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1、球磨机研磨泥浆粒度检测研究摘 要:目前陶瓷泥浆粒度的检测主要采用传统的筛析法，测量效率低，精度也不高，严重阻碍着陶瓷生产的自动化。本课题研究、设计了一套新型的检测装置，包括上位机监测软件与下位机检测电路。依据量子光学与光量子器件国家重点实验室论证的光的后向散射光强与泥浆粒度呈线性关系理论，创造性地采用双D光纤实现光束的发射和接收，将接收陶瓷泥浆颗粒对光信号的后向散射光线，利用光纤放大器将其转化成对应的电压信号，对电压信号进行模数转换，经过单片机的处理得到我们需要检测的数据，通过检测不同粒度下的陶瓷泥浆样本，记录、分析各组电压值和陶瓷泥浆粒度的关系。得到的结论是测得的电压值与泥浆粒度之间的曲线是
2、线性的。该检测设备不仅拥有良好的粒度检测功能，还拥有良好的人机交互 以及优越的远程数据传输功能。本测量装置性能稳定、测量准确、性价比高，能够广泛应用于陶瓷生产中。关键词：双D光纤传感器，光纤放大器，单片机，后向散射理论Abstract:At present ceramics mud densitys examination mainly depended on the traditional sieve analysis method.However,the low efficiency and accuracy seriously hindered the automation of the
3、 ceramics production.The project researched and designed a new detection device,which included host computers monitoring circuits and lower machines detection circuit.It depended on the Quantum Optics and Quantum Optics Devices State Key Laboratorys theory that the intensity of backward light scatte
4、ring was proportional to the density of mud.The device utilized double-D fiber to transmit and receive beams creatively.It used fiber amplifiers to translate the backscattering light of light signal went through the ceramic mud to the corresponding voltage signal.Then is the analog to digital conver
5、sion before we get the detection data disposed by the SCM.Through detecting the ceramic mud samples with different particle size,we analysed the relationship between the measured voltage and its corresponding ceramic muds paricle size.The conclusion was the voltage was proportional to the particle s
6、ize.The device has good particle size detection function,good man-machine interaction and excellent remote data transmission function.Because of its stable performance,measurement accuracy and cost-effective, the measuring device can be used in ceramic production widely.Key words: double-D optical f
7、iber sensor, optical fiber amplifiers, microcontroller, backscatter theory第一章 绪论1.1课题设计的目的与意义改革开放以来，由于陶瓷生产企业的迅速发展，先进技术的不断更新，我国的陶瓷产量迅速增加。目前，我国的陶瓷生产能力已形成相当的规模，成为世界上陶瓷生产第一大国，占世界总产量的三分之一。山东淄博的陶瓷生产历史悠久，可追溯到春秋时期的齐国，是中国三大陶瓷生产基地之一。陶瓷泥浆是生产陶瓷产品最基本的原料，当前企业的陶瓷泥浆制作工艺比较简单。通常是先将粘土、长石、石英等相关配料用打粘机打碎，然后投入到球磨机中，并按一定比例
8、加入水（配料、球石、水的比例各企业有所不同）1。之后封死球磨机的装料口，电动机带动球磨机旋转，使球石在球磨机内滚动，从而达到研磨配料的目的。研磨一定时间后（各企业的球磨机工作时间不尽相同），放出配料和水混合而成的陶瓷泥浆，将陶瓷泥浆放入泥浆池存放。为了保证陶瓷产品的质量，要求存放的陶瓷泥浆粒度大小要适中2,陶瓷泥浆的粒度要控制在2030 um之间。泥浆粒度过小，延长了泥浆研磨时间，增加了能源的消耗；泥浆粒度过大，抗折强度低，造成较多的半成品破损，加工性能差，待别是双面吃浆产品及立浇座便器等在双面吃浆部位，易造成接触不实，分层而在烧成中出现分层或凸起等现象，同时在绕成过程中，颗粒间接触面少，瓷化
9、不完全，产品吸水率大，易出现风惊、炸裂。因此，陶瓷泥浆的粒度是陶瓷生产企业中比较重要的生产技术指标从而陶瓷泥浆粒度检测成为陶瓷生产的关键技术，这也是本课题研究的主要内容。目前，陶瓷泥浆的粒度检测主要是采用传统的物理筛析法3，要专人检测陶瓷泥浆粒度的大小，具体方法是：(1) 用量杯从泥浆池盛出少量搅拌均匀的泥浆。（2）将坩埚放到天平上，并往坩埚内放入陶瓷泥浆，称量并记录下质量值。（3）将坩埚放到电炉上烘烤，直到坩埚内泥浆中的水分全部蒸发。（4）将坩埚从电炉上拿开，待坩埚稍凉，放到天平上再次称量，并记录下数值。（5）让烘干的粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以
10、质量百分数表示的粒度分布。这样的测量方式非常繁琐，要动用天平、甘锅、酒精灯、泥浆取样勺、纸、笔、计算器等器材，测量一个陶瓷泥浆样本需要经过若干个步骤，整个过程的操作时间需40分钟左右，效率非常低而且精度也不高。为了能快速、方便的测量陶瓷泥浆粒度，需要研制一种新型的检测仪器。依据Mie散射理论4，分析推导出反射总光强强度的积分运算公式，证明采用后向散射方法5测量陶瓷泥浆粒度的可行性。在实验时，双D光纤传感器6的一只光纤将波长是650-700nm的红色光线直接射入陶瓷泥浆，另一只光纤接收来自陶瓷泥浆颗粒的后向散射光线，光纤放大器将光信号转换为电压信号；分别测量配制好的泥浆颗粒粒径在100040um
11、的若干陶瓷泥浆样本，获得一组数据，分析这组数据知道：陶瓷泥浆颗粒粒径在100040um时的数据曲线是非线性的，陶瓷泥浆颗粒粒径在10040um时的数据曲线是线性的。依据这个实验结果，研制了陶瓷泥浆粒度检测设备。本测量设备通过参数的调整可以应用于不同的生产部门中，例如石料厂生产、挖煤生产等过程中。因此，对这一课题进行专门研究具有重要的现实意义。1.2 本课题研究的泥浆粒度测量设备论述设备采用光纤传感器8接收后向散射光，测量设备采用差分输入模式，避免外界环境对接收光的影响；利用光纤放大器将采集的光信号转换成稳定的电压信号；微处理器采用STC89C52实时采集系统信号并使用LCD1602液晶显示，当
12、粒度超过设定值时进行声光报警并自动切断球磨机电源；相关粒度将通过无线收发模块NRF903发给上位机，本设备上位机设在监控室，微处理器也采用STC89C52，并通过串口于PC的LabVIEW界面进行实时显示。本系统还可以扩展进行投料机以及注水机的监控，从而使泥浆粒度稳定、达标。本测量设备体积小、成本低、抗干扰能力强，优势明显，更容易在大中型陶瓷生产企业推广，具有广阔的市场前景。第二章 泥浆粒度测量的组成及方案论证2.1 系统整体设计思路系统整体设计基于光的Mie散射理论，系统主要有光纤放大器模块、信号放大与数据处理电路、MCU电路、LCD1602显示电路、NRF903模块、RS232通信模块、键
13、盘电路、电源电路等部分组成。系统构成框图如图2-1所示： 无线通信LabVIEW界面上位机下位机激光发射接收信号处理电路声光报警液晶显示看门狗电路电源电路部分信号差放电路键盘电路RS232图2-1系统整体框图2.2 系统方案论证2.2.1 系统采用的理论论证 1) 陶瓷泥浆主要组成成份由于我们要对泥浆的粒度进行测量，所以有必要对其主要成份进行说明。（1）粘土，粘土是坯料中的主要来源，是陶瓷产品坯体耐火性能的主要依靠。粘土的可塑性和结合能力，使坯体具有一定的强度，在生产加工过程中避免变形和开裂，同时粘土的颗粒很细，与其它原料形成更合理的颗粒结构。在陶瓷产品烧制过程中，高岭土分解，与SiO2作用生
14、成莫来石晶体，赋予坯体的强度。（2）长石，长石是熔剂原料，能降低陶瓷产品的烧成温度。长石在高温熔融后具有熔解其他物质的能力，能促使高岭土和其它瓷土的颗粒互相扩散，互相渗透，加速莫来石晶体的生长和发育；长石熔成玻璃态后，填充于各晶体颗粒之间，气孔率显著下降，使坯体致密，可提高制品的机械强度和电气特性。（3）石英，石英对泥料的可塑性起调剂作用，并能降低干燥收缩，缩短干燥时间和防止坯体变形。石英在高温中的化学亲和力较强，能与其它多种氧化物化和，高温中的液相粘度较高，增加坯体的结合能力。同时，也能增加坯体的机械强度和白度。2) 光的后向散射理论论述陶瓷泥浆粒度的检测是利用光的散射及光的后向散射7完成的
15、。光的散射是由于介质的光学性质不均匀性造成的，可以看作是反射、折射色散、衍射、共振辐射等作用的综合效果。散射是一种可观测的光与物质的相互作用。通常所看见的物体的光，都是被散射过来的光。由于散射和人们的生活息息相关，人们对于散射的研究也越来越多，越来越深入。目前，前向散射法已被广泛的应用，向后散射法还鲜有报道。本文利用双D光纤传感器作为检测设备，提出了用光后向散射法测量陶瓷泥浆粒度的技术，并理论分析了散射光照与陶瓷泥浆粒度的关系。图2-2是后向散射测量陶瓷泥浆粒度原理图。一束强度为I0的入射光经过双D光纤传感器的输入光纤射入陶瓷泥浆中，陶瓷泥浆颗粒将其散射到各个方向，对于与入射光方向夹角在90-
16、180范围内的这部分散射光被称为后向散射光。假设陶瓷泥浆颗粒是球形的，其直径是，其尺寸参量为。研究证实，颗粒散射光的特性主要取决于尺寸参量。当颗粒尺寸与入射光的波长可以比拟时，散射光的强度由Mie散射理论来描述。目前，陶瓷泥浆颗粒粒径分布范围一般在之间8。选用波长处在同一数量级的红光信号作为检测信号，就可以用Mie散射理论来计算陶瓷泥浆后向散射光强，达到实际陶瓷泥浆粒度测量的目的。根据Mie散射理论，当波长为，强度为的平行光束入射到颗粒粒径为的球形粒子上时，在空间与散射粒子距离为处的散射光强为： (1)式（1）中为单颗粒的散射系数。对于陶瓷泥浆来说，在长达几个甚至十几个小时的球磨机研磨过程后，颗
