融合光散射与电荷感应的双模态全量程粉尘浓度传感技术研究

针对煤矿粉尘浓度监测中单原理传感器难以实现全量程(0-1000 mg/m3)精准检测的难题，研究人员创新性地融合光散射(LS)与电荷感应(CI)双模态检测技术，通过卡尔曼滤波(KF)算法实现异构数据融合，开发出误差仅1.206%的集成传感器，为矿山安全与职业健康防护提供了高精度监测解决方案。

　　

在煤炭作为国家能源支柱的背景下，矿山粉尘危害已成为威胁生产安全与矿工健康的双重难题。尽管近年来煤矿爆炸事故死亡率有所下降，但职业性尘肺病新增病例却持续攀升——2021年全国累计确诊达91.5万例，其中2023年新增病例占职业病例总数的66.6%。这种严峻形势暴露出当前粉尘监测技术的重大缺陷：传统光散射法在>100 mg/m³高浓度时因信号遮蔽产生漂移，而电荷感应法对<10 mg/m³低浓度响应迟钝，单原理传感器难以覆盖采矿现场从喷雾后<10 mg/m^{3>到掘进机位>300 mg/m3的极端浓度跨度。}

为解决这一技术瓶颈，安徽理工大学（National Natural Science Foundation of China资助项目52074012）的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表创新成果。该研究通过融合光散射与电荷感应双检测原理，结合卡尔曼滤波数据融合算法，首次实现了0-1000 mg/m³全量程连续检测。关键技术包括：基于Mie散射理论优化90°侧向检测角度（信噪比17.35），建立环形电极空间灵敏度模型确定最佳参数（R=25 mm，L=50 mm，d=2 mm），并采用集中式KF融合策略将方差降低74.9%。

【光散射检测理论基础】
通过数值模拟揭示了入射光波长、颗粒粒径与检测角度的耦合效应，确定785 nm激光与90°检测角组合可最大化信噪比。实验验证该配置在5-100 mg/m³范围的短期平均误差<4.25%。

【电荷感应原理】
建立的环形电极数学模型表明，感应电荷量与粉尘流速呈二次函数关系。优化后的电极结构使10-1000 mg/m³高浓度段测量误差<10.8%，填补了光学法在高浓度区的失效盲区。

【数据级融合架构】
创新性采用集中式KF处理异构数据：光学信号作为状态量，电荷信号作为观测量，通过动态噪声协方差矩阵实现10-100 mg/m³过渡区的无缝衔接。该策略使融合后误差降至1.206%，波动率<10%。

这项研究的突破性在于：首次构建了覆盖职业暴露极限(<10 mg/m³)至爆炸危险浓度(>1000 mg/m³)的全量程监测方案，通过双模态互补克服了单原理传感器的量程断裂问题。工程应用显示，该传感器在掘进机司机位(>300 mg/m³)等关键岗位的监测稳定性提升74.9%，为《"十四五"职业健康规划》提出的尘肺病发病率下降目标提供了关键技术支撑。研究团队特别指出，未来可通过嵌入Lu等开发的FFT-KF-LSTM-NET模型进一步提升长期监测稳定性，这为智能矿山粉尘防控系统的开发指明了方向。