激光差分探测的悬浮物浓度测量技术研究＊

侯宏录，崔 凯，陈海滨，刘 凯

（西安工业大学 光电工程学院，西安710021）

伴随当今社会工农业生产的飞速发展，自然环境中悬浮物的污染越来越严重，已影响到大气环境和人类健康．为了改善这一现状，对悬浮物浓度进行检测在环境保护、工业生产和科学研究等领域有着十分重要的意义．

国内外对悬浮物浓度检测已有多年的研究经验，按照检测方法的不同一般可分为两大类：非光学分析法和光学分析法［1］．其中非光学分析法主要包括黑度法、超声波技术、气敏法和热催化法等；光学分析法主要包括光干涉法、差分吸收光谱技术和拉曼散射激光雷达技术等．非光学分析法已经在这一领域得到了广泛的应用，但由于检测设备响应速度慢，处理复杂，难于对悬浮物浓度进行实时检测，也无法进行遥感监测，因此其应用范围受到限制．相比较于非光学分析法，基于光学分析的气体浓度检测技术具有探测灵敏度高、选择性强，可探测的气体种类多、响应速度快等特点，适合现场实时监测，成本较低［2］，其必将成为未来悬浮物浓度检测的理想工具．光散射法是利用光信号照射在悬浮颗粒产生散射，通过测量散射光强度而获得浓度［3］．但是测量环境，如温度、湿度、压力等会对测量结果产生较大影响．与传统的单光路测量相比较，文献［4-5］中提出差分吸收光谱技术，虽然差分技术可消除大气湍流对信号的影响，以及不同污染物之间的干扰和湿度、气溶胶的干扰，能够满足连续监测的要求，但是该方法要根据吸收光谱的变化快慢对光谱进行分解，只适用于具有窄带吸收结构的气体，对不同的气体监测需要安装不同的光程和接收装置，操作过于复杂．拉曼散射激光雷达是根据激光拉曼散射光频率相对于入射光频率发生变化，产生拉曼频移，其频移量取决于大气中的气体成分而实现测量［6-7］，该方法的测量结果容易受到外界环境干扰，检测精度、线性度和信噪比还有待进一步提高．

本文为了实现对悬浮物浓度的实时检测，使相对误差控制在15%之内，提出一种基于激光差分探测的悬浮物浓度测量方法，将单光源分为双光路既可消除检测时光强等的干扰，又避免了使用双光源检测而引入的差异，同时对检测系统进行了标定，经过原理样机系统搭建与测试，验证了探测系统的正确性．

1 光散射测量原理

当一束光强为I0的激光束通过不均匀颗粒介质后，光强会发生散射，导致激光传播方向偏离，激光能量衰减，光散射测量原理如图1所示．为了得到光在颗粒介质中的衰减规律，由朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律可知光强I将会按照下式衰减为

式中：τ为介质浊度；l为光程．

图1 光散射测量原理Fig．1 Measuring principle of light scattering

如果被测颗粒是球形颗粒，且各个颗粒的光散射满足不相关的单散射，N个粒径为D，迎光面积为a的单分散颗粒系，由光散射和吸收而引起的浊度为

式中：λ为波长；m为颗粒周围分散介质的折射率；kext为当被测颗粒系存在吸收和散射时的消光系数．

将式（2）代入式（1）后可得

其中I／I0为消光或者消光值．

实际情况下，被测颗粒大多不是单分散颗粒系，而是具有一定尺寸分布范围的多分散颗粒系，此时该介质的浊度为

将式（4）代入式（1）后可得

式中：a和b分别为颗粒尺寸分布的下限和上限；N（D）为以颗粒数计的尺寸分布函数．

由式（3）或式（5）可知，测得出射光与入射光强度的比值I／I0后，如果已知入射光波长λ，光程l以及被测颗粒折射率m，即可得到待测颗粒的尺寸分布函数N（D）和浓度，体积浓度可表示为

若密度ρ已知，则待测颗粒的质量浓度表示为

因此，要获得悬浮物的质量浓度，就需要测量出经过悬浮物颗粒后的透射光强I．

2 悬浮颗粒浓度激光差分探测系统设计

根据激光在悬浮物颗粒中传播的散射原理，当光通过不均匀介质以后，光强发生衰减．当一束单色平行光照射到悬浮物颗粒中并传播一定距离时，由于微粒的散射作用，出射光强会有一定程度的衰减，由朗伯-比尔（Lambert-Beer）光透射定律可得到出射光强与入射光强的关系．

图2 系统总体方案设计Fig．2 The overall system design

系统总体方案设计如图2所示，总体方案采用双光路差分探测的方法．该悬浮物浓度检测系统主要包括半导体激光器、λ／2波片、偏振分束器、反射镜和光电差分探测器等．除探测光光路必须暴露于测试环境之中，整个悬浮物浓度检测装置位于一个密闭腔体之内．半导体激光器用于产生功率稳定的线偏振激光输出．λ／2波片用于调整激光的偏振方向，使之以适当的偏振角入射到偏振分束器上．偏振分束器将偏振光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，配合λ／2波片，可以得到功率完全相等的两束激光．由于激光信号为线偏振光，因此可避免杂散光所带来的影响．其中一束激光作为参考光照射到差分探测器的一个光电传感器上，另一束光作为探测光经过待测环境中的悬浮物后照射到差分探测器的另一个光电传感器上．探测光光强经过测试环境中的悬浮物时会发生衰减，与未经过测试环境的参考光光强产生对比．光电差分探测器接收到这两路光信号后输出相应电压信号，经过放大、滤波、采样后，获得判断悬浮物浓度的观测数据．

其中参考光路的作用是补偿大气环境与探测光路参数不对称、温度变化对测量精度的影响．一方面用来作为未衰减光束的参考标准，另一方面可以消除激光器输出功率波动造成的测量误差．在物质扩散之前，首先对大气环境进行测量，通过调节半波片使差分探测器输出信号为零．再在此基础上将待测物质释放并进行测量，从而获得悬浮物的实际浓度．

3 实验测量与分析

在实验测量之前，需采用标准的悬浮物浓度测试仪对实验系统进行标定，仪器测量范围为0～100mg·m-3，测量精度为±1%，远小于本系统所要求±15%的相对误差，即该粉尘仪可用来对此激光差分探测器的输出值进行标定．采用人工方式，通过香烟在实验室内产生烟雾，进行测试．在气室内产生烟雾，并用标定仪器实时监测烟雾浓度，检测时间为10min，如图3所示，可以看到气室内烟雾浓度C随时间t逐渐上升，在60mg·m-3附近会有所起伏，最后达到70mg·m-3．同时用光电差分探测器对系统进行探测，其中探测光路的光通过标定仪器的探测位置，用差分探测器接收探测光和参考光，两者被差分探测器差分并放大输出，接示波器得到电压信号．

通过对激光进行调制，差分探测器输出到示波器为同样调制频率的信号，可以测得输出信号的峰值差V作为激光差分探测系统输出信号，如图4所示．

对激光差分探测输出与标准浓度随时间变化进行分析比较，可得到激光差分探测器输出电压随标准浓度变化的关系如图5所示．

图3 标准浓度随时间变化曲线Fig．3 The curve of standard concentration with time

图4 差分输出电压随时间变化曲线Fig．4 The curve of differential output voltage with time

图5 激光差分探测器输出随标准浓度变化Fig．5 The output of laser differential detector vs．the standard concentration

通过对比，可以发现两者变化规律具有相似性，尤其当粉尘仪测得浓度值超过30mg·m-3时图形的线性度较好．在此基础上，对激光差分探测系统的输出值进行标定．如果光束在悬浮物中的传输距离固定，光强与浓度满足公式

式中：C为悬浮物浓度；I0为未衰减光强；I为经过悬浮颗粒散射之后的光强；α为吸收系数．激光差分探测系统输出电压与光强之间满足关系式

式中：G为增益系数；V为探测器输出电压．在探测光被完全损耗或者遮挡下，输出电压与光强之间满足关系

因此，可以根据差分探测器输出电压V与标定仪器测量所得的烟雾浓度C得到系数α，有

通过测量多组数据求得α，并求平均值可以实现对系统的标定．比较标定后激光差分探测系统的输出结果与标定仪器的输出结果，如图6所示，可以看到在较小浓度条件下，两曲线有明显偏离，而在150s之后，超过30mg·m-3，实测值与参考值比较接近．对于较小浓度条件下的偏离，主要是较稀薄浓度与较高浓度对激光的不同散射规律以及气流扰动所带来的干扰所致．认为烟雾浓度低于30mg·m-3时为稀薄浓度．

图6 标定后实际测试结果与标定仪器测试结果比较Fig．6 The comparison of actual test results after calibration and the test results of calibration instrument

图6中，实线对应激光差分探测系统标定后的实测结果，虚线对应标定仪器的测试结果以作参考．另外，计算得出了150s之后，激光差分探测系统输出相对于标定探测仪器输出的相对误差，如图7所示．

由实验结果可知，将粉尘仪测得的浓度值作为标准值，由光电差分探测器输出信号计算得到的浓度值作为实际测量值，实测浓度值与标准浓度值的相对误差可维持在12%之内．

因此，经过标定之后，激光差分探测系统可以对超过30mg·m-3的较高浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现12%以内的浓度测量．

图7 悬浮物浓度测试误差Fig．7 The test error of suspended matter concentration

在此基础上，通过悬浮物浓度测量系统重复进行了两组实验，测试误差分别维持在11%～12%之内，则可认为该测量系统具有较小的测量不确定度．影响测量的不确定度主要由外界环境干扰、实验仪器自身偏差以及度数不准确等所导致．

4 结 论

1）以基于激光差分探测的悬浮物浓度测量方法为基础，搭建了一套原理样机系统，获取了悬浮物颗粒浓度与光强衰减的关系，并通过实验验证了系统模型的正确性．

2）利用标准气溶胶浓度测试仪器对系统完成了标定，以人工方式产生的烟雾作为实验媒质对悬浮物浓度进行测量，对超过30mg·m-3的较高浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现了12%以内的浓度测量，达到精度要求．

3）经过一定程度的改进和具体结构设计，该激光差分悬浮物浓度测量系统可用于实时测量烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒含量的测量．为了进一步研究，获得更好的检测精度，可选用灵敏度更高的光电探测器，并匹配对应波长进行研究．

［1］ 郑龙江，李鹏，秦瑞峰，等．气体浓度检测光学技术的研究现状和发展趋势［J］．激光与光电子学进展，2008，45（8）：24．ZHENG Long-jiang，LI Peng，QIN Rui-feng，et al．Research Situation and Developing Tendency for Optical Measurement Technology of Gas Density［J］．Laser and Optoelectronics Progress，2008，45（8）：24．（in Chinese）

［2］ 江福椿，朱昌平，林善明，等．气体浓度检测技术的现状和应用［J］．河海大学常州分校学报，2004，18（1）：16．JIANG Fu-chun，ZHU Chang-ping，LIN Shan-ming，et al．The Present Situation and Application of Gas Concentration Detecting Technology［J］．Journal of Hehai University Changzhou，2004，18（1）：16．（in Chinese）

［3］ 李晓帆，刘天生，王鹏飞．基于光散射测量原理的粉尘浓度检测仪的设计［J］．机械管理开发，2009，24（6）：61．LI Xiao-fan，LIU Tian-sheng，WANG Peng-fei．A Design of Powder Measurement Instrument Based on Light Absorbing Principle［J］．Mechanical Management and Development，2009，24（6）：61．（in Chinese）

［4］ 张景超，刘魁，曹彦鹏，等．基于相关光谱的差分甲烷检测方法［J］．传感技术学报，2010，23（2）：168．ZHANG Jing-chao，LIU Kui，CAO Yan-peng，et al．Methane Detection Method Based on Correlation Spectroscopy and Differential Absorption［J］．Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（2）：168．（in Chinese）

［5］ 王玉田，郭增军，王莉田．差分吸收式光纤甲烷气体传感器的研究［J］．光电子·激光，2001，12（7）：675．WANG Yu-tian，GUO Zeng-jun，WANG Li-tian．Study on Difference Absorption and Optical Fiber Based CH4Sensor［J］．Journal of Optoelectronics·Laser，2001，12（7）：675．（in Chinese）

［6］ 夏俊荣，张镭．Mie散射激光雷达探测大气气溶胶的进展［J］．干旱气象，2006，24（4）：68．XIA Jun-rong，ZHANG Lei．Advances in Detecting Aerosols with Mie Lidar［J］．Journal of Arid Meteorology，2006，24（4）：68．（in Chinese）

［7］ 张振荣，胡志云，刘晶儒，等．单脉冲喇曼散射技术测量高压燃烧场组分浓度［J］．光学技术，2009，35（2）：272．ZHANG Zhen-rong，HU Zhi-yun，LIU Jing-ru，et al．Measurements of Major Species in a High-pressure Combustion Using Single-pulse Spontaneous Raman Scattering［J］．Optical Technique，2009，35（2）：272．（in Chinese）