基于光散射與透射原理的粉塵濃度測量方法研究*

張珊珊　雷志勇

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710032)

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基于光散射與透射原理的粉塵濃度測量方法研究*

張珊珊雷志勇

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710032)

摘要為了進(jìn)一步改善測量大氣粉塵濃度的方法，論文研究了基于光散射與透射原理為基礎(chǔ)的大氣粉塵濃度測量方法。首先對光在粉塵環(huán)境中的傳播特性進(jìn)行了分析與討論，在此基礎(chǔ)之上，深入研究了粉塵微粒對光的散射與透射作用，得出了散射角度對光散射的影響。為了便于展開實(shí)踐研究，該文采用菲涅爾透鏡，將光源變?yōu)槠叫泄庠?，以便更高精度地?shí)現(xiàn)對于測量區(qū)域粉塵的濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明，該文采用的方法能夠?qū)崿F(xiàn)對粉塵的高精度檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析基本一致。

關(guān)鍵詞檢測; 粉塵濃度; 光散射; 光透射

Atmosphere Dust Detection Based on Light Scattering and Transmission

ZHANG ShanshanLEI Zhiyong

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710032)

AbstractIn order to detect dust concentration in the atmosphere and industrial production, a light transmission combined with a light scattering detection method is proposed in this paper. A light transmission and scattering in the dust environment is analysed and discussed. The scattering and transmission effect of dust particles on light is studied, and the effect of scattering angle on the light scattering is obtained. The Fresnel-lens used to convert point light into parallel light, and can realize the detection of the dust concentration in a large area. The experiment results show that the method can achieve high accuracy detection of dust.And the experimental results are in accord with the theoretical analysis.

Key Wordsdetection, dust concentration, light transmission, light scattering

Class NumberTP393

1引言

隨著工業(yè)的發(fā)展，空氣中粉塵的污染越來越嚴(yán)重。由于空氣中的粉塵不但嚴(yán)重危害著人體健康,而且在某些場合粉塵濃度過高潛伏著粉塵爆炸的危險,所以粉塵濃度的檢測非常重要。目前國內(nèi)外測量的粉塵濃度的方法多種多樣，測量方法大致可以分為兩類：一種是先沉淀粉塵后測量的取樣法，就是從待測區(qū)域中取出一部分具有代表性的含粉塵顆粒的樣品并且送入之后的分析測量裝置系統(tǒng)來測量粉塵顆粒濃度與粒徑的方法。另一種是非取樣法，就是在測量過程中不需要預(yù)先取樣，利用粉塵顆粒的電氣、光學(xué)、聲學(xué)等物理特性直接進(jìn)行濃度的測量[1]。光透射法測量粉塵濃度是目前運(yùn)用比較多的測量方式，根據(jù)消光作用，通過光信號的衰減程度測量粉塵濃度[2]。常用的光測法為光透射法測量粉塵濃度，常用點(diǎn)激光作為光源，測量范圍小，若要測量大面積粉塵濃度需多點(diǎn)測量，且透射法測量粉塵濃度測量范圍有限。本文提出一種光透射法和光散射法相結(jié)合的非取樣粉塵濃度測量方法。利用菲涅爾透鏡，將光轉(zhuǎn)換成平行光經(jīng)待測區(qū)域的粉塵作用，通過測量透射光及不同角度的散射光反映待測區(qū)域的粉塵濃度。

2光透射和光散射結(jié)合的測量方法

2.1測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文通過光透射法與光散射法結(jié)合，更準(zhǔn)確地測量粉塵濃度。圖1為光遇到粉塵顆粒的示意圖：當(dāng)光通過不均勻媒質(zhì)時,光的一部分被介質(zhì)散射,偏離了原來的傳播方向,剩下的一部分被介質(zhì)吸收,光仍按原來的傳播方向通過介質(zhì)。

圖1　粉塵測量原理圖

2.2粉塵濃度檢測模塊設(shè)計

2.2.1光透射法粉塵濃度檢測模塊設(shè)計

根據(jù)Lambert Beer光透射定律，當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的單色平行光照射到粉塵顆粒時,由于塵粒的散射和吸收作用，出射光強(qiáng)會有一定程度的衰減。單一粒徑塵粒出射光強(qiáng)I與入射光強(qiáng)I0之間有如下關(guān)系[3]:

式中D表示粉塵粒徑；Nv表示粉塵的粒子數(shù)濃度；K是消光系數(shù)，它與粉塵的粒徑，入射光波長和介質(zhì)折射率有關(guān)；L是待測粉塵區(qū)厚度。仿真如圖2所示。

圖2　透射光與粒子數(shù)濃度仿真圖

可以看出，出射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)符合底數(shù)為e的指數(shù)函數(shù)。在粉塵粒徑均勻，入射光強(qiáng)與待測粉塵厚度一定的情況下，隨著粉塵濃度的增大出射光強(qiáng)越來越弱。當(dāng)粉塵濃度大于一定值隨著粉塵濃度的增加光信號的衰減非常慢。所以，在粉塵濃度過大的情況下，透射法并不能精確地檢測出粉塵濃度。所以可以借助散射光強(qiáng)反應(yīng)粉塵濃度值。

本文利用LED作為光源，光源發(fā)出的光經(jīng)過第一面菲涅爾透鏡后以平行光的形式射入待測粉塵區(qū)域，光遇到粉塵后一部分按原來的傳播方向通過第二面菲涅爾透鏡將經(jīng)過粉塵作用的透射光匯聚到光電探測器上。光源與探測器分別放在兩面菲涅爾透鏡的焦距處。采用這種方法可以增大測量面積，改善粉塵濃度過低時透射光信號變化微弱不易測到的問題。

2.2.2光散射法粉塵濃度檢測模塊設(shè)計

粉塵對光的散射本質(zhì)是一個多次散射的過程，研究清楚單次散射的性質(zhì)和特征是進(jìn)行多次散射計算的基礎(chǔ)[4]。

當(dāng)光強(qiáng)為I0,在顆粒周圍介質(zhì)中波長為λ的自然光平行入射到一半徑為γ的各向同性球形顆粒上時,在散射角為θ,距離散射體r處的散射光強(qiáng)為

式中：V為粉塵待測區(qū)域，nr(D)為粒子群的歸一化頻數(shù)分布函數(shù)。其中：i1、i2為強(qiáng)度函數(shù)。

i1=S1(m,θ,α)×S1*(m,θ,α)

粒徑參數(shù)：

由上面可知，在得出顆粒的粒徑分布及散射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的比以及算出Mie散射參數(shù)后，就可以求出粉塵的粒子數(shù)濃度。

當(dāng)一束光照射到具有尺寸分布塵粒的總粒子數(shù)為N的粒子群上，則θ角方向上的散射光強(qiáng)為[5]

其中:

式中：J1為一階貝賽函數(shù)；f為透鏡焦距；仿真如圖3所示。

在相同濃度的情況下，隨著散射角的增大，散射光信號在慢慢變小。當(dāng)散射角大于90°時，散射光信號的變化幅度越來越小。在實(shí)際中，單次散射在一定程度上描述了光散射的特征，但在很多情況下，單次散射不足以描述復(fù)雜的散射過程，因此我們必須考慮粒子的多次散射效應(yīng)[6]。

根據(jù)仿真圖并結(jié)合實(shí)際情況，本文采用測量不同角度的散射光強(qiáng)，研究最適合與透射法結(jié)合的散射光。在測量區(qū)域的周圍選取了具有代表性的三個角度放置探測點(diǎn)，這三個探測點(diǎn)分別在探測區(qū)域周圍以光源為基準(zhǔn)的45°、90°和135°處。

圖3　散射角和散射光關(guān)系仿真圖

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

如圖3所示，搭建實(shí)驗(yàn)平臺，將粉塵放在一個玻璃缸內(nèi)進(jìn)行濃度檢測。在玻璃缸內(nèi)測量既能實(shí)現(xiàn)粉塵的均勻分布，而且操作過程安全衛(wèi)生。實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

首先測量沒有粉塵情況下的透射光信號以及散射光信號，再依次加入定量粉塵，攪拌均勻，測量光信號，信號處理圖如圖5。由于光電探測系統(tǒng)中總是存在著難以完全消除的噪聲，這嚴(yán)重限制著光電探測系統(tǒng)的探測能力，而絕大部分的噪聲均由電源線的耦合產(chǎn)生，為了盡可能地降低電路中存在的噪聲，除了在對集成運(yùn)放的電源端加裝去耦電容外，還需要設(shè)計合理的電路結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步抑制此類噪聲[7]。

圖5　信號處理電路圖

由于電源引入而來的噪聲對電路中所有點(diǎn)的耦合值都幾乎相等，并且運(yùn)算放大器具有很強(qiáng)的共模抑制能力，等值的耦合引入的噪聲干擾可以很容易在電源頻率范圍內(nèi)被共模抑制消除[8]。但是，基本的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路通常采用單端輸入連接方式，這種電路結(jié)構(gòu)難以利用放大器的規(guī)模抑制能力。因此，這里將光電探測器連接到兩個電流—電壓轉(zhuǎn)換器輸入端之間，并將其同相輸入端接地，然后用差動放大器對兩個轉(zhuǎn)換器的輸出信號做減法運(yùn)算，通過這種措施可以有效消除電路中的共模干擾，同時避免了光電探測器內(nèi)部的共模輸入電容造成的帶寬限制。接著通過放大電路對得到的信號進(jìn)行放大，并經(jīng)過電壓跟隨器輸出，保證后級處理電路對其有較小干擾，最終把經(jīng)處理的信號通過示波器上的電壓值顯示出來[9]。

把多次試驗(yàn)結(jié)果求平均值進(jìn)行擬合，透射光信號擬合圖如圖6所示。

圖6　透射光信號擬合圖

隨著粉塵濃度的增加，示波器顯示的電壓值越來越小，透射光信號越來越弱。當(dāng)粉塵添加大于5g，透射光衰減變化緩慢。在示波器顯示的光信號變化小。由于粉塵粒子越來越多，接近光源的粉塵粒子將大部分的光散射和吸收掉，所以只有一小部分的透射光能到接近探測器的地方，粉塵濃度越來越大，探測器接收到的光信號越來越小，反應(yīng)粉塵濃度靈敏度也越來越差。在實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，每次添加的粉塵質(zhì)量較大，在實(shí)際環(huán)境中，粉塵濃度變化相對于實(shí)驗(yàn)值更小，當(dāng)濃度過大時，粉塵濃度的變化在探測器上反應(yīng)的值更小。所以可以借助經(jīng)過粉塵的散射光信號反應(yīng)粉塵濃度。散射光信號擬合圖如圖7~9所示。

圖7　45°散射信號擬合圖

圖8　90°散射信號擬合圖

圖9　135°散射信號擬合圖

在散射法測粉塵濃度中，在45°處，電壓信號隨著粉塵濃度的增加，說明粉塵濃度越強(qiáng)，散射光越強(qiáng)。在90°處，散射光的電壓信號隨著粉塵濃度的增加而變大，在粉塵添加0~10g這一段，電壓信號增加較快，10g以后，電信號穩(wěn)定在800mV附近。在135°處，粉塵添加在0~5g這一段中，電壓信號隨著粉塵濃度的增加而變大，在添加粉塵質(zhì)量大于5g后，電壓信號緩慢下降。這是由于當(dāng)粉塵濃度過大時，靠近光源的粉塵會把光散射、吸收使光無法照到玻璃缸的后半段[10]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在粉塵環(huán)境中，隨著粉塵濃度的增加，透射光信號在一定范圍內(nèi)以接近線性規(guī)律降低，當(dāng)達(dá)到一定閾值，信號變化越來越小，這時可結(jié)合散射光信號對粉塵濃度進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。從不同角度的散射信號可以看出，135°散射信號呈現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律。若粉塵濃度過大，不適合和透射光信號結(jié)合測量。90°散射信號呈現(xiàn)一個先快速增加后，達(dá)到一定閾值電壓值的變化幅度就變得非常小，當(dāng)粉塵濃度較高時同透射光信號綜合分析，也不能準(zhǔn)確反映粉塵濃度。45°散射信號呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，當(dāng)達(dá)到一定閾值且這個閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其透射光信號閾值以及90度散射光信號的閾值，雖然上升幅度小但仍有上升趨勢，可以和透射光信號結(jié)合起來反映高濃度情況。

結(jié)合透射光信號擬合圖和散射光信號擬合圖分析粉塵濃度，透射法所接收的光信號在粉塵質(zhì)量為6g后隨著粉塵質(zhì)量的增加光信號衰減變慢，但45°散射信號在粉塵質(zhì)量16g時才出現(xiàn)光信號隨粉塵質(zhì)量的增加變化不明顯這種現(xiàn)象。所以透射法與散射法的結(jié)合能夠更準(zhǔn)確地檢測出粉塵的濃度的同時增大了測量范圍。

4結(jié)語

本文提出以光在粉塵環(huán)境的消光作用作為基礎(chǔ)，透射法和散射法相結(jié)合的粉塵濃度測量模型，對均勻分布下的粉塵進(jìn)行了濃度測量。結(jié)果表明，在粉塵均勻分布的環(huán)境中，隨著粉塵濃度的增加，透射光信號在一定范圍內(nèi)以接近線性規(guī)律降低，當(dāng)達(dá)到一定閾值，信號變化越來越小，這時可結(jié)合散射光信號對粉塵濃度進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。通過分析45°、90°、135°的散射光信號規(guī)律得出：隨著粉塵濃度的增大，45°散射光信號不斷上升，90°散射光信號先增加到一定值然后趨于穩(wěn)定，135°散射光信號先增加后減少。45°散射光信號與透射光信號結(jié)合可以更準(zhǔn)確地檢測更大范圍的粉塵濃度，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的缺陷存在一定誤差，若能避免光電探測器的暗電流，可以得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TP393

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.040

作者簡介:張珊珊，女，碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程。雷志勇，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：計算機(jī)測控技術(shù)、動態(tài)目標(biāo)測試與信息處理、計算機(jī)輔助技術(shù)、數(shù)字圖像處理及計算視覺、智能傳感與信息融合等。

基金項目:陜西省科技計劃項目(編號:S2015YFGY0083)資助。

*收稿日期:2015年8月11日,修回日期:2015年9月27日