基于激光散射原理氣溶膠濃度檢測儀研制

賈日波，李 鑫，侯春彩，徐亞蛟

(中國船舶集團(tuán)公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027)

0 引 言

作為重污染天氣的首要污染物，氣溶膠粒子的監(jiān)測一直是環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點。氣溶膠是指懸浮在大氣環(huán)境中的直徑在0.001～100 μm的液體或固體顆粒物，氣溶膠顆粒是大氣污染物的主要成分，對人體健康和氣候環(huán)境都有重要影響。目前常用的氣溶膠檢測方法主要包括稱重法、β射線法、壓電振動法、光吸收法、光散射法等[1]。其中稱重法、β射線法和壓電振動法需要采集定量的樣氣進(jìn)行檢測，精度高，但不能連續(xù)實時檢測，且成本較高；光吸收法和光散射法由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單和實時性好的特點而成為環(huán)境在線監(jiān)測的首選方法。

本文基于米氏散射原理，設(shè)計了一種氣溶膠檢測儀，采用光散射法收集氣溶膠粒子顆粒信息，根據(jù)顆粒脈沖信號幅度分布反演氣溶膠濃度，通過對比試驗，證明該儀器能夠?qū)Υ髿庵械臍馊苣z濃度進(jìn)行實時在線檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計

氣溶膠濃度檢測系統(tǒng)由檢測光路、信號采集處理和濃度顯示三個部分組成。其中，檢測光路包括激光器、光闌、光電探測器、球面反射鏡、氣室和光陷阱等部件，如圖1所示。

圖1 氣溶膠檢測光路

激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡和聚焦鏡后，經(jīng)光闌進(jìn)入散射腔，光闌可以有效降低激光源的雜散光造成的背景噪聲，樣氣氣路垂直于光路和探測器所在平面。當(dāng)樣氣中的氣溶膠顆粒通過氣室時，探測器接收到顆粒造成的直接散射光，同時球面反射鏡將氣溶膠粒子引起的散射光收集起來反射到光電探測器的敏感面，以增強(qiáng)信號響應(yīng)幅度，光陷阱利用Z字形消光光路吸收透射光，避免重復(fù)散射。

信號采集處理部分由光電轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和單片機(jī)處理電路組成。光電轉(zhuǎn)換電路將光電探測器輸出的微弱光電流脈沖信號經(jīng)跨阻放大、線性放大和濾波，轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號；輸入到單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行采樣，從而得到顆粒響應(yīng)信號的脈沖幅度分布。

系統(tǒng)采用單片機(jī)STM32F413VGT6作為主控制器，單片機(jī)最大工作頻率100 MHz，擁有320 Kbytes SRAM，12位精度ADC模塊，滿足本設(shè)計中高采樣速率和大量采樣數(shù)據(jù)存儲和計算的需求，同時，單片機(jī)接口豐富，可通過多種方式將濃度結(jié)果上傳，方便之后的功能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)。

2 濃度反演原理

根據(jù)Mie散射理論，電壓脈沖信號的幅度和寬度與氣溶膠粒子的粒徑分布具有直接關(guān)系，而脈沖信號的個數(shù)即為被測氣溶膠的粒子數(shù)，通過對這些電壓脈沖信號的統(tǒng)計和分析，能夠反演得到氣溶膠粒子的濃度信息[2]。

按照質(zhì)量濃度的定義，單位體積氣體中氣溶膠濃度為

(1)

式中n為單位體積內(nèi)的氣溶膠粒子總個數(shù)，mi為單個粒子的質(zhì)量。由于氣體中的氣溶膠顆粒形態(tài)各異、密度也各不相同，所以，無法使用規(guī)則球形粒子的質(zhì)量計算公式來計算每個粒子的質(zhì)量，但是，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論，當(dāng)被測氣溶膠顆粒足夠多時，散射光信號幅度相同的粒子群的平均質(zhì)量基本不變。此外，理論研究表明，粒子形貌之間具有統(tǒng)計分形特征，即顆粒群大量統(tǒng)計測量得到的自相似性[3～8]，因此，顆粒的形貌特征可以利用分形維數(shù)來表征，則氣溶膠顆粒群的平均質(zhì)量為

(2)

式中DF為顆粒的光學(xué)等效直徑，和采集到的電壓脈沖信號一一對應(yīng)；α為顆粒的隨機(jī)形貌分形維數(shù)，對于規(guī)則球形粒子，α等于3，對于不規(guī)則的非球形顆粒，α應(yīng)該為1～3之間的任意數(shù)。因此，氣溶膠顆粒群的平均質(zhì)量為

(3)

式中A為顆粒散射光信號和電壓信號之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。則氣溶膠顆粒的質(zhì)量濃度反演公式可寫為

(4)

式中q為電壓脈沖信號的通道數(shù)，N(vi)為各通道的離散電壓脈沖個數(shù)，k為比例系數(shù)。通過標(biāo)定試驗，測量不同濃度下的脈沖幅度分布，可以得到關(guān)于反演系數(shù)k和b的多個方程，從而得到這兩個系數(shù)。

3 反演系數(shù)標(biāo)定試驗

設(shè)計采用蘇州凈化設(shè)備研究所研制的SJFC型光散射式數(shù)字粉塵儀作為參考設(shè)備，該儀器同樣基于光散射原理，采樣流量為1 L/min，量程為0～20 mg/m3，分辨率為0.001 mg/m3，滿足實驗需求。實驗裝置搭建如圖2所示。

圖2 試驗裝置

首先，將氣溶膠發(fā)生器生成的0.6 μm聚苯乙烯顆粒樣氣通入密封試驗箱，靜置一段時間，等待箱內(nèi)氣流穩(wěn)定，然后通過硅膠軟管將流量計、本試驗設(shè)備和蘇凈的參考儀器串聯(lián)起來，整個裝置同一氣路，利用蘇凈設(shè)備的采樣泵提供抽力，這樣最大程度保證了兩臺設(shè)備測量的是同一樣氣。試驗開始前，設(shè)定流量為1 L/min，然后啟動試驗裝置，待蘇凈的示值穩(wěn)定后，截取本實驗設(shè)備采集的1 s時間段內(nèi)的電壓脈沖信號分布，即N(vi)，同時記錄蘇凈設(shè)備的示值，則可以得到關(guān)于反演系數(shù)k和b的一個方程。利用此方法，改變試驗箱內(nèi)的顆粒濃度，重復(fù)測試，得到關(guān)于反演系數(shù)k和b的方程組，利用MATLAB求解方程組即可得到反演系數(shù)k和b。反演系數(shù)標(biāo)定試驗結(jié)果如表1所示。

表1 反演系數(shù)標(biāo)定試驗結(jié)果

事實上，由此方法計算得到的反演系數(shù)，在計算濃度結(jié)果時，其響應(yīng)變化趨勢和實際標(biāo)準(zhǔn)濃度變化仍有一定偏差，需要根據(jù)試驗情況進(jìn)行微調(diào)。

4 濃度試驗

試驗利用蘇凈粉塵儀作為參考設(shè)備，對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試。試驗樣品采用0.6 μm聚苯乙烯小球作為顆粒發(fā)生源，試驗裝置布置和上一節(jié)中系數(shù)標(biāo)定試驗一致，利用LabVIEW編寫測試上位機(jī)進(jìn)行濃度顯示和統(tǒng)計，系統(tǒng)通過串行接口將濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。實驗結(jié)果如圖3所示，左圖是試驗系統(tǒng)和蘇凈粉塵儀的濃度結(jié)果對比，右圖是兩者測量結(jié)果的線性擬合結(jié)果。

由圖3可知，本文系統(tǒng)濃度反演結(jié)果和蘇凈測量結(jié)果線性擬合斜率為1.004，經(jīng)計算，系統(tǒng)濃度反演結(jié)果和蘇凈測量結(jié)果線性相關(guān)系數(shù)為0.998 2，說明兩者具有較高的相關(guān)度，證明了基于光散射原理的氣溶膠粒子脈沖幅度分布反演氣溶膠濃度算法的可靠性。

圖3 濃度測試結(jié)果對比

5 結(jié) 論

本文基于激光散射理論設(shè)計了一種氣溶膠濃度檢測儀，并通過和蘇凈粉塵儀的數(shù)據(jù)對比，驗證了該儀器的可靠性。氣溶膠檢測儀具有精度高、響應(yīng)快、重復(fù)性好、成本低廉等優(yōu)點，并且可擴(kuò)展為無線互聯(lián)版，融入物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,為智能化環(huán)境監(jiān)測大數(shù)據(jù)提供方便。