基于激光差分探測技術(shù)的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法

侯宏錄　崔凱　陳海濱　劉凱

摘要：提出了一種基于激光差分探測技術(shù)的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法，用于測量煙霧、粉塵等空氣懸浮顆粒的含量。利用懸浮顆粒對光的散射，可以在不影響懸浮物顆粒特性的前提下，對其實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。另外，借助于參考光與測試光的直接差分放大，可以消除激光能量起伏以及其他擾動對測量的干擾。通過對激光在懸浮物顆粒中傳播時衰減原理的研究，獲取懸浮物顆粒質(zhì)量濃度與光強衰減的關(guān)系，搭建了一套激光差分探測懸浮物質(zhì)量濃度的實驗系統(tǒng)，進行煙霧質(zhì)量濃度的實際測量，驗證了該測量方法的可行性。

關(guān)鍵詞：懸浮物； 差分探測； 光散射

中圖分類號： TN 249 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.004

Abstract：A method based on laser difference detection for measuring suspended matter concentration is introduced in the paper. It can be used for the concentration measurement of suspended particles such as smog， dust and other aerosols. Based on the light scattering effect of the suspended particles， realtime monitoring of the suspended particles without changing their properties can be achieved. By means of a direct amplification of the differential signal of the test and reference light， fluctuations of the laser energy can be reduced. The measuring principles and methods are presented in detail. Through the study of the light decaying mechanism during laser propagating in the suspended particles， the relationship between the suspended matter concentration and light intensity attenuation is deduced. We also build a laser differential detection system for the measurement of the suspended matter concentration. By measuring the smog of known concentration， practical feasibility of the measurement method is verified.

Keywords： suspended matter； difference detection； light scattering

引 言

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，大氣中懸浮物的污染越來越嚴重，極度危害著大氣環(huán)境質(zhì)量和人類健康。因此，懸浮物質(zhì)量濃度的測量在環(huán)境保護、工業(yè)生產(chǎn)和科學研究等領(lǐng)域有著十分重要的意義[1]。

目前，國內(nèi)外對于粉塵質(zhì)量濃度檢測技術(shù)的研究越來越重視，經(jīng)過對懸浮物質(zhì)量濃度檢測技術(shù)的多年研究，可將其質(zhì)量濃度的檢測方法分為兩大類：非光學分析法和光學分析法。其中非光學分析法主要有黑度法、超聲波技術(shù)、氣敏法、熱催化法等；光學分析法主要有光干涉法、差分吸收光譜技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)和拉曼散射激光雷達技術(shù)等[2]。非光學分析法已經(jīng)在這一領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于檢測設(shè)備響應(yīng)速度慢，處理復雜，難于對懸浮物濃度進行實時監(jiān)測，也無法進行遙感監(jiān)測，其應(yīng)用范圍受到限制。

相比較于非光學分析法，基于光學分析的氣體濃度檢測技術(shù)具有探測靈敏度高、選擇性強、可探測的氣體種類多、響應(yīng)速度快等特點，適合現(xiàn)場實時監(jiān)測，成本較低，必將成為未來懸浮物質(zhì)量濃度檢測的理想工具。光干涉法是利用光的折射率與被測氣體的含量來檢測氣體體積分數(shù)，測量環(huán)境，如溫度、濕度、壓力等會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。差分吸收光譜技術(shù)是根據(jù)大氣中衡量氣體成分在紫外和可見光譜波段的特征吸收性質(zhì)來反演其種類和質(zhì)量濃度[34]。差分技術(shù)可消除大氣湍流對信號的影響，不同污染物之間的干擾和濕度、氣溶膠的干擾，能夠滿足連續(xù)監(jiān)測的要求，但是該方法要根據(jù)吸收光譜的變化快慢對光譜進行分解，只適用于具有窄帶吸收結(jié)構(gòu)的氣體，對不同的氣體監(jiān)測需要安裝不同的光程和接收裝置，操作過于復雜[5]?？烧{(diào)諧激光二極管激光吸收光譜技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種高靈敏、高分辨率的大氣衡量氣體吸收光譜檢測技術(shù)，但是該方法調(diào)諧范圍有限，限制了可探測的氣體種類。拉曼散射激光雷達是根據(jù)激光拉曼散射光頻率相對于入射光頻率發(fā)生變化，產(chǎn)生拉曼頻移，其頻移量取決于大氣中的氣體成分而實現(xiàn)測量的，該方法的檢測精度、線性度和信噪比還有待進一步提高。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對懸浮物的實時探測，使相對誤差控制在15%之內(nèi)，根據(jù)懸浮物顆粒對光的散射信息來測量散射顆粒的質(zhì)量濃度、大小及尺寸分布情況[67]，提出一種基于激光差分探測的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法，采用光散射的方法進行差分檢測，將單光源分為雙光路既可消除檢測時光強等的干擾，又避免了使用雙光源檢測而引入的差異，同時考慮在適當?shù)纳⑸淠Ｐ椭懈淖兗す忸l率大小來觀察測試結(jié)果的變化，以改善對懸浮物質(zhì)量濃度的測量精度。

2 激光差分懸浮顆粒質(zhì)量濃度探測系統(tǒng)與差分探測電路設(shè)計

根據(jù)激光在懸浮物顆粒中傳播的散射原理，當光通過不均勻介質(zhì)以后，光強要發(fā)生衰減。當一束單色平行光照射到懸浮物顆粒中并傳播一定長度的距離時，由于微粒的散射作用，出射光強會有一定程度的衰減，由朗伯-比爾（LambertBeer）光透射定律可得到出射光強與入射光強的關(guān)系。

系統(tǒng)總體方案如圖2所示，采用雙光路差分探測方法。該懸浮物濃度檢測系統(tǒng)包括光源穩(wěn)定控制模塊、半導體激光器、λ/2波片、偏振分束器、反光鏡、光電差分探測器、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機等。除探測光光路暴露于測試環(huán)境之中，整個懸浮物質(zhì)量濃度檢測裝置位于一個密閉腔體之內(nèi)。半導體激光器用于產(chǎn)生功率穩(wěn)定的線偏振激光輸出。λ/2波片用于調(diào)整激光的偏振方向，使之以適當?shù)钠窠侨肷涞狡穹质魃?。偏振分束器將偏振光分為兩偏振方向相互垂直的線偏振激光，配合λ/2波片，可以得到功率完全相等的兩束激光。一束激光作為參考光送入差分探測器的一個光電傳感器上，另一束光作為探測光經(jīng)過待測環(huán)境中的懸浮物后照射到差分探測器的另一個光電傳感器上[910]。

探測光光強經(jīng)過測試環(huán)境中的懸浮物時會發(fā)生衰減，與未經(jīng)過測試環(huán)境的參考光光強產(chǎn)生差分信號。光電差分探測器接收到這兩路光信號后輸出相應(yīng)電壓信號，經(jīng)過放大、濾波、采樣后，獲得懸浮物質(zhì)量濃度的觀測數(shù)據(jù)。

在物質(zhì)擴散之前，首先對大氣環(huán)境進行測量，通過調(diào)節(jié)半波片使差分探測器輸出信號為零。再在此基礎(chǔ)上將待測物質(zhì)釋放并進行測量，從而可以獲得懸浮物的實際質(zhì)量濃度。

參考光路的作用是補償大氣環(huán)境與探測光路參數(shù)不對稱、溫度變化對測量精度的影響。一方面用來作為未衰減光束的參考標準，另一方面可以消除激光器輸出功率波動造成的測量誤差。

圖3所示的是三運放高共模抑制比光電差分放大電路，經(jīng)過此電路可將光電轉(zhuǎn)換后得到的兩路電壓信號進行差分放大，使其達到可檢測范圍。它由五個集成運算放大器組成，其中AR21、AR22為性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入的通用集成運放器，構(gòu)成平衡對稱差動放大輸入級，AR23構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制AR21、AR22的共模信號。由于該電路具有高共模抑制比，所以差分電路對溫漂具有很強的抑制能力，測量結(jié)果準確度較高。電路中光電二極管輸出電流約為幾毫安，為了便于觀測，將光電差分放大電路的放大倍數(shù)設(shè)定為500倍，其中光電轉(zhuǎn)換模塊放大50倍，差分放大模塊放大10倍。

由于激光器脈寬可調(diào)，實驗中所采用的調(diào)制頻率為100 Hz，即激光信號脈沖寬度最小為10 ms，由式（6）可得放大電路帶寬應(yīng)大于89 Hz。光電轉(zhuǎn)換電路中AR21、AR22單位增益帶寬為1.6 MHz，為了獲得50倍的閉環(huán)增益，則運放在理論上可處理矩形脈沖信號的最大頻率為1.6 MHz/50=32 kHz。又由于差分放大模塊中AR23增益帶寬為0.5 MHz，因此放大電路的設(shè)計滿足帶寬限制。

當AR21、AR22性能一致時，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓相關(guān)，而其共模輸出、失調(diào)及漂移均在R205兩端相互抵消，因此電路具有良好的共模抑制能力，同時不要求外部電阻匹配。為了消除AR21、AR22偏置電流等的影響，通常取R201=R2011。另外，本電路還具有增益調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)R205可以改變增益而不影響電路的對稱性。通過Multisim對光電差分放大電路進行仿真，仿真結(jié)果如圖4～6所示。

由仿真結(jié)果可知V1out處電壓脈沖值為76.6 mV，V2out處電壓脈沖值為153.1 mV，經(jīng)過差分放大后輸出電壓脈沖值為1.515 V，則認為光電差分放大電路可實現(xiàn)對差分光路的探測。

3 激光器調(diào)制頻率和探測波長選擇

3.1 激光調(diào)制頻率選擇

為了便于在示波器中觀測并有利于后續(xù)電路處理，對半導體激光器的頻率進行調(diào)制，使其輸出方波信號，即利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號去改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變其輸出特性。

在待測懸浮物顆粒質(zhì)量濃度一定的情況下，隨著激光光源調(diào)制頻率的變化，會引起光信號接收裝置（光電差分探測器）接收到的光信號改變，從而使光電差分探測器輸出的電壓信號發(fā)生變化。為了得到理想的探測信號，在實驗之前，首先需要確定激光光源的調(diào)制頻率。分析激光光源頻率與光電差分探測器輸出信號之間關(guān)系時，將探測光完全遮擋，通過改變激光光源的輸出頻率，得到光電差分探測器電壓輸出信號與頻率的關(guān)系如圖7所示。

由圖可知，隨著激光光源頻率的升高，光電差分探測器輸出信號會逐漸降低，在0～50 kHz范圍內(nèi)輸出信號與光源頻率呈線性關(guān)系，當激光頻率達到50 kHz或者更大時，光電差分探測器輸出的電信號發(fā)生驟降，因此50 kHz認為是探測器所能檢測到激光信號的截止頻率。最終實驗中選擇調(diào)制頻率為100 Hz。

3.2 最佳探測波長選取

圖8為BPX65光電二極管光譜響應(yīng)曲線。BPX65作為光電探測器，具有光譜靈敏度高，響應(yīng)速度快，頻響范圍寬的特點。為了獲得較高的檢測靈敏度，提高檢測精度，分別針對405 nm、658 nm、780 nm這三種波長的可調(diào)制半導體激光器輸出光通過物質(zhì)后的散射特性做了測試。由于在絕大多數(shù)情況下，實驗產(chǎn)生煙霧粒度成分及大小與實際測量時的煙霧顆粒成分及大小都是不相同的。不過一些典型應(yīng)用場合下的煙霧顆粒成分及大小都會表現(xiàn)出共同的特征，因此可針對這些典型應(yīng)用場合，分別進行標定，并將標定結(jié)果預置于測量電路之中。實驗時選擇對粒徑為0.1～2 μm的煙霧粒子進行標定，經(jīng)過后續(xù)檢測可得出激光通過煙霧后所顯現(xiàn)的共同特征。測試中物質(zhì)的標準質(zhì)量濃度由質(zhì)量濃度標定儀給出。標定儀測量范圍為0～500 mg/m3，測量精度為±1%。經(jīng)過對煙霧質(zhì)量濃度檢測，分別得到了輸出電壓隨質(zhì)量濃度變化的關(guān)系，并對測試結(jié)果做了非線性擬合，如圖9所示。

4 實驗測量與分析

比較標定后激光差分探測系統(tǒng)的輸出結(jié)果與標定儀器的輸出結(jié)果，如圖11所示，可以看到在較小質(zhì)量濃度條件下，兩曲線有明顯偏離，而標準濃度超過6.95 mg/m3后，實測值與參考值非常接近。對于較小質(zhì)量濃度條件下的偏離，應(yīng)是較稀薄質(zhì)量濃度與較高質(zhì)量濃度對激光的不同散射規(guī)律所致。

其中，實線對應(yīng)激光差分探測系統(tǒng)標定后的實測擬合結(jié)果，圓點對應(yīng)標定儀器的結(jié)果以作參考。標準質(zhì)量濃度超過6.95 mg/m3之后，激光差分探測系統(tǒng)輸出相對于標定探測儀器輸出的相對誤差，如圖12所示。

由實驗結(jié)果可知，將粉塵儀測得的質(zhì)量濃度值作為標準值，由光電差分探測器輸出信號計算得到的質(zhì)量濃度值作為實際測量值，實測質(zhì)量濃度值與標準質(zhì)量濃度值的相對誤差可維持在12%之內(nèi)。

因此，經(jīng)過標定之后，激光差分探測系統(tǒng)可以對超過30 mg/m3的較高質(zhì)量濃度的煙霧類氣溶膠懸浮物實現(xiàn)相對誤差在12%以內(nèi)的質(zhì)量濃度測量。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于激光差分探測技術(shù)的懸浮物質(zhì)量濃度測量方法。通過對激光在懸浮物顆粒中傳播時衰減原理的研究，獲取了懸浮物顆粒質(zhì)量濃度與光強衰減的關(guān)系，激光光源頻率與響應(yīng)度的關(guān)系以及激光器波長與探測器響應(yīng)度的關(guān)系。通過標準氣溶膠質(zhì)量濃度測試儀對系統(tǒng)進行了標定，并以人工方式產(chǎn)生煙霧為實驗媒質(zhì)使用該系統(tǒng)進行懸浮物質(zhì)量濃度測量，對超過30 mg/m3的較高質(zhì)量濃度的煙霧類氣溶膠懸浮物實現(xiàn)了相對誤差在12%以內(nèi)的質(zhì)量濃度測量。經(jīng)過適當?shù)母倪M，該測量系統(tǒng)可用于煙霧、粉塵等空氣懸浮顆粒含量的實時測量。

參考文獻：

[1]鄭龍江，李鵬，秦瑞峰，等.氣體濃度檢測光學技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].激光與光電子學進展，2008，45（8）：2432.

[2]江福椿，朱昌平，林善明，等.氣體濃度檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].河海大學常州分校學報，2004，18（1）：1619.

[3]張學典，黃顯，徐可欣.差分吸收光譜反演方法在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的研究[J].光譜學與光譜分析，2007，27（11）：2 3672 370.

[4]司福祺，劉建國，謝品華，等.差分吸收光譜技術(shù)在氣溶膠監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].大氣與環(huán)境光學學報，2007，2（2）：131135.

[5]李素文，謝品華，李玉金，等.基于小波變換的差分吸收光譜數(shù)據(jù)處理方法[J].光學學報，2006，26（11）：1 6011 604.

[6]趙占龍.透射式光學粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)研究及應(yīng)用[D].石家莊：河北大學，2004.

[7]王自亮.粉塵濃度傳感器的研制和應(yīng)用[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2006，32（4）：2427.

[8]王自亮，趙恩標，呂銀莊，等.粉塵濃度光散射測量影響因素的分析[J].煤炭學報，2007，32（6）：604607.

[9]江曉軍.光電傳感與檢測技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：23.

[10]劉文清，崔志成，劉建國，等.空氣質(zhì)量監(jiān)測的高靈敏差分吸收光譜學技術(shù)[J].光學技術(shù)，2005，31（2）：288291.

（編輯：張 磊）