基于Mie散射理论的粉尘浓度测量研究

2021-11-25王鹏飞樊新学

科技创新与应用 2021年33期

王鹏飞，张喆，樊新学

（1.青岛滨海学院教务处，山东青岛266555；2.青岛益群漆业集团有限公司技术研发部，山东青岛266000）

尘，通常指的是直径小于100μm并能较长时间悬浮于气体中的固体微粒。粉尘主要因生产过程或其他因素所产生，通常情况下指的是固体物质经研磨、破碎、筛分等机械过程，或者由火山喷发、土壤、岩石风化等自然过程中形成的。

工业生产过程不仅源源不断地提供人们需要的产品，而且也在不断产生各种各样的工业粉尘。随着工业化进程的加快，我国城市人口数量逐渐增长，各类污染物大量排放，最终导致空气中悬浮的颗粒物浓度进一步增加，即当前引起人们密切关注的PM2.5（细颗粒物）和PM10（粗颗粒物），使得空气能见度严重降低，直接影响人们的日常生活。而且最为严重的是粉尘不仅能对人体健康产生危害，还可以对植物、近地大气环境、工业生产等方面产生严重影响。因此，我们越来越清楚地认识到，对于不同行业不同环境，粉尘浓度的测量都具有十分重要的意义。

1 散射光强与粉尘浓度关系模型建立

本论文所涉及的粉尘颗粒主要来自于空气中，因此其粒径一般较小，即不大于1μm，故可将Mie散射近似为瑞利散射。

完整的Mie理论可以用一个数学级数来表达，所有微粒粒度也在其内。它的第一项完全相当于瑞利散射公式，当在微粒较小的情况下，麦卡特尼E.J.著的《大气光学：分子和粒子散射》详细地论述了Mie散射与Rayleigh散射相比其误差在1%以内。并且明确地给出了角散射光强的表达式：

表达式中：θ为散射角，Is（θ）代表散射角为θ方向的散射光强，I0为入射光强，d是微粒直径，m是光的折射率。

通常情况下微粒属于非相干的散射，因此各个微粒的散射都可以进行相加，假设当微粒数浓度为N时，利用式（1）变化后有：

微粒数浓度和质量浓度有如下关系：

W为质量浓度，所以有：

在测试中，光源波长λ、入射光强I0、距离散射体的距离r、微粒直径d及折射率m均可视为定值。由此定义：

所以：

如图1所示，对应于不同入射光波长时，散射光强Is随着散射角θ变化的曲线图。

图1 对应于不同入射光波长时，散射光强Is随散射角θ的变化曲线（m=1.5，a=1μm）

从图1可以看出当颗粒物直径和入射光波长比较接近或比入射光波长大时，散射光强分布在0~80°的范围内，而且光强比较集中在0°~40°一定角度，由此可见，我们就可以把某个光强比较集中的角度（比如散射角θ=0°时，制作工艺较易实现）近似地看作光电倍增管一定立体角接收到的光强，这样（1+cos2θ）就为1个定值K=2，因此光电倍增管接收到的一定立体角的散射光强为（K和C为常数）：

即一定立体角的散射光强与质量浓度成正比。

2 系统及硬件设计

粉尘浓度测试系统技术方案：该系统中光学传感器是根据光散射理论，利用半导体激光器发出的稳定光束照射采样粉尘时，在粉尘性质保持一定的条件下，粉尘的散射光强正比于质量浓度的原理，通过光电倍增管将散射光强度转换成电信号，经过前置放大电路、滤波电路和二级放大电路和A/D转换后，从而由单片机处理计算出粉尘的相对质量浓度，通过数码管驱动芯片实现LED直接显示或者和电脑连接实现数据共享。

2.1 硬件总体设计

硬件系统主要由光学传感器（粉尘传感器）、信号调理系统、微机控制系统、电源系统组成。系统结构框图如图2所示。

图2 系统结构框图

2.2 光学传感器设计

2.2.1 激光光源选型

考虑到测量系统主要针对低浓度粉尘，而且体积小，便于组装调试，输出功率稳定，实用性强等特点，采用由长春镭仕光电科技有限公司生产，型号为MWIR-650/1-2000MW，光束直径为5.0*6.0，输出功率为10MW，功率稳定性<1%，波长为650nm的半导体激光器为宜。

2.2.2 光路系统设计

光路系统主要由半导体激光器、扩束镜、准直镜、测量区、傅里叶透镜和光电探测器（光电倍增管）组成，如图3所示。

图3 光路系统

2.2.3 气路系统的设计

气路系统主要包括四大部分，即散射腔（测量区）、进气口、排气口、抽气泵等。

具体光学传感器内部结构如图4所示。

图4 光学传感器内部结构图

2.2.4 光电探测器选择

光电探测器的主要功能是实现光信号到电信号的转化，把被测物理量的变化转换为光强的变化，最后通过电子技术手段对输出的电信号实现测控。

此次设计是利用光电倍增管检测光通过被测物前后的强度，即可得到被测物质的光吸收程度，从而计算出相应的物理量。根据本文设计需要，考虑到能与波长为650nm的半导体激光器基本在频谱的峰值上具有很好的吻合性，选用型号为GDB-423，管型是直径为40mm的端窗式11级光电倍增管为宜。其光谱响应范围为300~850nm，阳极光照灵敏度100A/Lm，阳极暗电流为20nA。

2.3 信号采集及处理电路设计

信号采集部分由前置放大器、滤波电路、二级放大电路以及A/D转换电路组成；处理电路部分由AT89C51单片计算机、LED显示电路（显示器）、串口通讯等组成。电路系统部分的测试系统工作原理：光电探测器（光电倍增管）-前置放大器-滤波电路-二级放大器-A/D转换电路-单片机-LED显示，串口通讯-电脑。具体原理如图5所示。

图5 测试系统工作原理图

光电倍增管输出的光电流信号，由于信号较弱，必须先经一个前置放大器进行一级放大，同时将电流信号变成电压信号（I/V转换），然后经过一个带通滤波电路过滤掉无关的干扰信号，而后再经过主放大器放大至后续A/D变换器所要求达到的幅值。信号经过A/D转换后接入单片机，由单片机将采集到的信号通过计算处理后显示出来，或者与微机实现通讯连接。

2.3.1 微控制器

关于AT89C51单片机。

根据本文设计的实际方案，需连接的外围器件及其利用的单片机资源为：

信号（已处理）（功能分类）-光学传感器-信号调理电路信号（外围器件）-数字量输入DI（信号/功能）-P0.0到P0.7（所用I/O口）；人机交互（功能分类）-显示模块（外围器件）-4位LED显示（信号/功能）-P2.3 P2.4 P2.5（所用I/O口）；人机交互（功能分类）-通讯模块（外围器件）-串口（信号/功能）-RXD TXD（所用I/O口）。

2.3.2 信号采集电路

信号采集电路主要由前置放大器、滤波电路、二级放大器3部分组成。前置放大器采用的是AD620，滤波电路选择由OPA603（一种电流反馈型的高速运算放大器）组成的带通滤波器。二级放大器仍然采用AD620作为核心原件。

2.3.3 其他电路（1）A/D转换电路采用ADC0809的集成电路。

（2）数据显示电路系统采用4位LED数码管显示总粉尘浓度值，数码管驱动芯片选择74HC595。

（3）数据传输电路采用的是RS-232串行接口。

（4）电源电路为多路输出的稳压电源电路，利用变压器的4个次级绕组和7812、7805、7905、7912分别提供+12V、+5V、-5V和-l2V 4组相互独立的输出电压。