基于前散射的超低烟尘浓度检测仪研究

张振兴，苏 征

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大学 机电学院，河北 邯郸 056038）

基于前散射的超低烟尘浓度检测仪研究

张振兴1，苏 征2

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大学 机电学院，河北 邯郸 056038）

针对目前超低排放改造后的超低烟尘浓度检测，采用了对超低浓度烟尘变化灵敏度高的激光前散射技术，通过光电转换和信号放大，以C8051f320为核心，实现了实时对超低烟尘浓度的自动检测；现场测试表明，该仪器符合目前对超低烟尘的测量要求，精度较高，灵敏度能达到0.1 mg/m3。并详细介绍了光路结构以及软件和硬件电路的组成及实现。

前散射；超低烟尘；光电技术；浓度检测

Abstract:This text applied Laser Light Scattering System Technology with high sensitivity to the change of ultra-low dust concentration to detect the super ultra-low dust concentration after the transformation.Through photoelectric conversion and signal amplification， C8051f320 as the core，， we achieved realtime automatic detection of ultra-low dust concentration.The spot test showed that this instrument consistent with the current measurement requirements with high accuracy，and the level of sensitivity could attain 0.1 mg/m3.Light path structure and the composition and implementation of software and hardware circuits were introduced in detail.

Key words:forward scatter； ultra-low dust； optoelectronic technology； concentration detection

目前我国对环保标准的要求越来越严格[1]，烟尘排放从早期的50毫克/立方米到目前的5毫克/立方米[2]，燃煤火电厂等领域相应的超低排放除尘系统已逐步改造升级[3]。与其相随的超低烟尘颗粒浓度在线、实时检测技术，目前还存在检测量程过大、精度不高等缺陷。本文利用前散射对超低浓度烟尘变化灵敏度高[4-5]，以及经过颗粒物前散射后的光强度与颗粒物浓度成正比的特点[6]，设计了一种基于激光前散射的超低烟尘浓度检测仪。该检测仪能实时检测超低烟尘的浓度，并通过串口屏显示，可有效应用于多领域的超低烟尘检测。

1 系统总体设计方案

1.1 光学测量原理设计

由于前散射的灵敏度很高，且散射光强度与粉尘浓度成良好的一次线性关系，因此其非常适合应用于超低浓度粉尘测量。其测量原理如图1所示，使用波长约为650 nm可见光范围的激光光束，照射气流中的灰尘颗粒物，散射后被检测器接收。激光的正前方设计有激光光阱用于杂光的吸收。检测器要求灵敏度高，安装位置与激光光抽的夹角为0～90°，实际实验发现激光光轴与检测器的夹角不同，散射光对粉尘的灵敏度不同，本设计综合考虑后设计检测器与激光光轴夹角约为15°。此外设计要求激光光束与检测器接收孔之间的交叉点必须限定在图1所示的测量区域内。

图1 光学测量原理

1.2 控制方案设计

控制系统的组成主要有C8051F320微控器、激光调制电路、信号检测电路、双串口通讯电路、电源电路。控制系统总体结构图如图2所示。

图2 系统的总体框图

控制系统以C8051f320为核心，通过激光横流调制电路稳定光束强度，由高灵敏度硅光电二极管接收颗粒物散射光，进行光电转换[7]，然后经过信号调制解调后，由单片机进行数据处理，最后显示在LCD液晶屏上。另外系统设计了RS485通讯电路用以系统的外扩，增加产品的适用范围。

2 系统的硬件设计

C8051F320单片机内置有两个UART串口[6]，为系统设计双串口讯通电路提供了可能。系统选用了串口LCD液晶屏实时显示超低烟尘浓度；通过另一个串口设计了RS485通讯电路，用于远程通讯；电源电路主要为系统提供工作电源。本文重点介绍系统关键硬件电路的设计。

2.1 检测器单元设计

光路系统采用前散射工作原理，检测器能接收到的光强很微弱，检测到的电流一般为nA级别，并且要求其对650 nm波长的光具有较高的灵敏度，因此对检测器的选型要求较高。该系统综合考虑选用滨松硅光电二极管S2386，该检测器在可见光至近红外范围具有高灵敏度，如图3所示，在650 nm处灵敏度达到0.45 A/W；并且暗电流低，反向电压10 V时，其暗电流为100 PA，如图4所示。此外该检测器温漂小、可靠性高、线性度卓越，因此非常适用于该装置的检测。

2.2 信号检测电路

根据散射光强度特点选用的S2386硅光电二极管检测器所产生的电流级别为nA，因此需要对其进行I/V转换，转换时放大器应该选择具有极低的输入偏流和极高的输入阻抗，共模抑制比比较高的电流型放大器，可提高系统的测量精度[8-9]。在电压放大之前应进行工频陷阱滤波以及低通巴特沃斯滤波，增加系统的抗干扰能力。然后根据AD转换芯片的特点放大电压信号，此装置选择的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用单5 V工作电源，内部包括采样及保持电路，通过三线式串行I/O进行读取数据，电路设计简单，精度及稳定性能较好。最终由单片机进行数据处理，计算烟尘浓度。图5为信号检测原理框图。

图3 光谱灵敏度

图4 暗电流与反向电压

图5 信号检测电路框图

2.3 激光调制电路

系统测试超低烟尘浓度时，激光强度的稳定性对系统检测超低烟尘的浓度的精确度和稳定性有着较大的影响。因此系统设计了电压负反馈横流调制电路[10-11]，原理图如图6所示。电路采用了高精度电压基准芯片，取样电路在激光亮度发生改变时，获得等比例的电压误差信息[12]。误差负反馈与电压基准比较后，通过调整电路调制流过激光器的电流，实现闭环输出调节系统，起到稳定激光强度的目的[13-14]，提高了系统的准确性和稳定性。

图6 激光横流调制电路

3 系统软件设计

3.1 主控制程序

主程序利用C语言设计[15-18]主要有：系统的初始化参数配置、开启串口中断、激光反馈调节、烟尘浓度的数据采集和串口LCD显示等。具体的控制流程图如图7所示。

图7 主流程图

3.2 串口中断程序

系统设计了双串口中断。UART1串口用于LCD显示屏的输入和输出，串口根据LCD显示屏的命令，执行相应的程序，实现通过串口屏校准标定以及显示烟尘浓度等功能。UART2串口用于RS485外扩，实现远程通讯的目的。其流程图如图8所示。

4 结束语

图8 中断流程图

超低烟尘浓度监测仪的设计，对于目前的超低烟尘检测具有重要的意义。检测系统结构简单、可靠、便于维护；系统经过调试和实验，检测精度高、采样速度快、系统实时性好；灵敏度高达0.1 mg/m3，测试时现场排放浓度范围为（0.5～15）mg/m3，测试相关系数到达0.95，远高于合理指标的0.85。此外设计了LCD显示屏和RS485通讯，实现了实时监测超低烟尘浓度的目的。

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Study on ualtra-low dust concentration detector based on light scattering theory

ZHANG Zhen-xing1，SU Zheng2
（1.Chinatech Talroad （Beijing）Branch Technology Co.， Ltd.，Beijing100085，China；2.Hebei University of Engineering， Institute of Mechanical and Electronic Engineering， Handan056038，China）

TN7

A

1674－6236（2017）19-0107-03

2016-08-21稿件编号201608151

张振兴（1990—），男，河南鹿邑人，硕士研究生。研究方向：环境检测仪表。