基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究.doc

分类号:TM930密级：秘密
UDC:单位代码：10424

学位论文
基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究

钱晓超

申请学位级别：硕士学位专业名称：控制理论与控制工程
指导教师姓名：曹茂永职称：教授

山东科技大学
二零一一年五月
论文题目：

基于电荷感应原理的矿井粉尘浓度测量方法研究

作者姓名：钱晓超入学时间：2009年9月
专业名称：控制理论与控制工程研究方向：传感器与智能仪表
指导教师：曹茂永职称：教授
程学珍教授

论文提交日期：2011年5月
论文答辩日期：2011年6月12日
授予学位日期：

StudyoftheMeasuringMethodforCoalDustConcentrationBasedontheChargeInductionPrinciple
ADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeof

MASTEROFPHILOSOPHY

from

ShandongUniversityofScienceandTechnology

by

QianXiaochao

Supervisor:ProfessorCaoMaoyong

CollegeofInformationandElectricalEngineering
May2011
声明

本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。

硕士生签名：

日期：

AFFIRMATION

Ideclarethatthisdissertation,submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofPhilosophyinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkunlessreferencedofacknowledge.Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute.

Signature:

Date:

山东科技大学硕士学位论文 摘要
摘要
煤矿井下粉尘检测对煤矿的安全生产以及煤矿工人的身体健康具有重要的意义。针对煤矿井下粉尘检测研究的现状，研究了一种基于电荷感应原理的粉尘浓度测量新方法。其基本原理为：煤矿粉尘在产生和运动过程中会带电，粉尘的带电量与粉尘浓度具有一定的关系，通过电荷感应的方法测量粉尘的带电量，并结合一定的信号处理方法即可获得粉尘的浓度信息。
该测量方法的研究包括电荷感应信号采集和信号处理两部分。电荷信号采集部分包括一个由圆环状电极、绝缘管以及屏蔽罩组成的敏感元件以及对电荷灵敏的前置放大器。运用有限元软件ANSYS对敏感元件的结构和几何尺寸进行了优化，建立了敏感元件的动态特性方程，研究了敏感元件的动态特性以及单个粉尘颗粒通过敏感元件时的感应电荷信号变化规律。研制了一款适用于本测量方法的前置放大器，并且在实验室的矿井粉尘检测试验系统的模拟巷道中进行了实验，获得了不同粉尘浓度下的电荷感应信号。信号处理部分首先对电荷感应信号进行了分析，得到了信号的时频特性，针对信号的特点提取了信号的特征值。采用因子分析法对信号的特征值进行了分析，获得了对粉尘浓度影响最大的三个特征值。应用这三个特征值为输入变量，采用了基于遗传算法优化BP神经网络的方法建立了粉尘浓度与电荷感应信号的数学模型，最终获得了粉尘电荷感应信号与浓度的关系。
通过实验以及误差分析，该方法的测量误差小，并且具有免维护，能够实现长时间在线监测的优点，具有很好的应用前景。

关键词：煤尘浓度，电荷感应，ANSYS，因子分析，人工神经网络

Abstract
Themeasurementofdustconcentrationatcoalmineisveryimportantforthesafetyincoalmineproductionandthelifesafetyofthecoalmineworkers.Inthispaper,anewmethodbasedonelectrostaticinductionisresearched.Thebasicprincipleisasfollows:Thecoalminedustwillbechargedwhenthedustisproducedandmoved,andtherearesomerelationswiththechargeandt