基于角散射原理的粉尘质量浓度测量研究

许方华

（成都派斯光科技有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

民用家居环境的粉尘测量，不同于工业环境的测试，需要成本价格极低、体积小，同时还要满足一定的测量精度要求，符合家居生活体验。一般而言，高精度的粉尘测量需要有较为复杂的光学系统，加上其他测量系统部分，其体积、成本价格均难以满足民用家居领域的普遍要求。鉴于此，笔者根据光角散射的基本原理，研究以激光发射管作为光源的粉尘质量浓度的测量技术，该技术样品具有体积小、成本低的特征，通过对样品的测试与验证，其精度达到±10%以内的高精度水平[1]。

1 测量原理

角散射法测量原理如图1所示。来自激光管的光束经透镜聚焦形成一细小明亮的束腰，在束腰中定义一测量区，测量区的容积要足够小，使得每一瞬间只有一个颗粒流过。被测介质(液体或气体)由一进样系统送入流经测量区[2]。当存在于介质中的颗粒经过测量区时，被入射激光照射产生散射光，某个(或几个)角度下的散射光由光学系统采集，经光电系统转化成电信号。根据Mie理论可知，颗粒的散射光分布与粒径相关，粒径不同时，散射光的分布就不同。因此，根据光学系统所采集到的散射光信号可以确定颗粒的粒径大小。当颗粒流出测量区后，或某一瞬间流过测量区的介质中没有颗粒时，散射光以及相应的电信号为零。待下一个颗粒流过测量区时，光电系统又给出一个与其粒径相应的电信号。因此，测量到的是一个又一个的电脉冲，脉冲数就是颗粒数。测得颗粒物的粒径及数量后，根据物质的密度参数可计得得出粉尘质量浓度[3]。

图1 角散射颗粒测量的光学原理

在实际应用中，若完全按此原理，设计出的测量系统固然可获得极高的测量精度，但其成本、体积显然不低。笔者根据角散射的基本原理及其测量优点，对上述光学测量腔进行一定的改造，大幅度地缩小体积、降低成本，而在测量精度方面，通过优化改进电路设计、提高微处理器的信号智能处理能力（研究信号处理算法）来提高信号识别与粉尘质量浓度计算能力[4]。

2 测量技术研究

测量样品（传感器）的构成如图2，主要包括气路部分、光路部分与电路部分。气路部分主要由微型风扇、光学测量腔、风道组成；光路部分主要在光学测量腔内实现，由激光组件（由激光管与透镜组成）、光敏管等元器件组成；电路部分主要实现气路流量稳定控制、信号采集与算法分析处理，主要包括微风扇驱动、信号处理电路、微处理器（MCU）等部分。

图2 测量系统组成

研究的主要目标：低成本、小体积、高精度。采用以下方案：①采用微型风扇。问题点：流量低，难以将风道做到很小，使粒子一个个排列经过束腰测量区的。解决对策：风道做大，同一时间将会有大量粒子经过光学测量区，但这样做又带来粒子计数困难的问题，这可以通过软件算法弥补；②选用激光低功率器件。问题点：散射光较弱，处理办法：在充分避免干扰光的情况下光敏管尽可能地靠近激光束。由于信号十分微弱，需采用高灵敏、高信噪比的微弱信号放大电路，将光敏管接收到的散射光信号进行不失真放大[5]。

激光管是间歇式周期性工作的。信号波形如上图所示，MCU在进行信号处理前，首先需要确定信号噪声线ur，信号噪声线是在激光关闭时间内动态检测的，即在激光管关闭的过程中，信号电平就是噪声线。在激光开启时间内，噪声水平ur以上，视为有效信号。理论上，一个完整的脉冲代表一个粒子，实际测试中，由于受制于激光功率、光敏管接收角度、光敏管的感光性能等因素制约，部分粒子的信号并不能采集到，对于这点表面上看是一个严重的问题点，而事实上正是这样的特点，使得在高浓度环境中测试信号脉冲不重叠，这样便于MCU进行信号识别与处理计算。另外，从概率上讲，由于数据基数大，单位时间内采集到的信号量与粒子浓度是正相关的，因此，采集到的信号量只要“足够”，是完全能满足测量精度要求的[6]。

3 实施与验证

单位时间内的脉冲数量n计算方法是：当信号电压上升到大于Ur时，作为一个有效信号的起点，当信号电压下降到小于或等于urur时，作为一个有效信号的结束点，以此在单位时间内进行计数。

计算质量浓度，采用单位时间内的信号积分量E，具体如下：

图3中单个脉冲信号的积分量Ei为：

图3 信号波形图

式中，uj-某个脉冲第j个采样点的电压值（可用AD值表示），k-脉冲的最后一个采样点序号，T0-采样时间间隔。则单位时间T内的有用信号积分E为：

运用最小二乘法作直线拟合,构建PM-E的线性关系，详细的拟合过程这里不赘述。根据拟合关系对样品进行拟合，拟合后选择一浓度点进行标定。在密闭测试房内进行各浓度点的稳态测试，测试的PM2.5曲线图及误差如图4、图5所示。

图4 稳态测试PM2.5 曲线

图5 稳态测试时各浓度点的误差

4 结论

小批量制作了10pcs样品，参考标准仪器对各方面性能进行了评测，结论如下：①微型风扇处于5000rpm、温度为（25±5）℃、湿度（40～60）%RH、用焦油量为8mg的香烟测试时，在PM2.5值在0～1000ug/m3范围内，测量精度可达到±10%。②风扇转速、温湿度不变的条件下，换用其他粉尘，如干燥煤粉、ISO 12103-1 A1等粉尘进行试验，其一致性在0～1000ug/m3范围内可达到±10%。③达成了低成本、小体积、在0～1000ug/m3量程内高精度的测试需求。