尚征帆，張杰，倪申健，徐兆軍，那斌，朱南峰

(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037)

木制產(chǎn)品加工過程中會產(chǎn)生大量的木質(zhì)廢屑和粉塵，在傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程中這些粉塵沒有得到有效的處理，因而埋下了諸多安全隱患。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對于生產(chǎn)環(huán)境的安全性要求不斷提高，對生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的粉塵有了較為嚴(yán)苛的處理需求，但是在處理粉塵的過程中燃爆事故依然時有發(fā)生[1]。從有記錄的第一起粉塵爆炸事故[2]發(fā)生至今已有上百年歷史，但燃爆事故發(fā)生的頻率并沒有隨著科技的進步而顯著下降，反而成為木材加工行業(yè)安全生產(chǎn)的重大威脅[3]。粉塵爆炸的危害不僅在于其巨大的沖擊力，更在于極易誘發(fā)第2次爆炸，進而對進入現(xiàn)場救援的工作人員造成不可挽回的傷害[4]。根據(jù)調(diào)查，木質(zhì)粉塵燃爆多發(fā)于運輸管道、料倉等相對密閉的場合，漂浮的木質(zhì)粉塵由點火源引燃觸發(fā)爆炸[5-6]。研究表明，粉塵燃爆需要滿足5個基本條件：密閉空間、氧化劑、可燃性粉塵、合適的分散濃度以及點火源[7-11]，其中，點火源是最容易控制的一個變量，因此，針對點火源進行探測是防控裝置研發(fā)的出發(fā)點和著重點[12]。

國內(nèi)利用火花的光電現(xiàn)象著手研發(fā)相應(yīng)的檢測裝置，如汪秀清等[13]指出，火花探測器是一種光敏設(shè)備，外界環(huán)境光會對其產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，因此必須要避免漏光所造成的錯誤操作。相比于國內(nèi)設(shè)備研發(fā)尚處起步階段，國外一些大廠的產(chǎn)品已占據(jù)了廣闊市場空間，如德國EWS公司與格雷康(GRECON)、加拿大瀚森泰克(HANSENTEK)與美國的克拉克(CLARKS)[14]。與國內(nèi)檢測裝置相比，進口的火花探測器具有檢測范圍廣、響應(yīng)速度快、誤判動作少等優(yōu)點，但是過高的成本限制了其推廣。

筆者從點火源開始研發(fā)火花探測器，以期設(shè)計出既具備進口設(shè)備優(yōu)點又可控成本的火花探測器。從理論出發(fā)，研究并設(shè)計了一款基于dsPIC的火花檢測裝置，完成對管道中粉塵火花信號的采集、放大及處理等，可實現(xiàn)對木粉塵燃燒火花快速準(zhǔn)確的探測，且具有較低的成本。

1 火花探測原理

1.1 輻射基本定律

黑體輻射定律表明，絕對零度以上的物體都會向外輻射能量，且輻射出的能量強度和物體的波長與溫度有密切聯(lián)系，如式(1)所示：

(1)

式中：B(λ,T)為黑體的光亮輻射強度；λ為輻射波長；T為黑體絕對溫度；h為普朗克常數(shù)；K為玻爾茲曼常數(shù)；c為光速。

普朗克黑體輻射定律通常運用于絕對黑體，但現(xiàn)實中的大多數(shù)物質(zhì)與黑體存在較大差異。為將粉塵燃燒輻射強度、溫度和輻射定律建立聯(lián)系，引入斯蒂芬-玻爾茲曼定律并對問題進行簡化[15]，如式(2)和(3)所示:

(2)

E=εEb=εσT4

(3)

式中：E為輻射功率；ε為發(fā)射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；Eb為同波長下黑體的輻射功率?？梢钥闯?，物體的溫度越高，其輻射功率也越強。燃燒的木質(zhì)粉塵其表面溫度顯著高于環(huán)境溫度，因此其輻射出的能量也遠遠高于環(huán)境背景，通過對這種光和熱的探測可以達到探測火花的目的[16]。

1.2 木質(zhì)粉塵燃燒光譜特征

以楊樹(PopulusL.)和馬尾松(PinusmassonianaLamb)為例，對2種木材粉塵的燃燒過程進行光譜試驗，發(fā)現(xiàn)其燃燒過程中均包含鈉、鉀元素的波峰特征，如圖1所示，分別呈現(xiàn)了背景光譜曲線和2種木材粉塵燃燒時的光譜特征。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在木粉塵燃燒時由鈉和鉀元素發(fā)出的光譜十分明顯，其中，由鉀元素激發(fā)的光譜強度遠大于由鈉元素所激發(fā)的光譜強度。由于鈉元素和鉀元素是樹木生長過程中必需的微量元素，而且在樹木中的含量相對穩(wěn)定，因此可以作為檢測特征用于火花探測。

圖1 不同樹種粉塵燃燒光譜特征

1.3 傳感器材料的選擇

根據(jù)上述光譜特征，主要針對590～770 nm波長范圍進行火花探測器的設(shè)計，因此，所選用的光敏傳感器必須對上述波長范圍內(nèi)的光信號有較強的響應(yīng)度[17]。響應(yīng)度是輸出電信號電流大小與入射光功率的比值，可以發(fā)現(xiàn)材料的響應(yīng)度與光線波長呈正比關(guān)系，如式(4)所示：

(4)

式中：R為響應(yīng)度；IP為平均輸出電流；PO為平均輸入功率；e為電子電荷；η為量子效率。

常見的光電二極管材料一般為硅或鍺，而硅材料在波長590～770 nm時的量子效率較高[18]，能滿足需求。

2 火花探測裝置軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 火花探測裝置整體設(shè)計

整個系統(tǒng)由控制器單元、光電檢測單元和串口通信單元等部分組成，如圖2所示。管道內(nèi)產(chǎn)生的火花經(jīng)過光電探頭轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，經(jīng)運放轉(zhuǎn)化成電壓信號后利用濾波電路將干擾信號去除，再傳遞至模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用上位機所設(shè)定的光強閾值，通過dsPIC控制輸出模塊進行相應(yīng)的動作。

圖2 火花探測裝置整體設(shè)計

2.1.2 傳感器選型

由于光電二極管對環(huán)境溫度比較敏感，很容易使電路產(chǎn)生溫漂，而火花探測器工作環(huán)境的溫度也會有較大變化，因此對傳感器的溫度響應(yīng)要求更高。采用PIN光電二極管(S1223型，日本濱松)作為本火花探測裝置的傳感器，如圖3所示，該型號光電二極管在可見光到近紅外波段(光譜響應(yīng)范圍320～1 100 nm)具有高靈敏性、高可靠性和高速響應(yīng)等特性，可滿足設(shè)計需求。

圖3 傳感器及其特性指標(biāo)

2.1.3 信號放大電路設(shè)計

由于火花信號本身較為微弱，因而硅管采集并輸出的電信號就十分微弱，需要對獲得的信號進行放大。但電路放大的不僅僅是有效信號，也會將噪音等雜波信號一并放大，因此需要通過硬件設(shè)計獲取較為純凈的有效信號。低噪聲電路可以有效濾除噪聲所帶來的影響，其第1級如圖4所示，采用LT1793作為運算放大器，使電路同時擁有低電壓噪聲和極低電流噪聲的特點，可滿足噪聲需求。

圖4 初級放大電路設(shè)計

為進一步提高火花探測裝置的靈敏度，額外設(shè)計了二級放大電路，如圖5所示，將初級放大電路的輸出信號進行再次放大。采用LT1012作為放大元件，其同樣也是低噪音運放，但是二級放大電路在放大正常信號的同時也放大了噪聲，進而影響裝置的精準(zhǔn)性。因此，將初級放大電路與二級放大電路的信號同時傳輸至dsPIC，并由單片機進行權(quán)重比較后做出判斷，從而達到靈敏度和精準(zhǔn)性之間的平衡。

圖5 二級放大電路設(shè)計

2.2 軟件設(shè)計

軟件運行流程如圖6所示，主要由系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、串口通信和控制信號輸出等程序模塊構(gòu)成。其中，系統(tǒng)初始化包括時鐘初始化、端口初始化、中斷初始化、串口初始化以及ADC初始化等部分。

圖6 軟件運行流程

軟件設(shè)計主要包括：信號快速準(zhǔn)確地采集與處理；通過串口實現(xiàn)穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸與控制。因此，程序設(shè)計的主要思路為：dsPIC每10 ms采集6次，取平均值作為一次采樣結(jié)果；每10個采樣結(jié)果再進行一次軟件濾波，得到一個有效的采樣數(shù)據(jù)，并保留2位有效數(shù)字通過串口發(fā)送至上位機，若取得的有效數(shù)據(jù)大于上位機所設(shè)定的閾值便發(fā)出警報。

2.3 實物樣貌

本裝置的整體外觀如圖7所示,整個裝置包覆在金屬外殼中，避免了電磁信號的干擾，提高了裝置的工作穩(wěn)定性與環(huán)境適應(yīng)性。

圖7 裝置整體外觀

3 裝置性能測試

為定量描述本研究所設(shè)計的火花探測裝置的各方面性能，嚴(yán)格按照“Approval standard for spark detection and extinguishing systems”搭建檢測平臺對本裝置進行性能檢測，檢測項目主要包括火花探測器的同軸性能、視場角、半功角以及反應(yīng)時間。

3.1 檢測平臺的搭建與原理

檢測平臺如圖8所示，主要由信號發(fā)生器、基準(zhǔn)標(biāo)定電源、示波器、供電電源等組成。信號發(fā)生器采用GaAs裝置(峰值波長900 nm，包括2個特征光譜)，可產(chǎn)生特定波長的信號，用來模擬火花信號；基準(zhǔn)標(biāo)定電源用于輸出穩(wěn)定電壓，作為標(biāo)定模擬火花輻射源輻射功率的電源；示波器用于校驗信號發(fā)生器發(fā)射的波形和測量探頭的反應(yīng)時間。

1.基準(zhǔn)標(biāo)定電源;2.信號發(fā)生器;3.檢測平臺;4.供電電源;5.示波器;6.被檢裝置。

3.2 檢測試驗

3.2.1 同軸性能試驗

通過信號發(fā)生器發(fā)射脈沖，火花模擬器以相同頻率產(chǎn)生信號，并將探測到的信號數(shù)量上傳至電腦進行顯示。若顯示的火花數(shù)量與發(fā)射脈沖數(shù)一致，則移動滑塊使探測器遠離模擬源；若火花數(shù)量小于發(fā)射脈沖數(shù)，則移動滑塊使探測器靠近模擬源；重復(fù)測量，直至測量出探測器在當(dāng)前情形下能夠探測到所有紅外信號的最遠距離?；鸹ㄌ綔y器的同軸性能試驗結(jié)果表明，該火花探測器的探測距離為75 cm。

3.2.2 半功角試驗

將探測器置于同軸性能的一半距離處，將旋轉(zhuǎn)臺順(逆)時針轉(zhuǎn)動5°，按下信號發(fā)生器上的觸發(fā)按鈕，觀察電腦上探測到的火花數(shù)量。若火花數(shù)量與發(fā)射脈沖數(shù)一致，則增大角度，直至探測器無法探測到全部信號，記錄旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度，即為探測器的半功角?；鸹ㄌ綔y器的半功角試驗結(jié)果表明，該火花探測器的半功角為115°。

3.2.3 視場角試驗

將探測器置于同軸性能的最遠探測距離處，將旋轉(zhuǎn)臺順(逆)時針轉(zhuǎn)動5°，按下信號發(fā)生器上的觸發(fā)按鈕，觀察電腦上探測到的火花數(shù)量。若火花數(shù)量與發(fā)射脈沖一致，則增大角度，直至探測器無法探測到全部紅外信號，記錄旋轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度，即為探測器的水平視場角。火花探測器的視場角試驗結(jié)果表明，該火花探測器的水平視場角為40°。

3.2.4 探測器反應(yīng)時間試驗

移動探測器使探測器與模擬源的距離為20 cm，通過示波器光標(biāo)測量出示波器上信號1上升沿與信號2上升沿的時間差并記錄，該時間差即為當(dāng)前情形下探測器的反應(yīng)時間。移動探測器，每次增大探測器與模擬源的距離為5 cm，重復(fù)測量并記錄時間差，直至達到最遠探測距離，測量出探測器與模擬源各個距離下的反應(yīng)時間?；鸹ㄌ綔y器的反應(yīng)時間試驗結(jié)果表明，該火花探測器在最遠探測距離(75 cm)時的反應(yīng)時間為520 μs。

3.3 試驗結(jié)果

根據(jù)檢測試驗的結(jié)果，可得到本裝置的具體性能參數(shù)為：同軸性能75 cm、半功角115°、視場角40°和反應(yīng)時間520 μs。由此可知，本裝置的同軸性能，即最遠探測距離是檢測標(biāo)準(zhǔn)0.15 m的5倍，在最遠探測距離時的反應(yīng)時間也控制在微秒級，優(yōu)于德國某品牌同類型產(chǎn)品毫秒級的反應(yīng)時間。

4 結(jié) 論

本研究圍繞木質(zhì)粉塵燃爆的問題展開，分析了火花探測的原理，針對楊木與馬尾松粉塵的燃燒過程進行光譜監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在燃燒時均會在鈉、鉀元素對應(yīng)的波長范圍內(nèi)激發(fā)出明顯峰值。依據(jù)上述特征選取傳感器并基于dsPIC進行硬件開發(fā)，在電路設(shè)計中，兩級放大電路的設(shè)計使得裝置更好地平衡了誤報率與靈敏度之間的矛盾。為進一步降低裝置誤報率，可根據(jù)管道氣流速度的不同，通過上位機對火花探測裝置進行采樣頻率與警報閾值的設(shè)置。將本裝置按照國際標(biāo)準(zhǔn)進行測試，結(jié)果表明所設(shè)計開發(fā)的火花探測裝置保證了低誤報率、高靈敏度，探測距離是檢測標(biāo)準(zhǔn)的5倍，能夠達到設(shè)計目標(biāo)，滿足企業(yè)的使用需求。