基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法

侯宏录　崔凯　陈海滨　刘凯

摘要：提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法，用于测量烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒的含量。利用悬浮颗粒对光的散射，可以在不影响悬浮物颗粒特性的前提下，对其实现实时在线监测。另外，借助于参考光与测试光的直接差分放大，可以消除激光能量起伏以及其他扰动对测量的干扰。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究，获取悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系，搭建了一套激光差分探测悬浮物质量浓度的实验系统，进行烟雾质量浓度的实际测量，验证了该测量方法的可行性。

关键词：悬浮物； 差分探测； 光散射

中图分类号： TN 249 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.004

Abstract：A method based on laser difference detection for measuring suspended matter concentration is introduced in the paper. It can be used for the concentration measurement of suspended particles such as smog， dust and other aerosols. Based on the light scattering effect of the suspended particles， realtime monitoring of the suspended particles without changing their properties can be achieved. By means of a direct amplification of the differential signal of the test and reference light， fluctuations of the laser energy can be reduced. The measuring principles and methods are presented in detail. Through the study of the light decaying mechanism during laser propagating in the suspended particles， the relationship between the suspended matter concentration and light intensity attenuation is deduced. We also build a laser differential detection system for the measurement of the suspended matter concentration. By measuring the smog of known concentration， practical feasibility of the measurement method is verified.

Keywords： suspended matter； difference detection； light scattering

引 言

随着工农业的发展，大气中悬浮物的污染越来越严重，极度危害着大气环境质量和人类健康。因此，悬浮物质量浓度的测量在环境保护、工业生产和科学研究等领域有着十分重要的意义[1]。

目前，国内外对于粉尘质量浓度检测技术的研究越来越重视，经过对悬浮物质量浓度检测技术的多年研究，可将其质量浓度的检测方法分为两大类：非光学分析法和光学分析法。其中非光学分析法主要有黑度法、超声波技术、气敏法、热催化法等；光学分析法主要有光干涉法、差分吸收光谱技术、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术和拉曼散射激光雷达技术等[2]。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监测，也无法进行遥感监测，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，必将成为未来悬浮物质量浓度检测的理想工具。光干涉法是利用光的折射率与被测气体的含量来检测气体体积分数，测量环境，如温度、湿度、压力等会对测量结果产生较大影响。差分吸收光谱技术是根据大气中衡量气体成分在紫外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和质量浓度[34]。差分技术可消除大气湍流对信号的影响，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[5]。可调谐激光二极管激光吸收光谱技术是最近发展起来的一种高灵敏、高分辨率的大气衡量气体吸收光谱检测技术，但是该方法调谐范围有限，限制了可探测的气体种类。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的，该方法的检测精度、线性度和信噪比还有待进一步提高。

为了能够实现对悬浮物的实时探测，使相对误差控制在15%之内，根据悬浮物颗粒对光的散射信息来测量散射颗粒的质量浓度、大小及尺寸分布情况[67]，提出一种基于激光差分探测的悬浮物质量浓度测量方法，采用光散射的方法进行差分检测，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，同时考虑在适当的散射模型中改变激光频率大小来观察测试结果的变化，以改善对悬浮物质量浓度的测量精度。

2 激光差分悬浮颗粒质量浓度探测系统与差分探测电路设计

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，光强要发生衰减。当一束单色平行光照射到悬浮物颗粒中并传播一定长度的距离时，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（LambertBeer）光透射定律可得到出射光强与入射光强的关系。

系统总体方案如图2所示，采用双光路差分探测方法。该悬浮物浓度检测系统包括光源稳定控制模块、半导体激光器、λ/2波片、偏振分束器、反光镜、光电差分探测器、滤波电路、A/D转换模块、单片机等。除探测光光路暴露于测试环境之中，整个悬浮物质量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。一束激光作为参考光送入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[910]。

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差分信号。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，获得悬浮物质量浓度的观测数据。

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，从而可以获得悬浮物的实际质量浓度。

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。

图3所示的是三运放高共模抑制比光电差分放大电路，经过此电路可将光电转换后得到的两路电压信号进行差分放大，使其达到可检测范围。它由五个集成运算放大器组成，其中AR21、AR22为性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入的通用集成运放器，构成平衡对称差动放大输入级，AR23构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制AR21、AR22的共模信号。由于该电路具有高共模抑制比，所以差分电路对温漂具有很强的抑制能力，测量结果准确度较高。电路中光电二极管输出电流约为几毫安，为了便于观测，将光电差分放大电路的放大倍数设定为500倍，其中光电转换模块放大50倍，差分放大模块放大10倍。

由于激光器脉宽可调，实验中所采用的调制频率为100 Hz，即激光信号脉冲宽度最小为10 ms，由式（6）可得放大电路带宽应大于89 Hz。光电转换电路中AR21、AR22单位增益带宽为1.6 MHz，为了获得50倍的闭环增益，则运放在理论上可处理矩形脉冲信号的最大频率为1.6 MHz/50=32 kHz。又由于差分放大模块中AR23增益带宽为0.5 MHz，因此放大电路的设计满足带宽限制。

当AR21、AR22性能一致时，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压相关，而其共模输出、失调及漂移均在R205两端相互抵消，因此电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。为了消除AR21、AR22偏置电流等的影响，通常取R201=R2011。另外，本电路还具有增益调节功能，调节R205可以改变增益而不影响电路的对称性。通过Multisim对光电差分放大电路进行仿真，仿真结果如图4～6所示。

由仿真结果可知V1out处电压脉冲值为76.6 mV，V2out处电压脉冲值为153.1 mV，经过差分放大后输出电压脉冲值为1.515 V，则认为光电差分放大电路可实现对差分光路的探测。

3 激光器调制频率和探测波长选择

3.1 激光调制频率选择

为了便于在示波器中观测并有利于后续电路处理，对半导体激光器的频率进行调制，使其输出方波信号，即利用信号发生器产生的调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变其输出特性。

在待测悬浮物颗粒质量浓度一定的情况下，随着激光光源调制频率的变化，会引起光信号接收装置（光电差分探测器）接收到的光信号改变，从而使光电差分探测器输出的电压信号发生变化。为了得到理想的探测信号，在实验之前，首先需要确定激光光源的调制频率。分析激光光源频率与光电差分探测器输出信号之间关系时，将探测光完全遮挡，通过改变激光光源的输出频率，得到光电差分探测器电压输出信号与频率的关系如图7所示。

由图可知，随着激光光源频率的升高，光电差分探测器输出信号会逐渐降低，在0～50 kHz范围内输出信号与光源频率呈线性关系，当激光频率达到50 kHz或者更大时，光电差分探测器输出的电信号发生骤降，因此50 kHz认为是探测器所能检测到激光信号的截止频率。最终实验中选择调制频率为100 Hz。

3.2 最佳探测波长选取

图8为BPX65光电二极管光谱响应曲线。BPX65作为光电探测器，具有光谱灵敏度高，响应速度快，频响范围宽的特点。为了获得较高的检测灵敏度，提高检测精度，分别针对405 nm、658 nm、780 nm这三种波长的可调制半导体激光器输出光通过物质后的散射特性做了测试。由于在绝大多数情况下，实验产生烟雾粒度成分及大小与实际测量时的烟雾颗粒成分及大小都是不相同的。不过一些典型应用场合下的烟雾颗粒成分及大小都会表现出共同的特征，因此可针对这些典型应用场合，分别进行标定，并将标定结果预置于测量电路之中。实验时选择对粒径为0.1～2 μm的烟雾粒子进行标定，经过后续检测可得出激光通过烟雾后所显现的共同特征。测试中物质的标准质量浓度由质量浓度标定仪给出。标定仪测量范围为0～500 mg/m3，测量精度为±1%。经过对烟雾质量浓度检测，分别得到了输出电压随质量浓度变化的关系，并对测试结果做了非线性拟合，如图9所示。

4 实验测量与分析

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11所示，可以看到在较小质量浓度条件下，两曲线有明显偏离，而标准浓度超过6.95 mg/m3后，实测值与参考值非常接近。对于较小质量浓度条件下的偏离，应是较稀薄质量浓度与较高质量浓度对激光的不同散射规律所致。

其中，实线对应激光差分探测系统标定后的实测拟合结果，圆点对应标定仪器的结果以作参考。标准质量浓度超过6.95 mg/m3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12所示。

由实验结果可知，将粉尘仪测得的质量浓度值作为标准值，由光电差分探测器输出信号计算得到的质量浓度值作为实际测量值，实测质量浓度值与标准质量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30 mg/m3的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现相对误差在12%以内的质量浓度测量。

5 结 论

本文提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究，获取了悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系，激光光源频率与响应度的关系以及激光器波长与探测器响应度的关系。通过标准气溶胶质量浓度测试仪对系统进行了标定，并以人工方式产生烟雾为实验媒质使用该系统进行悬浮物质量浓度测量，对超过30 mg/m3的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现了相对误差在12%以内的质量浓度测量。经过适当的改进，该测量系统可用于烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒含量的实时测量。

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（编辑：张 磊）