基于双光路的镜头污染度检测在颗粒物浓度测量中的研究

焦 敏

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

0 引言

悬浮在空气中的颗粒物对环境和空气质量造成严重的影响，危害人的身体健康[1]，目前颗粒物浓度的测量方法有滤膜称重法、振荡天平法、β射线法、感应电荷法、光散射法等[2-3]。其中光散射法测量颗粒物浓度具有实时性高、结构简单和造价低的特点，在无组织排放的大气颗粒物浓度连续监测、固定污染源有组织排放颗粒物浓度连续监测和工矿企业颗粒物浓度连续监测领域得到大范围的推广[4-7]。

光散射法测量颗粒物浓度时，光学镜头长期暴露在含尘环境中，测量环境中的颗粒物会附着于光学镜头，造成光学镜头对颗粒物光散射信号感知度的下降[8-9]，当测量环境湿度较高时，会增加颗粒物的黏度[10-11]，加快光学镜头的污染速度，形成测量误差，同时测量环境中可能存在腐蚀性液滴和气体[12]，腐蚀光学镜头表面和加快颗粒物在光学镜头上的吸附，对光散射法测量颗粒物浓度的精度造成了较大的影响，为了解决光散射法镜头污染的问题，国内外都采用保护气幕的方法进行防护[13-14]，只能延缓光学镜头的污染速度，当存在仪器停机或者保护气幕短暂消失后，光学镜头可能受到严重的污染。

本文针对光散射系统中光学检测镜头容易受到污染的问题，设计了双光路颗粒物检测系统，利用一束激光检测镜头受到的污染程度，结合米散射理论，对含激光检测镜头污染度的光散射颗粒物浓度计算方法进行研究和修正，消除了由于激光检测镜头受到污染后造成的系统误差。

1 双光路污染自检原理与方法

1.1 双光路颗粒物检测原理

双光路颗粒物浓度检测系统如图1所示，检测激光器发射波长为655 nm，功率为10 mW的激光，检测激光光斑直径为Φ2 mm，激光照射到待检测的颗粒物上发生散射，激光检测镜头与检测激光光束的夹角θ=20°，激光检测镜头检测散射光强度，散射光强信号反映了颗粒物浓度。穿过颗粒物的透射光束采用光陷阱进行收集，进行激光检测镜头污染度自检时，滤除检测暗室中的颗粒物，自检激光器发射波长为655 nm，功率为0.1～0.5 mW，光斑直径为Φ2 mm的激光，自检激光光斑直径比激光检测镜头直径略小0.2 mm，以确保检测到完整的激光检测镜头，同时预留安装及加工误差，自检激光直接照射到激光检测镜头，分析计算自检激光的信号强度计算激光检测镜头的污染度。

图1 双光路颗粒物浓度检测原理图

1.2 光学镜头污染度自检实验方法

实验主要测量散射光探测镜头在不同污染度下的衰减强度，激光检测镜头污染度检测装置如图2所示，选用具有代表性的A1粉尘作为测试颗粒物，利于发尘器及粉尘风洞产生颗粒物浓度为0.1～100 mg/m3，风速为0.5～5 m/s的含尘气流，通过等速抽气泵将颗粒物抽取至光学检测暗室中完成颗粒物浓度测量。

图2 实验装置图

首先测量洁净的散射光测量镜头在不同颗粒物浓度下的散射光信号值，然后长时间工作使激光检测镜头造成不同程度的污染，利用污染度自检激光器完成激光检测镜头的污染度测量，同时测量不同污染度下不同颗粒物浓度的散射光信号值，分析数据后得到不同污染度下的检测信号修正曲线，实现颗粒物浓度的准确测量。

2 污染度自检计算方法

2.1 光学法颗粒物浓度计算方法

根据Mie散射理论[15-16]，单个直径为d且近似球形的粉尘颗粒，受到光强为I0的入射光照射时，在与粉尘颗粒相距r，且与光轴成散射角θ，其示意图如图1所示，激光检测镜头处的散射光强I为

(1)

式中:λ为入射光波长；S1(θ)为垂直于偏振光的振幅函数；S2(θ)为平行于偏振光的振幅函数;φ为偏振光的偏振角。

(2)

式中：an、bn为Mie散射系数；πn、τn为散射光的散射角函数。

(3)

函数Ψn(x)及ξn(x)的表达式为

(4)

式中：Jn+1/2(x)为半整数阶的第一类贝塞尔函数；Yn+1/2(x)为半整数阶的第二类贝塞尔函数。

(5)

对浓度为c，体积为V的颗粒物散射系进行激光照射，得到颗粒物散射系的散射光强度为

(6)

可计算得到颗粒物浓度为

(7)

2.2 含镜头污染度的颗粒物浓度计算方法

在图1所示的激光检测系统中，抽取样气为洁净空气时，自检激光器固定发射功率为0.3 mW的激光束，干净的激光检测镜头检测到的散射光强为I1，激光检测镜头受到污染后检测到的光电信号为I2，则激光检测镜头的污染度PN表达式为

(8)

当激光检测镜头的污染程度为PN时，激光检测镜头检测到的散射光强为I测，即颗粒物浓度计算公式中的I总，则真实的颗粒物散射光强I真为

(9)

得到真实颗粒物浓度表达式为

(10)

3 实验结果与分析

3.1 不同污染度下颗粒物浓度测量结果

实验用颗粒物采用A1标准尘，A1标准尘的粒度分布如表1所示。

表1 A1标准粉尘粒度分布

由标准粒径分布的颗粒物形成实验用含尘气流，在图1所示的散射角度下，不同的颗粒物浓度具有不同的光散射强度，提高含尘气流的颗粒物浓度，获得光学镜头不同的污染度，测得光学镜头污染度PN=5.23%时，采用手工采样法测得颗粒物浓度和污染后的光学机构测得的颗粒物浓度对比曲线如图3所示。

图3 污染度PN=5.23%时，测量数据对比

测得光学镜头污染度PN=11.5%时，采用手工采样法测得颗粒物浓度和污染后的光学机构测得的颗粒物浓度对比曲线如图4所示。

图4 污染度PN=11.5%时，测量数据对比

测得光学镜头污染度PN=15.13%时，采用手工采样法测得颗粒物浓度和污染后的光学机构测得的颗粒物浓度对比曲线如图5所示。

图5 污染度PN=15.13%时，测量数据对比

测得光学镜头污染度PN=25.18%时，采用手工采样法测得颗粒物浓度和污染后的光学机构测得的颗粒物浓度对比曲线如图6所示。

图6 污染度PN=25.18%时，测量数据对比

从图3、图4、图5和图6的数据对比可以看出，光学镜头污染度越大时，光学法所测得颗粒物浓度值与真值的误差越大，出现明显负偏差，通过计算，得到激光镜头污染度分别为5.23%、11.5%、15.13%和25.18%时，颗粒物浓度测量误差曲线如图7所示，当光学镜头污染度越高时，光学法测量颗粒物浓度的误差越大，且光散射法测量颗粒物浓度误差与污染度密切相关。

图7 不同污染度的测量误差

4.2 含镜头污染度的颗粒物浓度测量修正

受到污染的光学镜头对光强信号的感知度下降，严重影响光散射法测量颗粒物浓度的准确度，利用式(10)含有污染度修正系数的光散射颗粒物浓度计算公式，对图3、图4、图5和图6的颗粒物浓度测量数据进行修正，得到修正后的颗粒物浓度测量误差曲线如图8所示。由误差曲线可以得到，含有污染度修正的光散射法测量颗粒物浓度，当颗粒物浓度范围为0～10 mg/m3时，测量误差小于等于11.92%，即使光学镜头污染度为25.18%，修正后的测量结果基本满足颗粒物浓度测量设备对检测精度的要求。

图8 含污染度修正的测量误差曲线

5 结束语

光散射法测量颗粒物浓度，其激光检测镜头容易受到污染，对颗粒物的光散射信号感知度下降，造成光散射法测量颗粒物浓度的负偏差，严重影响光学仪器的测量精度。采用双光路颗粒物浓度检测系统，实时测量激光检测镜头的污染程度，结合米式散射理论计算，利用测量的光学镜头污染度对颗粒物浓度测量结果进行修正，实验结果表明，双光路颗粒物浓度检测系统能够用于光学镜头污染度检测，提升了光学法颗粒物浓度测量系统的测量准确度，当光学镜头污染程度达到25%时，修正后的颗粒物浓度测量误差≤11.92%。