基于前散射的超低煙塵濃度檢測儀研究

張振興，蘇 征

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大學 機電學院，河北 邯鄲 056038）

基于前散射的超低煙塵濃度檢測儀研究

張振興1，蘇 征2

（1.中科天融（北京）科技有限公司 北京 100085；2.河北工程大學 機電學院，河北 邯鄲 056038）

針對目前超低排放改造后的超低煙塵濃度檢測，采用了對超低濃度煙塵變化靈敏度高的激光前散射技術，通過光電轉換和信號放大，以C8051f320為核心，實現了實時對超低煙塵濃度的自動檢測；現場測試表明，該儀器符合目前對超低煙塵的測量要求，精度較高，靈敏度能達到0.1 mg/m3。并詳細介紹了光路結構以及軟件和硬件電路的組成及實現。

前散射；超低煙塵；光電技術；濃度檢測

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

目前我國對環保標準的要求越來越嚴格[1]，煙塵排放從早期的50毫克/立方米到目前的5毫克/立方米[2]，燃煤火電廠等領域相應的超低排放除塵系統已逐步改造升級[3]。與其相隨的超低煙塵顆粒濃度在線、實時檢測技術，目前還存在檢測量程過大、精度不高等缺陷。本文利用前散射對超低濃度煙塵變化靈敏度高[4-5]，以及經過顆粒物前散射后的光強度與顆粒物濃度成正比的特點[6]，設計了一種基于激光前散射的超低煙塵濃度檢測儀。該檢測儀能實時檢測超低煙塵的濃度，并通過串口屏顯示，可有效應用于多領域的超低煙塵檢測。

1 系統總體設計方案

1.1 光學測量原理設計

由于前散射的靈敏度很高，且散射光強度與粉塵濃度成良好的一次線性關系，因此其非常適合應用于超低濃度粉塵測量。其測量原理如圖1所示，使用波長約為650 nm可見光范圍的激光光束，照射氣流中的灰塵顆粒物，散射后被檢測器接收。激光的正前方設計有激光光阱用于雜光的吸收。檢測器要求靈敏度高，安裝位置與激光光抽的夾角為0～90°，實際實驗發現激光光軸與檢測器的夾角不同，散射光對粉塵的靈敏度不同，本設計綜合考慮后設計檢測器與激光光軸夾角約為15°。此外設計要求激光光束與檢測器接收孔之間的交叉點必須限定在圖1所示的測量區域內。

圖1 光學測量原理

1.2 控制方案設計

控制系統的組成主要有C8051F320微控器、激光調制電路、信號檢測電路、雙串口通訊電路、電源電路?？刂葡到y總體結構圖如圖2所示。

圖2 系統的總體框圖

控制系統以C8051f320為核心，通過激光橫流調制電路穩定光束強度，由高靈敏度硅光電二極管接收顆粒物散射光，進行光電轉換[7]，然后經過信號調制解調后，由單片機進行數據處理，最后顯示在LCD液晶屏上。另外系統設計了RS485通訊電路用以系統的外擴，增加產品的適用范圍。

2 系統的硬件設計

C8051F320單片機內置有兩個UART串口[6]，為系統設計雙串口訊通電路提供了可能。系統選用了串口LCD液晶屏實時顯示超低煙塵濃度；通過另一個串口設計了RS485通訊電路，用于遠程通訊；電源電路主要為系統提供工作電源。本文重點介紹系統關鍵硬件電路的設計。

2.1 檢測器單元設計

光路系統采用前散射工作原理，檢測器能接收到的光強很微弱，檢測到的電流一般為nA級別，并且要求其對650 nm波長的光具有較高的靈敏度，因此對檢測器的選型要求較高。該系統綜合考慮選用濱松硅光電二極管S2386，該檢測器在可見光至近紅外范圍具有高靈敏度，如圖3所示，在650 nm處靈敏度達到0.45 A/W；并且暗電流低，反向電壓10 V時，其暗電流為100 PA，如圖4所示。此外該檢測器溫漂小、可靠性高、線性度卓越，因此非常適用于該裝置的檢測。

2.2 信號檢測電路

根據散射光強度特點選用的S2386硅光電二極管檢測器所產生的電流級別為nA，因此需要對其進行I/V轉換，轉換時放大器應該選擇具有極低的輸入偏流和極高的輸入阻抗，共模抑制比比較高的電流型放大器，可提高系統的測量精度[8-9]。在電壓放大之前應進行工頻陷阱濾波以及低通巴特沃斯濾波，增加系統的抗干擾能力。然后根據AD轉換芯片的特點放大電壓信號，此裝置選擇的16位逐次逼近型AD芯片LTC1864，采用單5 V工作電源，內部包括采樣及保持電路，通過三線式串行I/O進行讀取數據，電路設計簡單，精度及穩定性能較好。最終由單片機進行數據處理，計算煙塵濃度。圖5為信號檢測原理框圖。

圖3 光譜靈敏度

圖4 暗電流與反向電壓

圖5 信號檢測電路框圖

2.3 激光調制電路

系統測試超低煙塵濃度時，激光強度的穩定性對系統檢測超低煙塵的濃度的精確度和穩定性有著較大的影響。因此系統設計了電壓負反饋橫流調制電路[10-11]，原理圖如圖6所示。電路采用了高精度電壓基準芯片，取樣電路在激光亮度發生改變時，獲得等比例的電壓誤差信息[12]。誤差負反饋與電壓基準比較后，通過調整電路調制流過激光器的電流，實現閉環輸出調節系統，起到穩定激光強度的目的[13-14]，提高了系統的準確性和穩定性。

圖6 激光橫流調制電路

3 系統軟件設計

3.1 主控制程序

主程序利用C語言設計[15-18]主要有：系統的初始化參數配置、開啟串口中斷、激光反饋調節、煙塵濃度的數據采集和串口LCD顯示等。具體的控制流程圖如圖7所示。

圖7 主流程圖

3.2 串口中斷程序

系統設計了雙串口中斷。UART1串口用于LCD顯示屏的輸入和輸出，串口根據LCD顯示屏的命令，執行相應的程序，實現通過串口屏校準標定以及顯示煙塵濃度等功能。UART2串口用于RS485外擴，實現遠程通訊的目的。其流程圖如圖8所示。

4 結束語

圖8 中斷流程圖

超低煙塵濃度監測儀的設計，對于目前的超低煙塵檢測具有重要的意義。檢測系統結構簡單、可靠、便于維護；系統經過調試和實驗，檢測精度高、采樣速度快、系統實時性好；靈敏度高達0.1 mg/m3，測試時現場排放濃度范圍為（0.5～15）mg/m3，測試相關系數到達0.95，遠高于合理指標的0.85。此外設計了LCD顯示屏和RS485通訊，實現了實時監測超低煙塵濃度的目的。

[1]朱法華，王臨清.煤電超低排放的技術經濟與環境效益分析[J].環境保護，2014（21）:28-33.

[2]劉威明.超低排放將成煤電發展 “新常態”[J].山東工業技術， 2016（13）:76.

[3]朱法華，王圣.煤電大氣污染物超低排放技術集成與建議[J].環境影響評價，2014（5）:25-29.

[4]趙政.基于光散射法的粉塵濃度檢測技術研究[J].電子設計工程， 2015（24）:116-118.

[5]周向陽，張雅琴，劉麗.基于光散射法的 PM2.5全自動檢測儀的實現 [J].光電技術應用，2015，30（4）:55-57.

[6]江賢志，劉華章，張教育，等.基于C8051F020單片機的RS485串行通信設計[J].電子測量技術，2014（3）:121-124.

[7]Holmes B M，Naeem M A，Hutchings D C，et al.A semiconductor laser with monolithically integrated dynamic polarization control[J].Optics express， 2012， 20（18）:20545-20550.

[8]Kamrani E， Lesage F， Sawan M.Low-noise，high-gain transimpedance amplifier integrated with SiAPD forlow-intensity near-infrared light detection[J].IEEE Sensors Journal， 2014， 14（1）:258-269.

[9]Van Hoi T，Long H D，Duong B G.High gain low noise amplifier design used for RF front end application [C]//The 2013 IEICE International Conference on Intergrated Circuits， Design， and Verification.2013:243-247.

[10]鄭家鳳，陳偉.一種小型半導體激光器驅動電源研究[J].光學與光電技術，2015（6）:18-21.

[11]符永宏，潘國平，盛占石，等.基于 CPLD與單片機的激光脈沖控制卡設計[J].江蘇大學學報:自然科學版， 2012，33（5）:561-566.

[12]Ahmed M，El-Sayed N Z，Ibrahim H.Chaos and noise control by current modulation in semiconductor lasers subject to optical feedback[J].The European Physical Journal D， 2012，66（5）:1-10.

[13]Ohtsubo J.Semiconductor lasers:stability，instability and chaos[M].Springer，2012.

[14]Behnia S， Afrang S， Akhshani A， et al.A novel method for controlling chaos in external cavity semiconductor laser[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics， 2013，124 （8）:757-764.

[15]Waite M，Prata S，Martin D.C primer plus[M].Sams，1987.

[16]Prata S.C++primer plus[M].SAMS publishing，2002.

[17]徐洋，彭龍，左艷，等.2～12GHz超寬帶帶狀線定向耦合器的設計[J].電子科技，2016（5）：16-18.

[18]侯宏錄，崔凱，陳海濱，等.激光差分探測的懸浮物濃度測量技術研究 [J].西安工業大學學報，2015（10）:775-779.

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稿件編號201608151

張振興（1990—），男，河南鹿邑人，碩士研究生。研究方向：環境檢測儀表。