雙光路粉塵濃度監測系統研究

李霄霄

【摘 要】針對以往測量粉塵濃度時會受實驗者的主觀因素和光源穩定性等影響的缺點，本系統利用激光經粉塵時產生的散射、吸收特性與粉塵尺寸、擴散濃度和周圍環境的特性，達到粉塵濃度監測的目的。系統采用雙光束探測法，把探測及參考光線分別送到兩個光電探測器，比較兩者的輸出信號，得光強變化，用一種做除法的方式完全去掉兩份光束中成比例的誤差，不但消掉了光源波動帶來的誤差，還能消除溫度、晝夜光線改變等成分帶來的影響。

【關鍵詞】粉塵濃度；雙光路；除法比較

中圖分類號： X831 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0090-002

【Abstract】Aiming at the shortcomings that the experimenter's subjective factors and light source stability affect the measurement of dust concentration in the past，this system uses the scattering，absorption characteristics and dust size， diffusion concentration and the characteristics of the surrounding environment when the laser passes the dust，To achieve the purpose of dust concentration monitoring.The system uses double beam detection method， the detection and reference light were sent to two photodetectors，comparing the output signal of the two，the light intensity changes，using a division method to completely remove the two beams in proportion to the error，Not only eliminates the error caused by fluctuations in light sources，but also eliminate the impact of temperature，light changes in day and night and other ingredients.

【Key words】Dust concentration；Dual optical path；Division comparison

0 引言

隨科學技術快速發展，資源過度開采帶來環境污染問題，工業和農業發展帶來了嚴重的粉塵危害。政府過去忽視大氣治理，監管力度、治理水平等方面存在不少漏洞，環境監測工作難以滿足社會發展要求，制約了環境保護事業發展。要想解決粉塵濃度監測范圍的老難題，就要解決系統在線檢測難，測量精密度低，受環境影響大等難題。

全球粉塵污染越來越嚴重，這就對粉塵濃度在線監測提出更細致更嚴厲的要求。例如光電檢測法，運用的光散射理論和透射式測量技術被廣泛應用于分析粉塵濃度。這些均是非接觸式測量，當顆粒粒徑變化較大，實驗儀器的標定條件改變會產生額外誤差，需改進檢測系統，本論文是一種更精確有效的監測粉塵新方法。

1 光散射測量原理

讓一束單色平行光在粉塵中傳播一段距離，因為粉塵自身的散射及吸收特性，出射時必定會衰減，可以由朗伯一比爾光透射定律得到出射光強與入射光強的關系，需要測得入射光和透射光的強度或比值I/I0，假設入射光波長λ，光在粉塵中傳播路程l及粉塵微粒折射率m已經獲得，則顆粒尺寸分布函數N（D）與體積濃度也可求出，再知粉塵密度ρ，則可用體積濃度表示質量濃度。綜上，要取得粉塵的質量濃度，需測出粉塵顆粒濃度改變時的透射光強。

以往將參考和測量光束作減法的差分法不能全部消去光源波動帶來的誤差。若兩束激光的強度不等，但光強波動在兩個通道產生的變化是同比例的，本文采取的是除法比較的方法，可使兩份光束中成比例的誤差信號完全去除。本方法不但能消除光源波動帶來的誤差，對氣溫變化、觀察窗染塵等影響都有很好的消除作用，也使儀器的維護次數極大減少。

2 系統設計及器件的選擇

2.1 系統總體方案設計

采用雙光束探測法，多提供一束參考光，將探測光和參考光送入兩個光電探測器，比較兩者電信號輸出，計算光強的改變值，參考光路對補償大氣環境與探測光路的參數不對稱、溫度改變對精密度影響起到很大作用。一是能作為未衰減光束的參考標準，二是能消去激光器的輸出功率波動產生的實驗誤差。用除法比較法把測量和參考光束中成比例的誤差信號完全除去，不僅消除光源波動產生的誤差，對溫度和環境光線改變帶來的影響都能起到特別好的消除作用。

2.2 儀器選擇

粉塵濃度監測系統的儀器主要包括激光器驅動、半透半反鏡、擴束鏡、透鏡、光電探測器，A/D轉換器等。使用擴束鏡的目的是為擴大經過粉塵區域的光束截面，讓更大區域的濃度信號被收集到，可以測量更低濃度的粉塵，對測量結果準確性有很大提升。

3 實驗步驟

粉塵濃度監測儀器的實驗步驟如下：

1）在監測前標定粉塵濃度測量所需的參數；

2）沒有粉塵時，在兩光電探測器的接收處分別記下測量和參考光束的原光強Im0和IR0；有粉塵的時候，記下測量以及參考光束光強：Im、Ir。比較Ir和Ir0有無不同。

4 實驗測量與分析endprint

假設粉塵顆粒的尺寸分布函數切合羅森—拉姆勒分布，實驗使用的紅光激光器波長為650nm。用光波振幅表示顆粒濃度變化范圍，實驗測得未經過粉塵時光波通過氣室的直路峰值平均值與經過粉塵的近似相等，示波器輸出信號近似為0。當經過粉塵時，光波振幅開始衰減，隨粉塵擴散，光波振幅逐漸下降，突然振幅變大，再到0。應該是因為粉塵散開時，在某一時刻都堆積到氣室口，使振幅有一個大的回升。

實驗后可知入射光強和光波的衰減中有顆粒尺寸濃度信息，實驗可得輸出電壓值，將光強與輸出電壓做成關系曲線，把關系曲線上的典型點做成光強與電壓的對應關系表，用電壓值查表得出光強，再將其代進濃度公式，知入射波長，光程和顆粒折射率，由激光在顆粒中傳播衰減原理得顆粒尺寸分布函數，通過 Mei 散射推出粒子數濃度，即可得到粉塵質量濃度。整個實驗標定有兩部分：顆粒粒徑的標定和濃度的標定。顆粒粒徑的標定可將顆粒粒徑按標準顆粒的粒徑假設，通過測量跟實際數據對比進行反演；濃度標定可用標準濃度作為輸入量，做出輸出光強或電壓曲線，即可得到輸出電壓對應濃度值。此系統預先按最大粉塵濃度為設，當濃度增加，出射光強逐漸減小。當透光率最小，衰減值最大，它所對應的光波振幅也最大。故實驗結果與計算模擬結果吻合，表明該系統能實時顯示物質濃度的變化情況。

5 結論

隨工業農業發展越來越快，解決粉塵濃度的實時監測問題迫在眉睫。本論文通過介紹粉塵濃度測量技術，詳細分析了粉塵濃度測量原理，描述了雙光路光學粉塵顆粒濃度監測法中系數的標定方法，演算出有應用意義的計算公式；分析了測量過程中光源光強波動、溫度變化等影響測量結果的因素，提出一種新的除法思路有效的解決了誤差影響，重新設計了測量光路，對系統測量的準確度有很大提升，并經過試驗也驗證了新思路的準確性。

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