基于激光散射原理气溶胶浓度检测仪研制

贾日波，李 鑫，侯春彩，徐亚蛟

(中国船舶集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

0 引 言

作为重污染天气的首要污染物，气溶胶粒子的监测一直是环境监测领域的研究热点。气溶胶是指悬浮在大气环境中的直径在0.001～100 μm的液体或固体颗粒物，气溶胶颗粒是大气污染物的主要成分，对人体健康和气候环境都有重要影响。目前常用的气溶胶检测方法主要包括称重法、β射线法、压电振动法、光吸收法、光散射法等[1]。其中称重法、β射线法和压电振动法需要采集定量的样气进行检测，精度高，但不能连续实时检测，且成本较高；光吸收法和光散射法由于其系统结构简单和实时性好的特点而成为环境在线监测的首选方法。

本文基于米氏散射原理，设计了一种气溶胶检测仪，采用光散射法收集气溶胶粒子颗粒信息，根据颗粒脉冲信号幅度分布反演气溶胶浓度，通过对比试验，证明该仪器能够对大气中的气溶胶浓度进行实时在线检测。

1 系统设计

气溶胶浓度检测系统由检测光路、信号采集处理和浓度显示三个部分组成。其中，检测光路包括激光器、光阑、光电探测器、球面反射镜、气室和光陷阱等部件，如图1所示。

图1 气溶胶检测光路

激光器发出的激光经准直透镜和聚焦镜后，经光阑进入散射腔，光阑可以有效降低激光源的杂散光造成的背景噪声，样气气路垂直于光路和探测器所在平面。当样气中的气溶胶颗粒通过气室时，探测器接收到颗粒造成的直接散射光，同时球面反射镜将气溶胶粒子引起的散射光收集起来反射到光电探测器的敏感面，以增强信号响应幅度，光陷阱利用Z字形消光光路吸收透射光，避免重复散射。

信号采集处理部分由光电转换电路、滤波电路和单片机处理电路组成。光电转换电路将光电探测器输出的微弱光电流脉冲信号经跨阻放大、线性放大和滤波，转换为电压脉冲信号；输入到单片机的ADC模块进行采样，从而得到颗粒响应信号的脉冲幅度分布。

系统采用单片机STM32F413VGT6作为主控制器，单片机最大工作频率100 MHz，拥有320 Kbytes SRAM，12位精度ADC模块，满足本设计中高采样速率和大量采样数据存储和计算的需求，同时，单片机接口丰富，可通过多种方式将浓度结果上传，方便之后的功能扩展和数据联网。

2 浓度反演原理

根据Mie散射理论，电压脉冲信号的幅度和宽度与气溶胶粒子的粒径分布具有直接关系，而脉冲信号的个数即为被测气溶胶的粒子数，通过对这些电压脉冲信号的统计和分析，能够反演得到气溶胶粒子的浓度信息[2]。

按照质量浓度的定义，单位体积气体中气溶胶浓度为

(1)

式中n为单位体积内的气溶胶粒子总个数，mi为单个粒子的质量。由于气体中的气溶胶颗粒形态各异、密度也各不相同，所以，无法使用规则球形粒子的质量计算公式来计算每个粒子的质量，但是，根据统计学理论，当被测气溶胶颗粒足够多时，散射光信号幅度相同的粒子群的平均质量基本不变。此外，理论研究表明，粒子形貌之间具有统计分形特征，即颗粒群大量统计测量得到的自相似性[3～8]，因此，颗粒的形貌特征可以利用分形维数来表征，则气溶胶颗粒群的平均质量为

(2)

式中DF为颗粒的光学等效直径，和采集到的电压脉冲信号一一对应；α为颗粒的随机形貌分形维数，对于规则球形粒子，α等于3，对于不规则的非球形颗粒，α应该为1～3之间的任意数。因此，气溶胶颗粒群的平均质量为

(3)

式中A为颗粒散射光信号和电压信号之间的转换系数。则气溶胶颗粒的质量浓度反演公式可写为

(4)

式中q为电压脉冲信号的通道数，N(vi)为各通道的离散电压脉冲个数，k为比例系数。通过标定试验，测量不同浓度下的脉冲幅度分布，可以得到关于反演系数k和b的多个方程，从而得到这两个系数。

3 反演系数标定试验

设计采用苏州净化设备研究所研制的SJFC型光散射式数字粉尘仪作为参考设备，该仪器同样基于光散射原理，采样流量为1 L/min，量程为0～20 mg/m3，分辨率为0.001 mg/m3，满足实验需求。实验装置搭建如图2所示。

图2 试验装置

首先，将气溶胶发生器生成的0.6 μm聚苯乙烯颗粒样气通入密封试验箱，静置一段时间，等待箱内气流稳定，然后通过硅胶软管将流量计、本试验设备和苏净的参考仪器串联起来，整个装置同一气路，利用苏净设备的采样泵提供抽力，这样最大程度保证了两台设备测量的是同一样气。试验开始前，设定流量为1 L/min，然后启动试验装置，待苏净的示值稳定后，截取本实验设备采集的1 s时间段内的电压脉冲信号分布，即N(vi)，同时记录苏净设备的示值，则可以得到关于反演系数k和b的一个方程。利用此方法，改变试验箱内的颗粒浓度，重复测试，得到关于反演系数k和b的方程组，利用MATLAB求解方程组即可得到反演系数k和b。反演系数标定试验结果如表1所示。

表1 反演系数标定试验结果

事实上，由此方法计算得到的反演系数，在计算浓度结果时，其响应变化趋势和实际标准浓度变化仍有一定偏差，需要根据试验情况进行微调。

4 浓度试验

试验利用苏净粉尘仪作为参考设备，对系统进行性能测试。试验样品采用0.6 μm聚苯乙烯小球作为颗粒发生源，试验装置布置和上一节中系数标定试验一致，利用LabVIEW编写测试上位机进行浓度显示和统计，系统通过串行接口将浓度数据发送给上位机。实验结果如图3所示，左图是试验系统和苏净粉尘仪的浓度结果对比，右图是两者测量结果的线性拟合结果。

由图3可知，本文系统浓度反演结果和苏净测量结果线性拟合斜率为1.004，经计算，系统浓度反演结果和苏净测量结果线性相关系数为0.998 2，说明两者具有较高的相关度，证明了基于光散射原理的气溶胶粒子脉冲幅度分布反演气溶胶浓度算法的可靠性。

图3 浓度测试结果对比

5 结 论

本文基于激光散射理论设计了一种气溶胶浓度检测仪，并通过和苏净粉尘仪的数据对比，验证了该仪器的可靠性。气溶胶检测仪具有精度高、响应快、重复性好、成本低廉等优点，并且可扩展为无线互联版，融入物联网应用,为智能化环境监测大数据提供方便。