单波长积分浊度仪的研制和若干设计问题

江世海戚 俊叶荣辉吕祚坤李 燕郭凤霞龚大伟李季

（1.中国科学院合肥物质科学研究院应用技术所，合肥 230088；2.中科院合肥技术创新工程院，合肥 231283）

单波长积分浊度仪的研制和若干设计问题

江世海1戚 俊1叶荣辉1吕祚坤1李 燕1郭凤霞1龚大伟1李季2

（1.中国科学院合肥物质科学研究院应用技术所，合肥 230088；2.中科院合肥技术创新工程院，合肥 231283）

散射系数是大气气溶胶光学特性的重要参数之一。浊度仪作为一种气溶胶散射系数的监测仪器，可以对气溶胶颗粒物的散射特性进行连续、实时的监测。本研究在充分借鉴国外仪器的设计原理与结构基础上，结合创新理念与设计，对仪器的光源、除湿单元、信号采集和控制及人机交互等模块进行重新设计并通过实验不断改进，最终实验数据与对比基准机达到很高的相关性，使得仪器具有了实际使用价值，且实际使用中性能稳定可靠、操作简便、交互与扩展性强。

气溶胶 散射系数 积分浊度仪 积分球光源

1 引言

大气气溶胶一般是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。它对气候变化［1］、云的形成［2］、能见度的改变［3］以及人类健康都有重要影响。因此对大气气溶胶研究成为当今气象行业一个重要的课题。散射特性作为大气气溶胶重要的光学性质之一，反映了气溶胶对辐射传输的影响［4］。同时也对气溶胶粒径尺度、化学构成、能见度等性质分析有着重要的参考依据，对其进行长期观测和资料积累有着十分重要的意义［5］。

浊度仪作为一种气溶胶散射系数的监测仪器，可以对气溶胶颗粒物的散射特性进行连续、实时监测，在气象部门业已开展的大气成分、沙尘暴等观测业务和科学研究中得到了广泛使用［6］。从上个世纪50年代第一台积分式浊度仪诞生的随后几十年应用中，浊度仪相关技术不断成熟，出现了如美国TSI公司的三波长积分浊度仪和澳大利亚ECOTECH公司生产的单波长和三波长积分浊度仪。但是国内国产化仪器一直没有同类产品，需要采购进口产品。而国外仪器设计上存在有缺陷，如采用的LED阵列光源余弦特性较差，采样气体干燥采用电加热法会破坏气溶胶本身理化特性从而影响测量准确性等问题。为此，在中国气象局行业专项的支持下，我们联合开展了单波长积分浊度仪的国产化研制工作，对光源、气溶胶除湿、信号检测与控制及人机交互方面重新设计并在实际使用和监测中不断进行优化改造。本项目研制的单波长积分浊度仪在长时间监测运行条件下具有性能稳定、机器结构简单、操作简便、交互和可操作性强等优点。

2 积分浊度仪的测量原理

积分浊度仪是以物质对光的消光性质和比尔－朗伯定律为基本原理的测量散射系数的仪器［7］。积分浊度仪利用这一原理，通过一个光强稳定为l0的光源对采样的气溶胶进行照射，进而产生散射信号进入到光检测器中。其光学模型如图1所示。

图1 积分式浊度仪光学原理图

当φ角度上的光源存在余弦特性时，可设其光强分布满足散射函数β（θ）［8］。则探测器前光阑立体角度内接收的光强与单位体积dv上的入射光强密度Pdv有如下关系：

而单位体积上的入射光强密度Pdv为

y和Iθ是由仪器结构决定的常数，因此由光检测器测得散射光强l可以直接得到散射系数σscat。

3 仪器总体设计

本项目研制的单波长积分浊度仪由光学腔、气路系统、信号处理与控制系统三部分组成。其总体结构框图如图2所示。

光学腔为仪器光学测量的核心区域，为散射信号的测量提供一个相对稳定的测量环境，其内部设计有光源、散射快门、光电探测器等。测量时光源提供照射以产生散射光，再由光电探测器将样气在光学腔中形成的锥形区域内散射光进行收集和光电转换。而散射快门的作用是提供性质稳定的参考光，以便校正由于光源的光强波动和光电倍增管的倍率漂移引起的误差。

气路系统作为仪器内气体循环的通路，由样气气路和校准气气路两部分组成。样气气路提供环境气体进入仪器内测量的通道，同时完成气体检测前的除湿处理准备。标准气气路用以完成仪器工作曲线校准的校准气气路可根据校准的需求实现零气和校准气的工作切换。气路系统中还设计有气路流向控制部件（如电磁阀），动力供给部件（如气泵），温度、湿度传感器等。实现气路运行状态的控制和检测。

信号处理与控制系统作为仪器的控制核心，一方面根据工作时序控制相应的功能部件执行动作；另一方面完成对各种测量信号（温度、湿度、压力、光强等）的实时采集、处理。触摸屏作为人机交互的媒介，实现接收操作者调控命令并反馈给微处理器；同时兼顾数据的显示与储存，以及与外界通讯的功能。触摸屏技术的引入使仪器操作更加简便，极大提升了仪器的人机交互的能力。

图2 单波长积分浊度仪总体结构框图

4 若干主要设计问题

在单波长积分浊度仪的整体研制方案中，充分借鉴了国外仪器的设计思路，并结合现代仪器智能化的应用需求，在仪器的光源设计、除湿单元设计、信号采集和控制及人机交互设计等方面提出了新的思路。

4.1 基于积分球的余弦光源设计

根据积分浊度仪的测量原理，照射光源只有在具有余弦特性的情况下，才能满足测量原理中的计算公式。因此光源余弦特性的好坏直接影响仪器测量的准确性。国外浊度仪的余弦光源通常采用LED阵列来实现。在使用中需要对阵列中每个LED精确调试才能使光源出射光有良好余弦特性，因此使用和维护都较为繁琐。本设计采用了基于积分球式余弦光源，其结构如图3所示，内部选择中心波长为530nm高稳定性大功率漫反射LED灯珠。

积分球外壳支架为金属材料，腔内固定有球形PTFE漫反射材料。LED灯珠嵌入安装在积分球侧面内部［9］，且有多个安装位置可供选择，为实现多波长测量的拓展打下基础。灯珠从入射光孔发出的光线在球形内壁中经多次反射后均匀的从出射光孔射出，因此避免了LED光源入射角度、空间分布及极化特性对出射光的影响［10］，并且出射光具有良好的余弦特性，实物图见图4。

图3 积分球光源结构示意图

图4 积分球实物

为验证积分球出射光辐射特性，设计了验证平台，结构如图5所示。将积分球固定在光学平台上，通过在0～π角度范围内移动固定在连轴支架另一端的探测器［11］，测得积分球不同角度的光强数值并绘制曲线。经实际测试，积分球辐射光源的角度响应曲线如图6所示。

图5 积分球光源辐射特性测试平台示意图

从测量数据分析可知：在10°～170°范围内，基于积分球式光源余弦特性测量值与理论值偏差≤9%，在25°～155°范围内偏差将缩减到3%。而同类型国外仪器的LED阵列光源只有在38°～150°内才能达到≤9%水平且光源偏差分布不均匀。因此，基于积分球式光源的余弦特性，其用于单波长积分浊度仪的优势明显。该技术方案不仅保留了LED阵列光源发光效率高、发热少、寿命好等优点，而且光源的余弦特性有了明显改善，同时在探测光源波长的拓展上更为便捷，使仪器后期的使用和维护成本大大减少。

图6 辐射光源的角度响应曲线

4.2 除湿单元设计

悬浮在大气中的气溶胶颗粒，其形态、性质无时无刻不在发生着各种变化，而大气中的水汽就是影响这种变化的最重要因子之一。水汽在气溶胶颗粒表面上凝结，使得颗粒增大，这种现象被称为气溶胶的亲水增长［12］。由于气溶胶颗粒构成组分的亲水性质不同，实际大气中的气溶胶粒子往往具有不同的亲水增长能力，这种亲水特性的差异明显影响着气溶胶颗粒在大气环境中特性和行为［13］。一般来说，当相对湿度较大时［14］，可溶性气溶胶颗粒物的吸湿潮解会导致质量浓度、粒径以及复折射指数等性质的改变［15］，影响气溶胶的散射能力和清除速率等。浊度仪作为一种在线实时测量气溶胶散射系数的监测仪器，在应用中必须加以除湿装置来消除湿度对散射系数测量造成的影响。而传统基于电加热的除湿方法，在除去水分的同时，也破坏了气溶胶的组分，影响最终的测量结果的真实性与准确性［16］。为此，在除湿方法的设计上，我们设计了基于Nafion材料的膜式过滤器为核心的除湿装置，利用该材料中磺酸基的亲水特性有针对性吸收采样气体中水分，同时辅以设计外围部件，最大程度上保证了气溶胶组分完整性，且使其达到连续、高效的除湿效果。

除湿装置及外围部件如图7所示。

图7 Nafion结构及工作示意图

除湿装置在使用中需要提供稳定洁净的吹扫气源。Nafion除湿效果与内外壁的压力差、气体流速、环境温度等因素有关［17］。吹扫气的流速一般设定为采样流速的2～3倍，同时吹扫气气压与采样气压力差≤0.5bar，且比采样气气压小。对于除湿装置的除湿效果，我们进行了实际验证（图8），在室温下（24～25℃），当室内湿度维持在60～70%之间时，经Nafion管为核心的除湿装置除湿后的样气相对湿度能迅速降至30%以下，并可稳定在20%以内，除湿效果显著。

图8 除湿曲线图

4.3 信号采集和控制

积分浊度仪电路控制系统的工作流程较为复杂，一方面需要控制光源、电磁阀、气泵、散射快门等外设的工作过程，另一方面需要根据工作时序多次采集温度、湿度、压力、光子计数等信号并进行散射系数的计算。为此我们设计的硬件电路以基于51单片机外加CPLD作为处理器。8051系列单片机性能稳定，外围器件丰富，在工业控制领域应用广泛。CPLD用于配合单片机完成对PMT模块输出的电平信号进行高速准确计数，同时为数据的读取提供缓存。另外考虑到未来仪器的升级换代，硬件设计时也为以后扩展成多波段浊度仪留有足够的资源。

通过适当的外围扩展，该电路完全能够满足仪器控制的需求。且电路结构简单，性能稳定可靠。其结构示意图如9所示。

9 基于单片机和CPLD的微处理控制电路原理框图

其中光电信号检测是散射系数测量的关键。为能够精确采集到散射产生的弱光电信号，在设计时采用光电倍增管PMT作为光检测器。光电倍增管（PMT）是一种基于外光电效应、采用二次发射倍增系统的真空探测器。它响应时间短、灵敏度高、噪声低，能够输出适合光子计数用的离散脉冲信号，是一种理想的光子计数探测器［18］。其工作原理为通过甄别弱光电信号的光子流并在激发后输出自然离散的电信号，因而能从噪声中有效提取出光信号，相比于传统弱光电信号检测中通过搭建级联放大电路将光信号从噪声中提取出来的方式具有输出信噪比高，抗温漂特性好，电路设计简单，可靠性高［19］等优势。设计选择滨松H7155系列PMT，集成了单光子探测器和单光子计数模块。其灵敏度高，脉冲信号频率高，暗电流小，在实际使用中效果理想。

4.4 人机交互设计

为用户提供一个界面友好的人机交互环境是仪器智能化的一个重要标志，基于便捷的人机交互理念对浊度仪进行液晶触摸屏操作方式开发，在设计中主要考虑：

（1）人性化界面设计上首先要考虑根据功能内容，访问查看顺序与控制流程等设计主界面和二级界面；其次，将仪器功能打包提供一键式操作选项。仪器将根据相关内容自动执行，无需人为干预。例如：仪器校准，实时测量等；在数据显示上应能将实时监测数据以多种形式进行直观展现，如数据表格，数据曲线等；

（2）数据端口设计齐全，且进行开放，为仪器的二次开发及功能拓展提供支持；

（3）设计上需满足监测数据长期、连续存储的需求，支持利用外部存储设备（如：SD卡等）进行仪器存储容量的扩容。

图10～图13为触摸屏部分操作界面图。

图10 数据表格界面

图11 数据曲线界面

图12 检查校准参数设置界面

图13 实时测量界面

此外，考虑到仪器二次开发的需求，且为了使仪器方便室外长时间监测与数据采集记录，结合串口协议的开放开发了基于GPRS数据模块的远程数据传输系统。通过该数据模块可以将不同站点的多台仪器的数据实时采集观测，实现了仪器监测数据远程控制。可满足对偏远观测台站监测数据实时采集的需求（图14、图15）。

图14 数据传输模块实物

图15 基于GPRS数据模块的远程数据传输平台结构示意图

5 实验验证

为测试仪器数据的准确性，结合当下新型高效光声光谱分析技术［20］，我们选用美国DMT公司生产的PAX532光声光谱仪作为实验比对对象。通过构建实验环境并24小时连续测试室外环境下真实大气气溶胶散射系数，收集数据并整理分析作图如图16、图17。

图16 单波长积分浊度仪与PAX532数据对比曲线图

图17 两台仪器之间测试数据相关性

测试结果表明：在不考虑仪器工作时序、标校方法、自身背景噪声等因素造成测量误差的情况下，我们研制的单波长积分浊度仪与光声光谱仪PAX532测得的散射系数随时间变化趋势仍具有较高的一致性，相关性达到90%以上。

除此之外，我们还验证了浊度仪性能的稳定性。搭建实验测试平台后，将三台同型号单波长积分浊度仪同时在线进行24小时连续室外测试后收集数据并整理分析。分析结果表明：我们研制的单波长积分浊度仪多台仪器之间测得的散射系数具有较好的一致性，两两之间相关性均超过90%。数据分析结果如图18、图19所示。

图18 三台浊度仪室外测试测量数据对比曲线图

图19 三台仪器两两之间相关性

从对比测试的结果可以得到结论：本项目研制的单波长浊度仪仪器性能稳定可靠，且测得数据具有较高的准确性。

6 总结

参考国外同类型仪器设计结构基础与原理，结合多种创新设计，进行了一种单波长积分式浊度仪的研制，开发了新型样机。通过采用基于积分球的光源设计优化光源余弦性能；通过构建基于Nafion材料的除湿装置设计，在降低样气相对湿度的同时最大程度保证气溶胶组分的完整性；通过CPLD和PMT结合方式简化了获得散射信号难度；通过人性化触摸屏界面设计使仪器人机交互更便捷。最后通过比对实验验证了仪器的稳定性和准确性。目前已将前期研制的单波长积分浊度仪样机交予中国气象局作进一步测试。后期将根据反馈的结果作进一步优化，共同推进单波长积分浊度仪业务化使用进程。

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Development of a single wavelength integral nephelometer.

Jiang Shihai1，Qi Jun1，Ye Ronghui1，Lü Zuokun1，Li Yan1，Guo Fengxia1，Gong Dawei1，Li Ji2

（1.Institute of Applied Technology，Hefei Institution of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230088，China；2.Hefei Institute of Technology Innovation，Chinese Academy of Sciences，Hefei 231283，China）

Scattering coefficient is one of the important parameters of atmospheric aerosol optical properties.Nephelometer as a monitoring instrument of aerosol scattering coefficient，can real－time monitor the scattering characteristics of aerosol particulate mattercontinuously.In this paper，on the basis and structure foundation of the foreign instrument，the lightsource，dehumidification unit，signal acquisition and control and human－computer interaction were developed by new design and improved by experiment.The data from the nephelometer and standard instrument highly correlated with each other at last.The developed instrument has stable performance，simple operation，easy communication and expansion in practical application.

aerosol；scattering coefficient；integrating nephelometer；integrating sphere light source

10.3936／j.issn.1001－232x.2015.05.002

2015－04－24

大气成分观测业务规范及数据综合处理系统研究项目（GYHY201206037）资助课题。

江世海，男，1989年出生，助理工程师，学士，主要从事仪器研制。

戚俊男，1971年出生，博士，研究员，研究方向为微机控制与光电检测，E－mail：jqi＠aiofm.ac.cn。