本發(fā)明涉及煤炭領(lǐng)域，具體涉及一種自動監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)外測量粉塵濃度設(shè)備按其測定方法主要方法大致分為2類：①采樣法，即使用采樣器采樣，通過稱重和計算得出粉塵濃度值；②采用非取樣法，即利用光散射或光吸收等方法快速測塵，直接讀粉塵濃度。其中光散射法是通過測量顆粒受到光照射后發(fā)出的散射光信號的大小來測量顆粒的質(zhì)量濃度。其工作原理是：來自光源的光束照射到粉塵區(qū)，發(fā)生光的散射，與顆粒濃度相關(guān)的散射光信號由光電接收器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大器放大后送入微處理器進行處理、計算，即可得到粉塵的濃度。光散射法由于具有測量速度快，測量范圍廣，重復(fù)性好，自動化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量等優(yōu)點，目前在氣象、公共衛(wèi)生、勞動衛(wèi)生、大氣污染等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

我國港口煤炭散貨堆場大多為露天堆存，企業(yè)一般自身也沒有配置煤炭粉塵的監(jiān)測設(shè)施。長久以來未見任何有針對較大范圍堆場的露天煤炭粉塵顆粒物進行實時監(jiān)測的設(shè)備或儀器的實際應(yīng)用。由于沒有實時的科學(xué)數(shù)據(jù)支持，造成了港口露天堆場的環(huán)保手段僅憑人工的經(jīng)驗，其環(huán)保效果不盡人如意。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種散貨煤炭堆場粉塵顆粒物自動監(jiān)測裝置，以解決上述技術(shù)問題。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種散貨煤炭堆場粉塵顆粒物自動監(jiān)測裝置，包括一可通過光學(xué)方法進行粉塵濃度測量的粉塵監(jiān)測裝置，其特征在于，所述粉塵監(jiān)測裝置包括一激光探測雷達，所述激光探測雷達以脈沖激光器為光源，脈沖寬度納秒級，通過探測空氣中不同距離的煤炭顆粒物散射信號來獲取煤炭顆粒物污染的分布，實現(xiàn)煤炭堆場上空水平范圍內(nèi)顆粒物污染濃度的實時掃測。

本發(fā)明以雷達粉塵監(jiān)測裝置，比起常規(guī)傳感器檢測網(wǎng)，不僅具備了自動監(jiān)測煤炭粉塵顆粒物的濃度，而且能對煤炭堆場內(nèi)普通傳感器不能部署的區(qū)域進行監(jiān)測。特別適用于港口煤炭露天堆場的粉塵監(jiān)控裝置。尤其是對我國大型港口煤炭露天堆場來說，具有非常好的技術(shù)發(fā)展前景和市場應(yīng)用空間。

所述激光探測雷達還包括一激光發(fā)射模塊、一激光接收模塊，激光發(fā)射模塊包括一用于產(chǎn)生脈沖光束的激光器，激光接收模塊包括一望遠鏡；

所述激光探測雷達還包括一發(fā)射/接收光軸控制模塊，所述發(fā)射/接收光軸控制模塊使激光束與望遠鏡光軸重合。

激光器優(yōu)選采用nd:yag激光器。激光發(fā)射模塊還可以設(shè)有能量監(jiān)測用的能量監(jiān)測裝置、光束指向控制的方向控制機構(gòu)等部件。能量監(jiān)測裝置包括光束取樣鏡片和積分球，激光發(fā)射模塊通過光束取樣鏡片和積分球可以實時監(jiān)測發(fā)射激光的能量。激光發(fā)射模塊優(yōu)選是一能夠產(chǎn)生激光雷達所需要的高能量激光，并對激光光斑進行整形，對激光器輸出能量進行監(jiān)視，并具備激光束指向自動調(diào)節(jié)能力的激光發(fā)射模塊。

所述望遠鏡優(yōu)選直徑150mm的望遠鏡，所述望遠鏡鍍金膜，1064nm反射率在95％以上。

激光接收模塊在接收光路上自遠至近依次設(shè)有光闌、準(zhǔn)直透鏡、窄帶濾光片組、分光鏡、匯聚透鏡、探測器。并監(jiān)視發(fā)射/接收光軸對準(zhǔn)情況，主要部件包括接收望遠鏡、分光光路、探測器等部件。

所述激光器發(fā)出的光路上設(shè)有依次擴束鏡、電控反光鏡；nd:yag激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)擴束鏡擴束后，被電控反射鏡反射出去，所述電控反射鏡安裝在望遠鏡副鏡處；

激光接收模塊還包括一四象限探測器、一單通道雪崩光電二極管，1064nm回波信號由95/5分光鏡分成兩部分，其中，

5％的那一束匯聚至四象限探測器，四象限探測器的四象限雪崩光電二極管的信號發(fā)送給發(fā)射/接收光軸控制模塊；

95％的那一束由單通道雪崩光電二極管接收，單通道雪崩光電二極管的信號則發(fā)送數(shù)據(jù)采集/顯示/存儲模塊。

反射鏡可以通過一轉(zhuǎn)軸連接一電機。反射鏡優(yōu)選是具有兩個緯度調(diào)整能力的反射鏡。反射鏡在電機的帶動下，可以轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)反射角度的調(diào)整。

四象限探測器的信號經(jīng)放大電路后由所述發(fā)射/接收光軸控制模塊的信號采集模塊接收，所述發(fā)射/接收光軸控制模塊根據(jù)四象限探測器四通道輸出能量是否一致，判斷激光束與望遠鏡光軸是否重合，所述發(fā)射/接收光軸控制模塊控制連接所述電控反射鏡。當(dāng)四象限探測器的中心精確調(diào)節(jié)到光闌的成像中心處，激光束與望遠鏡光軸重合，遠場信號在四象限探測器上的能量分布均勻，四象限探測器四通道輸出能量一致。一旦發(fā)射/接收光軸不重合，發(fā)射/接收光軸控制模塊則利用質(zhì)心算法計算光軸的偏離量，反饋給電控反射鏡，調(diào)整電控反射的角度，實現(xiàn)激光束指向的閉環(huán)控制。

發(fā)射/接收光軸控制模塊的信號采集模塊的采樣率高達15msps，距離分辨率為10m。

數(shù)據(jù)采集/顯示/存儲模塊可讀取各部件實時狀態(tài)、掃描系統(tǒng)指向、發(fā)射激光能量、回波信號強度、點探測器測得的顆粒物污染濃度等信息，利用這些信息也可出計算堆場上煤炭空顆粒物污染濃度分布。

所述激光探測雷達還設(shè)有一用于調(diào)控所述激光探測雷達探測方向的方位掃描機構(gòu)。方位掃描機構(gòu)控制所述激光探測雷達探測方向，實現(xiàn)360°掃描測量。

方位掃描機構(gòu)包括一45度反射鏡，所述45度反射鏡固定在一可360°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)臺，所述旋轉(zhuǎn)臺固定在激光雷達的出光口處，所述旋轉(zhuǎn)臺采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，中心通光孔徑160mm，激光器發(fā)出的光穿過所述通光孔，經(jīng)45度反射鏡發(fā)射后射出。所述旋轉(zhuǎn)臺通過步進電機驅(qū)動。

方位掃描機構(gòu)還包括一角度傳感器，所述角度傳感器安裝在所述45度反射鏡的頂部。從而實現(xiàn)對出光角度的測量，實現(xiàn)360°探測的監(jiān)測。

所述激光探測雷達還設(shè)有傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕度傳感器等。以通過溫度、濕度傳感器獲取煤炭堆場附近的溫度、濕度，為系統(tǒng)提供環(huán)境下的防塵防雨保護提出參考。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為激光接收模塊的光路圖；

圖3為方位掃描機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。

參照圖1、2和3，一種散貨煤炭堆場粉塵顆粒物自動監(jiān)測裝置，包括一可通過光學(xué)方法進行粉塵濃度測量的粉塵監(jiān)測裝置，粉塵監(jiān)測裝置包括一激光探測雷達，激光探測雷達以脈沖激光器為光源，脈沖寬度納秒級，通過探測空氣中不同距離的煤炭顆粒物散射信號來獲取煤炭顆粒物污染的分布，實現(xiàn)煤炭堆場上空水平范圍內(nèi)顆粒物污染濃度的實時掃測。本發(fā)明以雷達粉塵監(jiān)測裝置，比起常規(guī)傳感器檢測網(wǎng)，不僅具備了自動監(jiān)測煤炭粉塵顆粒物的濃度，而且能對煤炭堆場內(nèi)普通傳感器不能部署的區(qū)域進行監(jiān)測。特別適用于港口煤炭露天堆場的粉塵監(jiān)控裝置。尤其是對我國大型港口煤炭露天堆場來說，具有非常好的技術(shù)發(fā)展前景和市場應(yīng)用空間。

激光探測雷達還包括一激光發(fā)射模塊1、一激光接收模塊7，激光發(fā)射模塊1包括一用于產(chǎn)生脈沖光束的激光器2，激光接收模塊7包括一望遠鏡；激光探測雷達還包括一發(fā)射/接收光軸控制模塊5，發(fā)射/接收光軸控制模塊5使激光束與望遠鏡光軸重合。激光探測雷達還設(shè)有一用于調(diào)控激光探測雷達探測方向的方位掃描機構(gòu)4。方位掃描機構(gòu)4控制激光探測雷達探測方向，實現(xiàn)360°掃描測量。

具體各模塊的主要內(nèi)容

1)激光發(fā)射模塊1

激光發(fā)射模塊1為系統(tǒng)的光源組件，產(chǎn)生激光雷達所需要的高能量激光，并對激光光斑進行整形，該模塊還對激光器2輸出能量進行監(jiān)視，并具備激光束指向自動調(diào)節(jié)能力，為發(fā)射/接收光軸監(jiān)視系統(tǒng)提供硬件支持。

采用nd:yag激光器作為激光源，利用其基頻光(1064nm)作為激光源，利用光束取樣鏡片和積分球作為能量監(jiān)測機構(gòu)8實時監(jiān)測發(fā)射激光的能量，經(jīng)擴束鏡9擴束后的激光束由一個安裝在望遠鏡副鏡處的45度反射鏡3發(fā)射出去，反射鏡3可以電動調(diào)節(jié)，以用于激光雷達發(fā)射/接收光軸的對準(zhǔn)。該反射鏡3具有兩個維度的調(diào)節(jié)能力(θx和θy)。

激光器2的主要參數(shù)如下：

2)接收模塊7

接收模塊7是利用望遠鏡采集大氣顆粒物污染的后向散射信號，濾除大氣背景輻射，利用高靈敏探測器對信號進行采集，接收模塊7還能監(jiān)視發(fā)射激光/接收光軸之間的相對位置，為發(fā)射/接收光軸控制模塊5提供數(shù)據(jù)。

模塊采用直徑150mm的望遠鏡作為接收望遠鏡，該望遠鏡鍍金膜，1064nm反射率能95％以上。1064nm回波信號由95/5分光鏡11分成兩部分，其中一部分(5％)匯聚至四象限探測器12，用來檢測激光束在望遠鏡視場中的指向，另一束(95％)由單通道雪崩光電二極管13接收，其中四象限雪崩光電二極管的信號直接發(fā)送給發(fā)射/接收光軸控制模塊5，而單通道雪崩光電二極管13的信號則發(fā)送給數(shù)據(jù)采集/顯示/存儲模塊6。探測器的信號經(jīng)放大電路后由信號采集模塊接收，采集模塊的采樣率高達15mhz，距離分辨率為10m。

接收器的主要參數(shù)如下：

3)發(fā)射/接收光軸控制模塊5

該模塊的主要硬件包括接收光路中的四象限探測器12、電控反射鏡3、控制電路。模塊可將探測器的中心精確調(diào)節(jié)到光闌10的成像中心處，激光束與望遠鏡光軸重合，遠場信號在四象限探測器12上的能量分布均勻，探測器四通道輸出能量一致。一旦發(fā)射/接收光軸不重合，則利用質(zhì)心算法計算光軸的偏離量，反饋給電動反射鏡3，實現(xiàn)激光束指向的閉環(huán)控制。

4)掃描模塊

采用單45度反射鏡3結(jié)構(gòu)實現(xiàn)此功能，將45度反射鏡3安裝在步進電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)臺14上，旋轉(zhuǎn)臺14采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，中心通光孔徑160mm。掃描模塊安裝在系統(tǒng)頂部，和主要箱體之間的連接必須保證足夠的防水性能。本模塊可以實現(xiàn)激光雷達部署點水平360°范圍內(nèi)的掃描探測。

5)數(shù)據(jù)采集/顯示/存儲模塊6

該模塊可讀取各部件實時狀態(tài)、掃描系統(tǒng)指向、發(fā)射激光能量、回波信號強度、點探測器測得的顆粒物污染濃度等信息，利用這些信息也可出計算堆場上煤炭空顆粒物污染濃度分布。

6)環(huán)境保障模塊

激光探測雷達還設(shè)有傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕度傳感器等。以通過溫度、濕度傳感器獲取煤炭堆場附近的溫度、濕度，為系統(tǒng)提供環(huán)境下的防塵防雨保護提出參考。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。