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基于激光散射法的PM2.5在气体管道的自动监测系统设计

摘要：本文介绍了一种以半导体激光器作为光源，随着空气中尘埃粒子的粒子数浓度变化而建立起的实时测量光学系统。根据Mie散射理论以及光散射特性对光学系统的响应，本文给出了详细的系统结构原理及如何使用光学传感器。实验结果表明，对于大气环境中的PM2.5（可入肺颗粒物）监测计数，该系统具有较高的精度、重复性和计数效率。

1.简介

于2012年发布的“中国环境空气质量标准”，是中国环境保护史上的一个里程碑。特别是在环境保护方面，中国将对环境提出更高的监控要求。在空气中的灰尘浓度是一个很重要的空气质量指标，空气悬浮颗粒（也即是“尘”）对人体健康危害极大，特别是在小直径颗粒物，危害更是令人难以置信。环境保护部门把空气中等效直径小于10mu;m的颗粒物叫作可吸入颗粒物，而空气中等效直径小于2.5mu;m的颗粒物可直接由肺部吸收进入支气管，并且在血液中不会很快地被肝脏解毒，因此损坏了血红蛋白携带氧气的能力，对人体造成极大的伤害^[1]。粉尘浓度测试方法常采用了抽样称重法，但这种方法很难实现在线测量，而且系统具有体积庞大，价格昂贵等缺点。利用光散射法的粉尘测量技术满足快速测量，重现性好等性能，并适用于在线测量的要求，所以这种利用光散射理论的粉尘测量方法已越来越多地应用于测量粉尘浓度。

对粉尘浓度进行测定的激光测量仪，利用悬浮颗粒物（灰尘）在光束中产生散射的原理，直接而准确地测量悬浮颗粒物在空气中相对浓度。在尘埃颗粒相对较小，浓度相对低，颗粒均匀分布的情况下，粉尘浓度和散射光强度呈线性关系。

本系统利用半导体激光器作为光源，以一种光电二极管作为接收器，借助单片机芯片进行控制动作和处理测量得到的数据。该系统具有体积小、重量轻、易操作、低功耗的优点。

2.测量方法理论

激光散射法是利用所测的悬浮颗粒物产生的散射光强度正比例于所测量悬浮颗粒物质的体积这个原理。通过激光照射到颗粒的表面来计算让光产生散射的颗粒物直径这方法，如果你知道被测量悬浮颗粒物密度，就可以探测到环境中悬浮颗粒物的浓度。在光学尘埃计数仪器的性能表现评估方面，通常会给出一个专门的散射函数，这个函数表现了散射通量与颗粒物体积（或浓度）和颗粒物大小成比例变化。该专门的散射函数计算如下：

P_lambda;S(d_p，m，lambda;)= P_lambda;(d_p，m，lambda;)/(pi;d_psup3;／6)

其中，d_p表示悬浮颗粒的直径，m表示悬浮粒子的复折射率，lambda;表示照射光源的波长，P_lambda;(d_p，m，lambda;)表示了若悬浮颗粒物直径为d_p、悬浮颗粒物的复折射率为m，在波长为lambda;的照射光源下的散射通量。散射通量的趋势变化是由光散射的类型决定：当小颗粒物的直径d_p lt;lambda;，主要为瑞利散射，P_lambda;(d_p，m，lambda;)和d_p的6次方成正；当小颗粒物的直径d_pgt;lambda;，主要为夫琅禾费衍射，P_lambda;(d_p，m，lambda;)和d_p的2次方成正；而当d_p与波长lambda;相接近时，则主要表现为米氏散射，仅在这一范围内P_lambda;(d_p，m，lambda;)与粒子的体积（质量浓度）是成比例的。因此，在颗粒相对较小、浓度相对较低的灰尘颗粒环境里，通过选择适合的光源，灰尘浓度和一个散射后的固定角度光强是成正比的，基于此，要尽量使系统工作在符合条件的情况^[2-4]。

3.光学传感器的设计

光学粒子计数器光学系统由照明系统、散射光收集系统、气动系统三个部分组成，三个地区的交集点即为光敏区。我们设计了如图2所示的光学系统，这是一个垂直式散射光学系统，如照明系统的光轴，散射光系统的轴线、集气系统的轴线相交于光敏区的中心，并且三条轴线相互垂直。垂直式散射光学系能够很好地阻止环境的光噪声以及来自光源的杂散光，得到一个较高的信噪比，因此这种设计的光学粒子计数系统可以应用于许多场合。

A.光源系统

光源系统由半导体激光器、准直透镜、柱面透镜和光学陷阱部分组成。半导体激光器发出的激光束通过准直柱面透镜聚焦后，光束聚焦在一维感光面积上。在平面光轴上的轴线、气体流动方向和散射光收集系统的光轴两两垂直。激光束穿过感光区域进入光学陷阱后，光束被光陷阱吸收^[5]。

B.光源的选择

光是一种客观存在的物质，具有波动性和粒子性，以电磁波的形式传播，可见光（对人眼可以看到光）是整个电磁频谱的一小部分。不同波长的光所呈现出的不同颜色（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫），随着频率的增大，波长逐渐变短。仅包含一个单一波长的光称为单色，包括2个或更多波长的光称为复合光。

光和物质相互作用时，粒子性较为明显，常把光看成是光子，光子和其它粒子一样，具有能量，光子的能量和光波频率的关系如式所示：

E=hv

式中：h是普朗克常数，h=6.63xl0^-34Js。光的能量就是所有光子的能量总和，光照射到物质上后，光子会被物质吸收或发射^[6]。

单光子的频率越高，能量越大。单个光子能量的大小在光电转换过程中的重要作用。微波的单光子能量最小，产生光电效应不明显，X射线和Y射线对人有危害，而可见光和红外光的单光子能量居中。

考虑到本课题拟采用光散射法测量，在光路系统搭建过程中需要保证对准，产生光路发射、收集、气路系统相互垂直，由于红外光不可见使得对准时增添很多麻烦，而且在周围环境当中红外辐射源太多，物体的发热就会产生辐射，干扰信号太多，影响测量结果。另外，当空气中湿度较大或者颗粒物杂质含水较多时，由于水分会对红外光吸收，利用红外光作为光源测量显然会使得测量数据偏小。鉴于此，综合考虑并结合本课题的实际情况，本系统釆用可见光作为测量系统光源的选择。可见光里面包含了几种不同的单色光，而光的折射率在不同介质中也不相同，可见自然光通过被测粉尘颗粒时产生的散射是多个不同的单色光产生的复合散射，计算分析起来过于复杂，本文拟采用单色光作为光源。

然而，在可见光里面的七种单色光中选择哪种光作为入射光，这需要运用光学知识来分析。查阅相关资料显示，单色光源波长通过对消光系数的影响，从而影响粉尘浓度的测量。根据兰伯特-比尔定律，如果K_ext增大，即较大的尘埃消光系数，测量的颗粒将更大地吸收光线，有助于提高测量测量系统灵敏度。如果K_ext减少，则削弱颗粒吸收光线的能力。基于Mie散射理论，首先计算照明光源的波长与消光系数的关系式，然后分析，以提供波长选择基础。消光系数公式内容如下：

K_ext=Re(a_n b_n)

公式中，数n是一个阶数，a_n、b_n和散射折射率系数m、直径d、波长都是已知的，然后根据Mie散射理论和算法，可以计算通过使用计算机计算得出光源的波长与消光系数的关系^[7-8]。

图1 光源波长与消光系数之间的关系

图1显示，随着入射光的波长的增加，消光系数K_ext也增加。为了增加的系统的灵敏度，则入射波波长应尽可能大。可见光中波长最大的是红色，因此，考虑系统的实际情况和上述试验中的尘埃颗粒的范围，将选择630nm-780nm红波段。然而，对于波长选择并不是唯一的，主要看试验物质的参数，如材料、直径等，综合考虑所有情况，我们可以确定波长的选择。

然而，根据它们的发光物质不同（如气体、液体、固体和半导体），激光器分成很多种类型。在这样的各种激光器中，半导体激光器凭借它的显著优势得到了更广泛的应用。半导体激光器最显著的特性是体积小、重量轻、结构紧凑、点燃方便、寿命长、光束质量好等。气体激光器和固体激光器的长度一般至少有几厘米到几米长或更多。然而，半导体激光本身只是一个针孔那么大，它的长度小于1mm，这使得它安装在一个外壳或晶体管时，看起来像它安装在两侧的电极，重量比2g少，因此使用起来非常方便。

激光功率越大，发生散射后产生的散射光的光强越强，所以尽量选取功率较大的激光器作为光源，有利于实验数据的采集，但超过5mw的激光会对人眼造成伤害，所以在这种情况下，除了考虑额外的保护措施外，同时考虑到大功率激光器体积不利于系统的便携式设计，我们选择650nm波长、功率5mw的激光管，工作电压3.0V半导体激光模块作为光源。

C.散射光收集系统

散射光收集系统由一个球形凹面镜、聚焦透镜和光电二极管组成的。球形凹面镜作为主要接收散射光收集器件。整个散射光收集系统的重点是光敏区的中心。散射光在某一固定的角度范围产生的散射光强与颗粒物浓度成正比。由球面反射镜反射的光变成一束平行的散射光束，通过光敏感区，经由聚焦镜汇聚后照射到光电二极管的光感应区，光电二极管输出与颗粒物浓度大小成正比的脉冲电流信号，再经过后续放大电路的筛选和测量后，便测得不同粒径颗粒的数目的空气浓度。光发射光路上的聚焦镜到光敏感区的距离为焦距透镜焦距，这样保证了在光敏感区的光束最集中，光强也越大，发生散射越明显；光电传感器到透镜的距离与聚焦镜焦距相同，保证了散射光经过凹面反光镜反射后的光会经过聚焦到光电传感器上，使得接收到尽量多的散射光。为了排除外界光源对检测仪测量信号的影响，对本系统的内外表面涂上黑色漆，避免外界白光的影响，这样光路系统与外界隔离，形成一个独立环境，另一方面也避免散射光在光路系统内表面发生多次反射和散射。

随着光伏技术的快速发展，由于半导体的持续改进，光电器件性能日益增强，具有体积小、速度快、响应快等特点。为了有效检测粒子散射光信号强弱和易于实现小型化，人们一般选择高灵敏度的PIN型光电接收器作为光电转换器。由于PIN型光电二极管的I层较厚，并工作在反向偏置区，耗尽区的增加使得节点处的厚度变厚，以提高光的吸收率和光电转换区域的量子效率。另一方面PIN型光电二极管也增加了对长波的灵敏度，波长的响应范围为0.4mu;m -1.1mu;m，此外，因为I层较厚，工作在反向偏置区，可以承受高的反向偏置电压，使线性输出范围变宽。总体而言，PIN型光电二极管具有响应快，灵敏度高，宽范围的波长响应特性^[9-10]。

为了提高光学系统传感器的单调响应特性，采用直角散射光收集系统收集散射光角度为20°到160°的散射光。图2所示的是光学系统结构：

图2 光学系统结构

原始的光电流信号经过前置放大器后（I/V转换后），输出一个电压信号，再通过主放大器（一到二级，倍率可调）到后续的模数转换器所需幅度；可调放大倍数的设计的另一个效果是可以进行主放大器的灵敏度校正，以便当光学仪器进行光强测量时保持系统的灵敏度不变。前置放大器和主放大器工作在低频率域，且使用积分电路。

通过使用一个对数形式的前置放大器，这是可以在测量颗粒大小时，以扩大其频谱宽度和散射光脉冲的带宽的动态重合范围。光电二极管输出的电脉冲信号经过前置放大器后，进行输出噪声的滤除，并放大到适当的幅度，再经过激光粒子计数器的后续处理电路后，在确定测量粒度的脉冲信号的峰值功率的基础上进行文件计数，并最终获得空气中各种尺寸的灰尘颗粒的测量浓度。

4.数据测量与校正

用一个模数转换器直接、实时地把主放大器的输出电压值转换成数字量，在一个采样周期内重复测量，最后

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