基于角散射原理的粉塵質(zhì)量濃度測(cè)量研究

許方華

（成都派斯光科技有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

民用家居環(huán)境的粉塵測(cè)量，不同于工業(yè)環(huán)境的測(cè)試，需要成本價(jià)格極低、體積小，同時(shí)還要滿(mǎn)足一定的測(cè)量精度要求，符合家居生活體驗(yàn)。一般而言，高精度的粉塵測(cè)量需要有較為復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，加上其他測(cè)量系統(tǒng)部分，其體積、成本價(jià)格均難以滿(mǎn)足民用家居領(lǐng)域的普遍要求。鑒于此，筆者根據(jù)光角散射的基本原理，研究以激光發(fā)射管作為光源的粉塵質(zhì)量濃度的測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)樣品具有體積小、成本低的特征，通過(guò)對(duì)樣品的測(cè)試與驗(yàn)證，其精度達(dá)到±10%以?xún)?nèi)的高精度水平[1]。

1 測(cè)量原理

角散射法測(cè)量原理如圖1所示。來(lái)自激光管的光束經(jīng)透鏡聚焦形成一細(xì)小明亮的束腰，在束腰中定義一測(cè)量區(qū)，測(cè)量區(qū)的容積要足夠小，使得每一瞬間只有一個(gè)顆粒流過(guò)。被測(cè)介質(zhì)(液體或氣體)由一進(jìn)樣系統(tǒng)送入流經(jīng)測(cè)量區(qū)[2]。當(dāng)存在于介質(zhì)中的顆粒經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)時(shí)，被入射激光照射產(chǎn)生散射光，某個(gè)(或幾個(gè))角度下的散射光由光學(xué)系統(tǒng)采集，經(jīng)光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。根據(jù)Mie理論可知，顆粒的散射光分布與粒徑相關(guān)，粒徑不同時(shí)，散射光的分布就不同。因此，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)所采集到的散射光信號(hào)可以確定顆粒的粒徑大小。當(dāng)顆粒流出測(cè)量區(qū)后，或某一瞬間流過(guò)測(cè)量區(qū)的介質(zhì)中沒(méi)有顆粒時(shí)，散射光以及相應(yīng)的電信號(hào)為零。待下一個(gè)顆粒流過(guò)測(cè)量區(qū)時(shí)，光電系統(tǒng)又給出一個(gè)與其粒徑相應(yīng)的電信號(hào)。因此，測(cè)量到的是一個(gè)又一個(gè)的電脈沖，脈沖數(shù)就是顆粒數(shù)。測(cè)得顆粒物的粒徑及數(shù)量后，根據(jù)物質(zhì)的密度參數(shù)可計(jì)得得出粉塵質(zhì)量濃度[3]。

圖1 角散射顆粒測(cè)量的光學(xué)原理

在實(shí)際應(yīng)用中，若完全按此原理，設(shè)計(jì)出的測(cè)量系統(tǒng)固然可獲得極高的測(cè)量精度，但其成本、體積顯然不低。筆者根據(jù)角散射的基本原理及其測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)，對(duì)上述光學(xué)測(cè)量腔進(jìn)行一定的改造，大幅度地縮小體積、降低成本，而在測(cè)量精度方面，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)電路設(shè)計(jì)、提高微處理器的信號(hào)智能處理能力（研究信號(hào)處理算法）來(lái)提高信號(hào)識(shí)別與粉塵質(zhì)量濃度計(jì)算能力[4]。

2 測(cè)量技術(shù)研究

測(cè)量樣品（傳感器）的構(gòu)成如圖2，主要包括氣路部分、光路部分與電路部分。氣路部分主要由微型風(fēng)扇、光學(xué)測(cè)量腔、風(fēng)道組成；光路部分主要在光學(xué)測(cè)量腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)，由激光組件（由激光管與透鏡組成）、光敏管等元器件組成；電路部分主要實(shí)現(xiàn)氣路流量穩(wěn)定控制、信號(hào)采集與算法分析處理，主要包括微風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理電路、微處理器（MCU）等部分。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)組成

研究的主要目標(biāo)：低成本、小體積、高精度。采用以下方案：①采用微型風(fēng)扇。問(wèn)題點(diǎn)：流量低，難以將風(fēng)道做到很小，使粒子一個(gè)個(gè)排列經(jīng)過(guò)束腰測(cè)量區(qū)的。解決對(duì)策：風(fēng)道做大，同一時(shí)間將會(huì)有大量粒子經(jīng)過(guò)光學(xué)測(cè)量區(qū)，但這樣做又帶來(lái)粒子計(jì)數(shù)困難的問(wèn)題，這可以通過(guò)軟件算法彌補(bǔ)；②選用激光低功率器件。問(wèn)題點(diǎn)：散射光較弱，處理辦法：在充分避免干擾光的情況下光敏管盡可能地靠近激光束。由于信號(hào)十分微弱，需采用高靈敏、高信噪比的微弱信號(hào)放大電路，將光敏管接收到的散射光信號(hào)進(jìn)行不失真放大[5]。

激光管是間歇式周期性工作的。信號(hào)波形如上圖所示，MCU在進(jìn)行信號(hào)處理前，首先需要確定信號(hào)噪聲線ur，信號(hào)噪聲線是在激光關(guān)閉時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的，即在激光管關(guān)閉的過(guò)程中，信號(hào)電平就是噪聲線。在激光開(kāi)啟時(shí)間內(nèi)，噪聲水平ur以上，視為有效信號(hào)。理論上，一個(gè)完整的脈沖代表一個(gè)粒子，實(shí)際測(cè)試中，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約，部分粒子的信號(hào)并不能采集到，對(duì)于這點(diǎn)表面上看是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題點(diǎn)，而事實(shí)上正是這樣的特點(diǎn)，使得在高濃度環(huán)境中測(cè)試信號(hào)脈沖不重疊，這樣便于MCU進(jìn)行信號(hào)識(shí)別與處理計(jì)算。另外，從概率上講，由于數(shù)據(jù)基數(shù)大，單位時(shí)間內(nèi)采集到的信號(hào)量與粒子濃度是正相關(guān)的，因此，采集到的信號(hào)量只要“足夠”，是完全能滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的[6]。

3 實(shí)施與驗(yàn)證

單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量n計(jì)算方法是：當(dāng)信號(hào)電壓上升到大于Ur時(shí)，作為一個(gè)有效信號(hào)的起點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)電壓下降到小于或等于urur時(shí)，作為一個(gè)有效信號(hào)的結(jié)束點(diǎn)，以此在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

計(jì)算質(zhì)量濃度，采用單位時(shí)間內(nèi)的信號(hào)積分量E，具體如下：

圖3中單個(gè)脈沖信號(hào)的積分量Ei為：

圖3 信號(hào)波形圖

式中，uj-某個(gè)脈沖第j個(gè)采樣點(diǎn)的電壓值（可用AD值表示），k-脈沖的最后一個(gè)采樣點(diǎn)序號(hào)，T0-采樣時(shí)間間隔。則單位時(shí)間T內(nèi)的有用信號(hào)積分E為：

運(yùn)用最小二乘法作直線擬合,構(gòu)建PM-E的線性關(guān)系，詳細(xì)的擬合過(guò)程這里不贅述。根據(jù)擬合關(guān)系對(duì)樣品進(jìn)行擬合，擬合后選擇一濃度點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。在密閉測(cè)試房?jī)?nèi)進(jìn)行各濃度點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試，測(cè)試的PM2.5曲線圖及誤差如圖4、圖5所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)測(cè)試PM2.5 曲線

圖5 穩(wěn)態(tài)測(cè)試時(shí)各濃度點(diǎn)的誤差

4 結(jié)論

小批量制作了10pcs樣品，參考標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)各方面性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)，結(jié)論如下：①微型風(fēng)扇處于5000rpm、溫度為（25±5）℃、濕度（40～60）%RH、用焦油量為8mg的香煙測(cè)試時(shí)，在PM2.5值在0～1000ug/m3范圍內(nèi)，測(cè)量精度可達(dá)到±10%。②風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、溫濕度不變的條件下，換用其他粉塵，如干燥煤粉、ISO 12103-1 A1等粉塵進(jìn)行試驗(yàn)，其一致性在0～1000ug/m3范圍內(nèi)可達(dá)到±10%。③達(dá)成了低成本、小體積、在0～1000ug/m3量程內(nèi)高精度的測(cè)試需求。