包括一四象限探测器、一单通道雪崩光电二极管，1064nm回波信号由95/5分光镜分成两部分，其中，
5％的那一束汇聚至四象限探测器，四象限探测器的四象限雪崩光电二极管的信号发送给发射/接收光轴控制模块；
95％的那一束由单通道雪崩光电二极管接收，单通道雪崩光电二极管的信号则发送数据采集/显示/存储模块。
6.根据权利要求5所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，四象限探测器的信号经放大电路后由所述发射/接收光轴控制模块的信号采集模块接收，所述发射/接收光轴控制模块根据四象限探测器四通道输出能量是否一致，判断激光束与望远镜光轴是否重合，所述发射/接收光轴控制模块控制连接所述电控反射镜；
当四象限探测器的中心精确调节到光阑的成像中心处，激光束与望远镜光轴重合，远场信号在四象限探测器上的能量分布均匀，四象限探测器四通道输出能量一致；
一旦发射/接收光轴不重合，发射/接收光轴控制模块则利用质心算法计算光轴的偏离量，反馈给电控反射镜，调整电控反射的角度，实现激光束指向的闭环控制。
7.根据权利要求6所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，发射/接收光轴控制模块的信号采集模块的采样率高达15MHz，距离分辨率为10m。
8.根据权利要求1所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，所述激光探测雷达还设有一用于调控所述激光探测雷达探测方向的方位扫描机构。
9.根据权利要求8所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，方位扫描机构包括一45度反射镜，所述45度反射镜固定在一可360°旋转的旋转台，所述旋转台固定在激光雷达的出光口处，所述旋转台采用蜗轮蜗杆结构，中心通光孔径160mm，激光器发出的光穿过所述通光孔，经45度反射镜发射后射出。
10.根据权利要求1所述的一种散货煤炭堆场粉尘颗粒物自动监测装置，其特征在于，方位扫描机构还包括一角度传感器，所述角度传感器安装在所述45度反射镜的顶部。
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