大氣氣溶膠濃度檢測(cè)及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖韶榮，汪 坤，劉 娟

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京210044;2.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司工藝結(jié)構(gòu)研究所，江蘇南京210003)

1 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，大氣環(huán)境污染日益嚴(yán)重，特別是近幾十年來(lái)，由燃燒產(chǎn)生的煙霧和土地開(kāi)墾引起的風(fēng)濁等使大氣中的氣溶膠迅速增加，對(duì)人類(lèi)的健康和生活環(huán)境產(chǎn)生了諸多不利影響。例如氣溶膠影響地氣系統(tǒng)的反射率，改變了大氣輻射的收支情況，可能引起全球性的氣候變化［1］?？梢?jiàn)，無(wú)論是應(yīng)對(duì)氣候變化，還是控制環(huán)境污染，都需要對(duì)大氣中氣溶膠的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)［2-3］。測(cè)量氣溶膠濃度的常用方法有濾膜稱(chēng)重法、壓電振動(dòng)法、光散射法和光透射法［4］。目前，我國(guó)環(huán)保部門(mén)大多使用濾膜稱(chēng)重法測(cè)量氣溶膠濃度，該方法通過(guò)測(cè)量采集一定體積空氣后濾膜重量的變化來(lái)得到空氣中的氣溶膠濃度。這種方法不僅耗時(shí)而且測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，不利于實(shí)時(shí)測(cè)量。

隨著光信息技術(shù)的發(fā)展，光散射法及光透射法測(cè)量氣溶膠濃度得到了很大的發(fā)展。散射法是通過(guò)測(cè)量大氣氣溶膠受光照射后的散射光強(qiáng)度來(lái)測(cè)量其濃度，適合于低濃度氣溶膠測(cè)量。例如美國(guó)SKC公司研制的Epam-5000環(huán)境空氣質(zhì)量檢測(cè)儀，一般在被測(cè)氣溶膠濃度較低時(shí)，才可以得到滿(mǎn)意的測(cè)量效果。透射法是利用光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，氣溶膠對(duì)光的散射和吸收作用使光強(qiáng)發(fā)生衰減的原理來(lái)測(cè)量氣溶膠的濃度，如我國(guó)煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制的BFC-1型便攜式氣溶膠濃度測(cè)量?jī)x。但由于樣品池光程長(zhǎng)度所限，透射法測(cè)量?jī)x器只適合于測(cè)量濃度較高的氣溶膠氣體［5］。雖然這兩種方法都適合實(shí)時(shí)測(cè)量，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控分析中心，實(shí)現(xiàn)環(huán)保監(jiān)測(cè)的在線(xiàn)化及網(wǎng)絡(luò)化［6］，但都只能適合某一種較小濃度分布范圍的情況，擴(kuò)展氣溶膠測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍，才可準(zhǔn)確獲得氣溶膠濃度大小。

本文研制的氣溶膠濃度檢測(cè)裝置采用了光散射法及光透射法，不僅提高了濃度的測(cè)量范圍，而且提高了測(cè)量精度。

2 工作原理

當(dāng)LD光源發(fā)出強(qiáng)度為I0的光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，由于氣體中氣溶膠的吸收和散射作用，使穿過(guò)氣體的透射光強(qiáng)度下降到IT，由朗伯-比耳定律(Lambert-Beer Law)得透射光強(qiáng)度IT為：

其中：τ為衰減系數(shù)，L為光程。

氣溶膠粒子的直徑多在0.01～10 μm，由氣溶膠散射原理可知，散射光強(qiáng)IS為：

式中：K為微粒個(gè)數(shù)，與濃度成正比;ε為與散射函數(shù)有關(guān)的系數(shù);l為散射光程。

由此可得散射光強(qiáng)與透射光強(qiáng)比為：

但是，由于不同的光電二極管的檢測(cè)靈敏度不同，設(shè)兩光電管的檢測(cè)靈敏度為S1及S2，則式(3)改寫(xiě)為：

由此可見(jiàn)，與透射法相比，傳統(tǒng)的單光束散射雖然能消除光源不穩(wěn)定所帶來(lái)的影響，但卻無(wú)法消除光電二極管檢測(cè)靈敏度不同所帶來(lái)的誤差，因此只有在兩探測(cè)器的檢測(cè)靈敏度相同時(shí)上述方法才能奏效。

本設(shè)計(jì)采用雙探測(cè)器四光束測(cè)量，LD發(fā)出的光經(jīng)半透半反鏡后，分成兩束光，遮光板周期性地遮住其中一束光，光電二極管周期性地檢測(cè)未經(jīng)遮掩的光所經(jīng)過(guò)氣體的透射光及散射光。

如圖1所示，該系統(tǒng)通過(guò)周期性控制遮板1和遮板2的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的控制。當(dāng)工作于方式1時(shí)，遮板2起作用，遮住經(jīng)分光鏡作用下的透射光，經(jīng)分光鏡作用下的反射光能順利進(jìn)入待測(cè)氣體，此時(shí)檢測(cè)器1測(cè)量透射光，檢測(cè)器2測(cè)量散射光強(qiáng);當(dāng)工作于方式2時(shí)，遮板1起作用，遮住經(jīng)分光鏡作用下的反射光，經(jīng)分光鏡作用下的透射光能順利進(jìn)入待測(cè)氣體，此時(shí)檢測(cè)器1測(cè)量散射光，檢測(cè)器2測(cè)量透射光。由于被測(cè)氣體置于規(guī)則的圓柱體測(cè)量裝置中，所以?xún)煞N方式下的透射光光程及散射光光程相等。

圖1 光路設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of optical path

設(shè)I1、I2為方式1下測(cè)得的透射光強(qiáng)及散射光強(qiáng)，I3、I4為方式2下測(cè)得的透射光強(qiáng)及散射光強(qiáng)，有：

由式(5)～(8)可得：

由此可見(jiàn)，系統(tǒng)能消除LD光源不穩(wěn)定和光電檢測(cè)靈敏度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高測(cè)量精度。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 LD驅(qū)動(dòng)電路

硬件系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)模塊、電源模塊、LD驅(qū)動(dòng)及溫控模塊、光電檢測(cè)及信號(hào)處理模塊及LCD顯示模塊組成。

激光器的驅(qū)動(dòng)電路采用射極偏置電路，如圖2所示，它是交流放大電路中最常見(jiàn)的一種基本電路。在該電路中，C1接MSP430單片機(jī)，由單片機(jī)輸出頻率為1 000 Hz的矩形脈沖，經(jīng)C1輸入至驅(qū)動(dòng)電路，由于R4的反饋控制，使IC基本穩(wěn)定，有較為穩(wěn)定的工作點(diǎn)。實(shí)際電路參數(shù)設(shè)定為：C1=47 μF，R1=15 kΩ，R2=60 Ω，R3=18 kΩ，R4=100 Ω。

圖2 LD驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Diagram of LD driving circuit

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

(1)當(dāng)在脈沖信號(hào)下工作時(shí)，LD的脈沖電流必須完全處于LD的閾值電流之上。

(2)電路的最大電流不應(yīng)超過(guò)LD所能承受的最大電流值。

3.2 LD溫控電路

圖3為激光器溫控電路，采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集元件，測(cè)量溫度為-55～125℃，測(cè)溫精度可達(dá)0.1℃，工作電壓為3～5 V/DC。溫度控制器件選用的是半導(dǎo)體制冷器(TEC)，是利用半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)制成的。

圖3 溫控電路Fig.3 Diagram of temperature control circuit

由DS18B20采集半導(dǎo)體激光管的溫度，并將數(shù)據(jù)送入MSP430單片機(jī)，與單片機(jī)內(nèi)程序設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，若溫度高于設(shè)定溫度，則單片機(jī)P1.0口將輸出高電平，其高于RL上設(shè)定好的電壓，LM258輸出高電平，達(dá)林頓管Q1導(dǎo)通，TEC與半導(dǎo)體激光管貼近的一面開(kāi)始吸熱，使半導(dǎo)體激光管管內(nèi)溫度降低;當(dāng)溫度傳感器接收到的溫度低于程序設(shè)定溫度，P1.0口輸出低電平，LM258輸出低電平，達(dá)林頓管Q2導(dǎo)通，TEC開(kāi)始加熱，使半導(dǎo)體激光管管內(nèi)溫度升高。

需要注意的是：TEC夾在LD與散熱片之間，二者皆與TEC有良好的熱傳遞，但二者之間不得有任何形式熱傳遞，否則會(huì)因熱量回流使效率降低。

3.3 光電信號(hào)檢測(cè)電路

光電檢測(cè)電路中包括PIN光電二極管和一個(gè)前置放大器。光電二極管可以產(chǎn)生與照度成正比的小電流，在經(jīng)過(guò)電流-電壓轉(zhuǎn)換后，能夠?qū)⒐怆娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。系統(tǒng)選用了低功耗低噪聲集成運(yùn)放OP07，它是一種高精度單片運(yùn)算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07的優(yōu)良特性使它特別適合作為前級(jí)放大器來(lái)放大微弱信號(hào)［7］。如圖4所示，前置放大器的輸出電壓在1.0 V以下時(shí)，運(yùn)算放大器工作在良好的線(xiàn)性區(qū)。為防止自激振蕩，在反饋電阻上并聯(lián)電容Cf，取Cf=47 pF。

圖4 前置放大電路Fig.4 Diagram of pre-amplifier circuit

3.4 有源濾波電路

考慮雜散光的影響，光電系統(tǒng)采用濾波器從范圍較寬的信號(hào)中選出所需頻率范圍的信號(hào)。由于系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)LD時(shí)已經(jīng)對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行了調(diào)制，調(diào)制頻率為 1 000 Hz，因此，采用中心頻率為1 000 Hz的窄帶濾波器來(lái)有效地去除噪聲，得到可用的光強(qiáng)信號(hào)。圖5所示有源濾波電路用于實(shí)現(xiàn)帶通濾波。

圖5 有源濾波電路Fig.5 Diagram of active filter circuit

根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)，考慮運(yùn)算放大器外接電阻的平衡條件，選定濾波器元件參數(shù)值分別為R1=160 kΩ，R2=12 kΩ，R3=22 kΩ，R4=R5=47 kΩ，電容C1=C2=10 nF，增益約為 2。

3.5 真值轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理

信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，輸出1 000 Hz左右的正弦波信號(hào)，其真有效值即為對(duì)應(yīng)的檢測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度。為了便于單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將此正弦波信號(hào)作真值轉(zhuǎn)換。AD736是經(jīng)過(guò)激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器，其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好(滿(mǎn)量程為200 mV)、測(cè)量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低(最大電源工作電流為200 μA)，用它來(lái)測(cè)量正弦波電壓的綜合誤差不超過(guò) ±0.3%［8］。

從AD736真有效值轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)最大只有200 mV，對(duì)于后續(xù)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的基準(zhǔn)電壓來(lái)說(shuō)比較小，如果直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并利用軟件算法作運(yùn)算，會(huì)使動(dòng)態(tài)范圍比較小，精度不高，同時(shí)也不能體現(xiàn)出后面采用12 bit A/D轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)勢(shì)。所以，設(shè)計(jì)時(shí)在AD736真有效值轉(zhuǎn)換后加了一級(jí)放大電路。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的MSP430F149微處理器，它是一種16 bit超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)，由于它具有精簡(jiǎn)的指令集，使得程序開(kāi)發(fā)和移植簡(jiǎn)單快捷［9］。該單片機(jī)內(nèi)部裝有12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，可滿(mǎn)足系統(tǒng)的精度要求，無(wú)需再另外設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路，并且它可以直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與誤差分析

采用蘇州華宇公司生產(chǎn)的氣溶膠發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量氣溶膠濃度，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行10次以上的測(cè)量，當(dāng)氣溶膠氣體濃度成倍數(shù)上升時(shí)，運(yùn)用MSP430F149處理芯片，通過(guò)周期性測(cè)量方式1及方式2兩種情況下的散射光及透射光，運(yùn)用式(9)進(jìn)行運(yùn)算，可得圖6所示曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)具有較好的線(xiàn)性，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)出的氣溶膠氣體濃度由1倍慢慢向6倍上升時(shí)，相應(yīng)的散射透射比值也以直線(xiàn)的規(guī)律上升，且符合得較好。

圖6 線(xiàn)性回歸圖Fig.6 Diagram of linear regression

考慮函數(shù)Y=aX+b，記Ei=Yi-(aXi+B)，它反映了用直線(xiàn)Y=aX+b來(lái)描述X=Xi及Y=Yi時(shí)，計(jì)算值Y與實(shí)際值Yi的偏差，要求偏差越小越好。根據(jù)測(cè)試結(jié)果采用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，回歸方程為Y=0.017 7X+0.037 5，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2為0.976 5。

本測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差主要為背景光影響、光吸收誤差、光電管誤差、電子元器件誤差、ADC采樣誤差等。

對(duì)于光吸收誤差，由于空氣中的水蒸氣能吸收部分光強(qiáng)，且其占測(cè)量氣體的濃度越大對(duì)測(cè)量結(jié)果影響越大，但由于測(cè)量光程較短，所以該誤差可以忽略;干擾光主要包括自然光及人工光，一般以背景光的形式出現(xiàn)，也可能包括緩慢變化的脈沖信號(hào)，對(duì)于這些干擾光，系統(tǒng)中有源濾波電路能有效濾除干擾光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此外，利用激光波長(zhǎng)為定值的特點(diǎn)，使用截止濾光片及窄帶干涉濾光片濾光也能起到很好的效果［10］;測(cè)量系統(tǒng)采用直流電源供電，要消除由電源帶入及由器件間的連線(xiàn)所產(chǎn)生的電干擾，可以通過(guò)在電路中增加旁路電容及去耦電容來(lái)實(shí)現(xiàn);由于系統(tǒng)是雙光路測(cè)量，理論上兩條電路上的各參數(shù)應(yīng)該完全一致，但在實(shí)際應(yīng)用中很難保證電子器件完全一致，這會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響，為盡量減小這種誤差，測(cè)量系統(tǒng)中需選用高精度的電阻、電容;光電二極管在輸入光強(qiáng)為零時(shí)也有輸出電流，即存在零點(diǎn)電壓，通過(guò)增加零點(diǎn)補(bǔ)償電路可以去除干擾;對(duì)于AD轉(zhuǎn)換誤差，系統(tǒng)選用430單片機(jī)內(nèi)部的12 bit ADC模塊，其分辨率為滿(mǎn)量程的0.0245%，所以本測(cè)量系統(tǒng)能夠分辨的輸入電壓變化的最小值約為0.6 mV。

由此可見(jiàn)，該測(cè)量裝置能很大程度地消除光源老化不穩(wěn)定及探測(cè)器靈敏度不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

本文提出了雙通道交替探測(cè)透射和散射的氣溶膠濃度檢測(cè)裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)，能有效消除光源老化及探測(cè)器靈敏度不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠濃度實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果的線(xiàn)性度較好，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.976 5。采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)進(jìn)行脈沖發(fā)生、溫度控制、AD采樣、數(shù)據(jù)處理及顯示，能使測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于將此裝置智能化與微型化。

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