通过减少喷雾颗粒散射干扰来确定可吸入煤尘浓度的光谱角差分解耦方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Spectral angle differential decoupling method for determining respirable coal dust concentration by reducing spray droplet scattering interference

提出基于双波长（650nm和940nm）及双角度（20°和90°）的光谱角微分解耦方法，有效抑制高湿度煤矿环境中喷雾飞沫干扰，使传统单光源监测方法的峰值误差从50%降至14%，在35-100 mg/m3浓度范围内平均相对误差稳定在10%-15%。

　　

聂文|万俊超|彭慧天|李怀通|周晨阳|李玉平

山东科技大学安全与环境工程学院，中国青岛266590

摘要

在高湿度煤矿环境中，由于喷雾液滴的干扰，可吸入粉尘浓度的监测会受到严重扭曲。我们提出了一种基于光谱角度差分解耦的方法，通过利用在双波长（650纳米和940纳米）和双角度（20°和90°）下的散射特性差异来抑制喷雾液滴的干扰。实验表明，在固定角度下，喷雾液滴的双波长散射强度比接近（α_w,20°≈0.844，α_w,90°≈0.864），而可吸入粉尘由于其波长依赖的散射特性则存在显著差异。我们建立了一个差分消除模型，利用波长维度来消除喷雾散射干扰，并利用角度维度来解耦粉尘浓度，从而推导出了一种明确的粉尘浓度反演模型。我们设计了一个时分复用电路控制系统（触发周期<14毫秒），通过交替激光触发确保时空信号的一致性。实验结果表明，在喷雾干扰下，传统的单光源监测方法的误差峰值为50%，而所提出的模型将这一误差降低到了14%。此外，在35–100毫克/立方米的浓度范围内，平均相对误差稳定在10%到15%之间。

引言

随着智能采矿技术的不断进步，地下工作环境变得越来越复杂[[1], [2]]。粉尘、喷雾液滴和各种气溶胶颗粒在矿井中共存并相互重叠，对工人的健康和矿山安全运营构成了多重威胁[[3], [4], [5]]。可吸入煤尘中的PM2.5是导致尘肺病的关键因素之一，而在高浓度条件下，它还可能引发诸如煤尘爆炸等灾难性事件[[6], [7], [8], [9]]。近年来，非接触式粉尘浓度监测技术逐渐成为煤矿实时监测的首选方法，因为它具有高实时性能，能够实现快速响应[[10], [11], [12]]。在陕西省的一家国有煤矿中，对连续采矿操作员的工作区域进行了现场测量，测得该区域可吸入粉尘的瞬时浓度高达323毫克/立方米[[13], [14]]。尽管实施了通风和喷雾除尘措施，但在工作区域安装的光学粉尘浓度监测器的读数仍达到44毫克/立方米。同时，使用过滤膜采样器在同一区域进行的重量采样确定实际的可吸入粉尘质量浓度为26.7毫克/立方米。光散射仪器获得的测量结果显著高于实际的可吸入粉尘质量浓度[[15], [16], [17]]。这是因为喷雾除尘系统产生的液滴通常大小在50–200微米之间。除尘后，其中一部分液滴仍与煤尘一起悬浮，颗粒大小在30–60微米范围内。此外，工作区域的相对湿度（60%–85%）表明高湿度环境常常伴随着水蒸气的凝结，形成额外的液滴。这些液滴在光学测量过程中容易被误认为是粉尘颗粒[[18], [19], [20], [21]]。喷雾除尘系统的连续运行进一步加剧了液滴和可吸入粉尘的混合状态，形成了一个复杂的气溶胶系统，容易导致粉尘浓度测量值偏高或甚至在除尘后监测结果失真[[22], [23]]。因此，有效区分液滴和粉尘颗粒成为影响监测准确性的关键因素[[24], [25], [26]]。因此，区分煤尘和喷雾液滴的方法具有很大的研究价值，这类方法可以基于反演方法。为此，迫切需要研究两者之间的光学响应特性差异，并进一步构建一种利用这些差异来消除喷雾液滴干扰的可吸入粉尘浓度反演方法。

一些学者已经对具有不同性质和组成的颗粒进行了初步研究[[31], [32], [33]]。Seo等人利用激光诱导荧光技术结合环境适应性算法和多气候数据训练，通过五变量优化实现了生物颗粒（如细菌和病毒）与非生物颗粒（如粉尘和喷雾液滴）的高精度区分[[34]]。Zheng等人研究了一种基于前向散射光与后向散射光信号比例的方法，用于区分火灾烟雾和两种常见类型的颗粒（粉尘和水颗粒）[[35]]。为了解决非火灾气溶胶（如粉尘和水喷雾）的误识别问题，建立了四个多层感知器（MLP）模型，并提出了一种新的混合算法来优化MLP参数[[36]]。Z. Jurányi提出了一种通过同时分析两个不同波长下单个气溶胶颗粒的散射光来提取颗粒类型信息的新方法[[37]]。已经提出了多种方法，包括多角度检测和多波长成像。其中，双波长双检测器方法通过利用粉尘和喷雾液滴在不同波长带的差异响应，有效提高了颗粒类型区分的灵敏度。

尽管在大气气溶胶的环境监测方面取得了一些进展，但针对高湿度、多干扰的地下煤矿环境中可吸入粉尘与喷雾液滴之间的区分和校正的研究却很少。目前仍缺乏适用于极端采矿条件的系统解决方案。为了解决这个问题，本研究重点关注了煤矿中复杂潮湿环境中粉尘和喷雾液滴的混合干扰。我们建立了一个双波长、多角度的光学散射实验平台[[38]]。然后，结合煤尘的吸湿特性和光散射建模，我们发现喷雾液滴在固定角度下的散射强度比在双波长下的比值接近一个常数，而可吸入粉尘由于波长敏感性而表现出显著差异。我们建立了一个光谱角度差分解耦模型，利用波长维度消除液滴干扰，并通过角度维度解耦可吸入粉尘的浓度。最终，通过光谱角度差分消除液滴干扰，推导出了可吸入煤尘浓度的明确反演模型，为矿井中的智能监测系统提供了理论支持和工程途径。

章节片段

液滴和可吸入煤尘的散射特性分析

在地下煤矿中对可吸入粉尘的采样采用了过滤膜采样方法。将校准后的FC-4便携式可吸入粉尘采样器安装在煤矿工作面的光学粉尘浓度检测器的悬浮区域，以获取具有代表性的空气粉尘样本。采样前对过滤膜进行了预处理和称重，并将其固定在采样器内。采样时间根据粉尘情况确定

光谱角度差分解耦模型

基于经典线性叠加模型，在低浓度条件下，多个颗粒的散射可以直接线性叠加。在本研究中，低浓度条件指的是工人作业区域内的可吸入煤尘质量浓度≤80毫克/立方米。在这种情况下，单位体积内的煤尘颗粒数量约为1.2 × 10⁶个/立方米，颗粒之间的平均间距约为90微米。

结构设计测试

由于两个激光束交替触发时存在时间延迟，在T₁和T₂期间检测到的颗粒可能并不完全相同。因此，必须按以下公式计算喷雾-粉尘混合气溶胶在采样区域的停留时间： $T=\frac{L_{sw}}{v}$

其中v是气溶胶流速，L_swis是光束宽度。

使用光圈限制器将激光束宽度限制在2毫米。两个激光束交汇处的实际宽度约为2.8毫米。

系统响应参数校准

为了在液滴干扰下准确反演粉尘质量浓度，需要校准四个散射通道对粉尘和液滴的单位质量响应系数，分别表示为粉尘响应系数$S_m^{i,j}$和液滴响应系数$S_w^{i,j}$。TSI 1520单分散气溶胶发生器主要用于产生15–90微米范围内的单分散液滴。然而，在实际操作中，特别是在其液体状态下

实验分析

为了定量评估双波长双角度差分模型在液滴干扰下的性能，基于验证设备的基本原理构建了一个粉尘浓度测量仪器的验证装置。该装置的主要组成部分包括粉尘发生器、实验风洞、采样单元、风扇、频率转换器、静电沉淀器和操作主机。

结论

在本研究中，我们解决了由于高湿度地下煤矿环境中喷雾液滴干扰导致粉尘浓度监测结果失真的问题。我们提出了一种基于光谱角度差分解耦的明确反演方法，用于确定可吸入煤尘的质量浓度。我们利用物理建模和光学模拟揭示了喷雾液滴在650纳米和940纳米波段上的波长响应一致性。然后我们构建了

CRediT作者贡献声明

聂文：资源提供、写作——审稿与编辑、监督、数据管理。万俊超：概念构思、方法论、软件开发、调查、初稿撰写、审稿与编辑。彭慧天：软件开发、写作——审稿与编辑。李怀通：写作——审稿与编辑。周晨阳：写作——审稿与编辑。李玉平：写作——审稿与编辑。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不恰当地影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响所提交手稿中的观点或审查结果。

致谢

本项工作得到了中国自然科学基金（编号52504237和52374213）、国家重点研发计划（2023YFC2509300）、国家高层次人才特殊支持计划（编号SQ2022QB01009）、山东省自然科学基金（编号ZR2023QE026）、山东省泰山学者和青年专家计划（编号tsqn202211155）以及青年人才支持基金（2023GJJLJRC-069）的支持。