單波長積分濁度儀的研制和若干設計問題

江世海戚 俊葉榮輝呂祚坤李 燕郭鳳霞龔大偉李季

（1.中國科學院合肥物質科學研究院應用技術所，合肥 230088；2.中科院合肥技術創新工程院，合肥 231283）

單波長積分濁度儀的研制和若干設計問題

江世海1戚 俊1葉榮輝1呂祚坤1李 燕1郭鳳霞1龔大偉1李季2

（1.中國科學院合肥物質科學研究院應用技術所，合肥 230088；2.中科院合肥技術創新工程院，合肥 231283）

散射系數是大氣氣溶膠光學特性的重要參數之一。濁度儀作為一種氣溶膠散射系數的監測儀器，可以對氣溶膠顆粒物的散射特性進行連續、實時的監測。本研究在充分借鑒國外儀器的設計原理與結構基礎上，結合創新理念與設計，對儀器的光源、除濕單元、信號采集和控制及人機交互等模塊進行重新設計并通過實驗不斷改進，最終實驗數據與對比基準機達到很高的相關性，使得儀器具有了實際使用價值，且實際使用中性能穩定可靠、操作簡便、交互與擴展性強。

氣溶膠 散射系數 積分濁度儀 積分球光源

1 引言

大氣氣溶膠一般是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系。它對氣候變化［1］、云的形成［2］、能見度的改變［3］以及人類健康都有重要影響。因此對大氣氣溶膠研究成為當今氣象行業一個重要的課題。散射特性作為大氣氣溶膠重要的光學性質之一，反映了氣溶膠對輻射傳輸的影響［4］。同時也對氣溶膠粒徑尺度、化學構成、能見度等性質分析有著重要的參考依據，對其進行長期觀測和資料積累有著十分重要的意義［5］。

濁度儀作為一種氣溶膠散射系數的監測儀器，可以對氣溶膠顆粒物的散射特性進行連續、實時監測，在氣象部門業已開展的大氣成分、沙塵暴等觀測業務和科學研究中得到了廣泛使用［6］。從上個世紀50年代第一臺積分式濁度儀誕生的隨后幾十年應用中，濁度儀相關技術不斷成熟，出現了如美國TSI公司的三波長積分濁度儀和澳大利亞ECOTECH公司生產的單波長和三波長積分濁度儀。但是國內國產化儀器一直沒有同類產品，需要采購進口產品。而國外儀器設計上存在有缺陷，如采用的LED陣列光源余弦特性較差，采樣氣體干燥采用電加熱法會破壞氣溶膠本身理化特性從而影響測量準確性等問題。為此，在中國氣象局行業專項的支持下，我們聯合開展了單波長積分濁度儀的國產化研制工作，對光源、氣溶膠除濕、信號檢測與控制及人機交互方面重新設計并在實際使用和監測中不斷進行優化改造。本項目研制的單波長積分濁度儀在長時間監測運行條件下具有性能穩定、機器結構簡單、操作簡便、交互和可操作性強等優點。

2 積分濁度儀的測量原理

積分濁度儀是以物質對光的消光性質和比爾－朗伯定律為基本原理的測量散射系數的儀器［7］。積分濁度儀利用這一原理，通過一個光強穩定為l0的光源對采樣的氣溶膠進行照射，進而產生散射信號進入到光檢測器中。其光學模型如圖1所示。

圖1 積分式濁度儀光學原理圖

當φ角度上的光源存在余弦特性時，可設其光強分布滿足散射函數β（θ）［8］。則探測器前光闌立體角度內接收的光強與單位體積dv上的入射光強密度Pdv有如下關系：

而單位體積上的入射光強密度Pdv為

y和Iθ是由儀器結構決定的常數，因此由光檢測器測得散射光強l可以直接得到散射系數σscat。

3 儀器總體設計

本項目研制的單波長積分濁度儀由光學腔、氣路系統、信號處理與控制系統三部分組成。其總體結構框圖如圖2所示。

光學腔為儀器光學測量的核心區域，為散射信號的測量提供一個相對穩定的測量環境，其內部設計有光源、散射快門、光電探測器等。測量時光源提供照射以產生散射光，再由光電探測器將樣氣在光學腔中形成的錐形區域內散射光進行收集和光電轉換。而散射快門的作用是提供性質穩定的參考光，以便校正由于光源的光強波動和光電倍增管的倍率漂移引起的誤差。

氣路系統作為儀器內氣體循環的通路，由樣氣氣路和校準氣氣路兩部分組成。樣氣氣路提供環境氣體進入儀器內測量的通道，同時完成氣體檢測前的除濕處理準備。標準氣氣路用以完成儀器工作曲線校準的校準氣氣路可根據校準的需求實現零氣和校準氣的工作切換。氣路系統中還設計有氣路流向控制部件（如電磁閥），動力供給部件（如氣泵），溫度、濕度傳感器等。實現氣路運行狀態的控制和檢測。

信號處理與控制系統作為儀器的控制核心，一方面根據工作時序控制相應的功能部件執行動作；另一方面完成對各種測量信號（溫度、濕度、壓力、光強等）的實時采集、處理。觸摸屏作為人機交互的媒介，實現接收操作者調控命令并反饋給微處理器；同時兼顧數據的顯示與儲存，以及與外界通訊的功能。觸摸屏技術的引入使儀器操作更加簡便，極大提升了儀器的人機交互的能力。

圖2 單波長積分濁度儀總體結構框圖

4 若干主要設計問題

在單波長積分濁度儀的整體研制方案中，充分借鑒了國外儀器的設計思路，并結合現代儀器智能化的應用需求，在儀器的光源設計、除濕單元設計、信號采集和控制及人機交互設計等方面提出了新的思路。

4.1 基于積分球的余弦光源設計

根據積分濁度儀的測量原理，照射光源只有在具有余弦特性的情況下，才能滿足測量原理中的計算公式。因此光源余弦特性的好壞直接影響儀器測量的準確性。國外濁度儀的余弦光源通常采用LED陣列來實現。在使用中需要對陣列中每個LED精確調試才能使光源出射光有良好余弦特性，因此使用和維護都較為繁瑣。本設計采用了基于積分球式余弦光源，其結構如圖3所示，內部選擇中心波長為530nm高穩定性大功率漫反射LED燈珠。

積分球外殼支架為金屬材料，腔內固定有球形PTFE漫反射材料。LED燈珠嵌入安裝在積分球側面內部［9］，且有多個安裝位置可供選擇，為實現多波長測量的拓展打下基礎。燈珠從入射光孔發出的光線在球形內壁中經多次反射后均勻的從出射光孔射出，因此避免了LED光源入射角度、空間分布及極化特性對出射光的影響［10］，并且出射光具有良好的余弦特性，實物圖見圖4。

圖3 積分球光源結構示意圖

圖4 積分球實物

為驗證積分球出射光輻射特性，設計了驗證平臺，結構如圖5所示。將積分球固定在光學平臺上，通過在0～π角度范圍內移動固定在連軸支架另一端的探測器［11］，測得積分球不同角度的光強數值并繪制曲線。經實際測試，積分球輻射光源的角度響應曲線如圖6所示。

圖5 積分球光源輻射特性測試平臺示意圖

從測量數據分析可知：在10°～170°范圍內，基于積分球式光源余弦特性測量值與理論值偏差≤9%，在25°～155°范圍內偏差將縮減到3%。而同類型國外儀器的LED陣列光源只有在38°～150°內才能達到≤9%水平且光源偏差分布不均勻。因此，基于積分球式光源的余弦特性，其用于單波長積分濁度儀的優勢明顯。該技術方案不僅保留了LED陣列光源發光效率高、發熱少、壽命好等優點，而且光源的余弦特性有了明顯改善，同時在探測光源波長的拓展上更為便捷，使儀器后期的使用和維護成本大大減少。

圖6 輻射光源的角度響應曲線

4.2 除濕單元設計

懸浮在大氣中的氣溶膠顆粒，其形態、性質無時無刻不在發生著各種變化，而大氣中的水汽就是影響這種變化的最重要因子之一。水汽在氣溶膠顆粒表面上凝結，使得顆粒增大，這種現象被稱為氣溶膠的親水增長［12］。由于氣溶膠顆粒構成組分的親水性質不同，實際大氣中的氣溶膠粒子往往具有不同的親水增長能力，這種親水特性的差異明顯影響著氣溶膠顆粒在大氣環境中特性和行為［13］。一般來說，當相對濕度較大時［14］，可溶性氣溶膠顆粒物的吸濕潮解會導致質量濃度、粒徑以及復折射指數等性質的改變［15］，影響氣溶膠的散射能力和清除速率等。濁度儀作為一種在線實時測量氣溶膠散射系數的監測儀器，在應用中必須加以除濕裝置來消除濕度對散射系數測量造成的影響。而傳統基于電加熱的除濕方法，在除去水分的同時，也破壞了氣溶膠的組分，影響最終的測量結果的真實性與準確性［16］。為此，在除濕方法的設計上，我們設計了基于Nafion材料的膜式過濾器為核心的除濕裝置，利用該材料中磺酸基的親水特性有針對性吸收采樣氣體中水分，同時輔以設計外圍部件，最大程度上保證了氣溶膠組分完整性，且使其達到連續、高效的除濕效果。

除濕裝置及外圍部件如圖7所示。

圖7 Nafion結構及工作示意圖

除濕裝置在使用中需要提供穩定潔凈的吹掃氣源。Nafion除濕效果與內外壁的壓力差、氣體流速、環境溫度等因素有關［17］。吹掃氣的流速一般設定為采樣流速的2～3倍，同時吹掃氣氣壓與采樣氣壓力差≤0.5bar，且比采樣氣氣壓小。對于除濕裝置的除濕效果，我們進行了實際驗證（圖8），在室溫下（24～25℃），當室內濕度維持在60～70%之間時，經Nafion管為核心的除濕裝置除濕后的樣氣相對濕度能迅速降至30%以下，并可穩定在20%以內，除濕效果顯著。

圖8 除濕曲線圖

4.3 信號采集和控制

積分濁度儀電路控制系統的工作流程較為復雜，一方面需要控制光源、電磁閥、氣泵、散射快門等外設的工作過程，另一方面需要根據工作時序多次采集溫度、濕度、壓力、光子計數等信號并進行散射系數的計算。為此我們設計的硬件電路以基于51單片機外加CPLD作為處理器。8051系列單片機性能穩定，外圍器件豐富，在工業控制領域應用廣泛。CPLD用于配合單片機完成對PMT模塊輸出的電平信號進行高速準確計數，同時為數據的讀取提供緩存。另外考慮到未來儀器的升級換代，硬件設計時也為以后擴展成多波段濁度儀留有足夠的資源。

通過適當的外圍擴展，該電路完全能夠滿足儀器控制的需求。且電路結構簡單，性能穩定可靠。其結構示意圖如9所示。

9 基于單片機和CPLD的微處理控制電路原理框圖

其中光電信號檢測是散射系數測量的關鍵。為能夠精確采集到散射產生的弱光電信號，在設計時采用光電倍增管PMT作為光檢測器。光電倍增管（PMT）是一種基于外光電效應、采用二次發射倍增系統的真空探測器。它響應時間短、靈敏度高、噪聲低，能夠輸出適合光子計數用的離散脈沖信號，是一種理想的光子計數探測器［18］。其工作原理為通過甄別弱光電信號的光子流并在激發后輸出自然離散的電信號，因而能從噪聲中有效提取出光信號，相比于傳統弱光電信號檢測中通過搭建級聯放大電路將光信號從噪聲中提取出來的方式具有輸出信噪比高，抗溫漂特性好，電路設計簡單，可靠性高［19］等優勢。設計選擇濱松H7155系列PMT，集成了單光子探測器和單光子計數模塊。其靈敏度高，脈沖信號頻率高，暗電流小，在實際使用中效果理想。

4.4 人機交互設計

為用戶提供一個界面友好的人機交互環境是儀器智能化的一個重要標志，基于便捷的人機交互理念對濁度儀進行液晶觸摸屏操作方式開發，在設計中主要考慮：

（1）人性化界面設計上首先要考慮根據功能內容，訪問查看順序與控制流程等設計主界面和二級界面；其次，將儀器功能打包提供一鍵式操作選項。儀器將根據相關內容自動執行，無需人為干預。例如：儀器校準，實時測量等；在數據顯示上應能將實時監測數據以多種形式進行直觀展現，如數據表格，數據曲線等；

（2）數據端口設計齊全，且進行開放，為儀器的二次開發及功能拓展提供支持；

（3）設計上需滿足監測數據長期、連續存儲的需求，支持利用外部存儲設備（如：SD卡等）進行儀器存儲容量的擴容。

圖10～圖13為觸摸屏部分操作界面圖。

圖10 數據表格界面

圖11 數據曲線界面

圖12 檢查校準參數設置界面

圖13 實時測量界面

此外，考慮到儀器二次開發的需求，且為了使儀器方便室外長時間監測與數據采集記錄，結合串口協議的開放開發了基于GPRS數據模塊的遠程數據傳輸系統。通過該數據模塊可以將不同站點的多臺儀器的數據實時采集觀測，實現了儀器監測數據遠程控制。可滿足對偏遠觀測臺站監測數據實時采集的需求（圖14、圖15）。

圖14 數據傳輸模塊實物

圖15 基于GPRS數據模塊的遠程數據傳輸平臺結構示意圖

5 實驗驗證

為測試儀器數據的準確性，結合當下新型高效光聲光譜分析技術［20］，我們選用美國DMT公司生產的PAX532光聲光譜儀作為實驗比對對象。通過構建實驗環境并24小時連續測試室外環境下真實大氣氣溶膠散射系數，收集數據并整理分析作圖如圖16、圖17。

圖16 單波長積分濁度儀與PAX532數據對比曲線圖

圖17 兩臺儀器之間測試數據相關性

測試結果表明：在不考慮儀器工作時序、標校方法、自身背景噪聲等因素造成測量誤差的情況下，我們研制的單波長積分濁度儀與光聲光譜儀PAX532測得的散射系數隨時間變化趨勢仍具有較高的一致性，相關性達到90%以上。

除此之外，我們還驗證了濁度儀性能的穩定性。搭建實驗測試平臺后，將三臺同型號單波長積分濁度儀同時在線進行24小時連續室外測試后收集數據并整理分析。分析結果表明：我們研制的單波長積分濁度儀多臺儀器之間測得的散射系數具有較好的一致性，兩兩之間相關性均超過90%。數據分析結果如圖18、圖19所示。

圖18 三臺濁度儀室外測試測量數據對比曲線圖

圖19 三臺儀器兩兩之間相關性

從對比測試的結果可以得到結論：本項目研制的單波長濁度儀儀器性能穩定可靠，且測得數據具有較高的準確性。

6 總結

參考國外同類型儀器設計結構基礎與原理，結合多種創新設計，進行了一種單波長積分式濁度儀的研制，開發了新型樣機。通過采用基于積分球的光源設計優化光源余弦性能；通過構建基于Nafion材料的除濕裝置設計，在降低樣氣相對濕度的同時最大程度保證氣溶膠組分的完整性；通過CPLD和PMT結合方式簡化了獲得散射信號難度；通過人性化觸摸屏界面設計使儀器人機交互更便捷。最后通過比對實驗驗證了儀器的穩定性和準確性。目前已將前期研制的單波長積分濁度儀樣機交予中國氣象局作進一步測試。后期將根據反饋的結果作進一步優化，共同推進單波長積分濁度儀業務化使用進程。

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Development of a single wavelength integral nephelometer.

Jiang Shihai1，Qi Jun1，Ye Ronghui1，Lü Zuokun1，Li Yan1，Guo Fengxia1，Gong Dawei1，Li Ji2

（1.Institute of Applied Technology，Hefei Institution of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230088，China；2.Hefei Institute of Technology Innovation，Chinese Academy of Sciences，Hefei 231283，China）

Scattering coefficient is one of the important parameters of atmospheric aerosol optical properties.Nephelometer as a monitoring instrument of aerosol scattering coefficient，can real－time monitor the scattering characteristics of aerosol particulate mattercontinuously.In this paper，on the basis and structure foundation of the foreign instrument，the lightsource，dehumidification unit，signal acquisition and control and human－computer interaction were developed by new design and improved by experiment.The data from the nephelometer and standard instrument highly correlated with each other at last.The developed instrument has stable performance，simple operation，easy communication and expansion in practical application.

aerosol；scattering coefficient；integrating nephelometer；integrating sphere light source

10.3936／j.issn.1001－232x.2015.05.002

2015－04－24

大氣成分觀測業務規范及數據綜合處理系統研究項目（GYHY201206037）資助課題。

江世海，男，1989年出生，助理工程師，學士，主要從事儀器研制。

戚俊男，1971年出生，博士，研究員，研究方向為微機控制與光電檢測，E－mail：jqi＠aiofm.ac.cn。