双光路粉尘浓度监测系统研究

李霄霄

【摘 要】针对以往测量粉尘浓度时会受实验者的主观因素和光源稳定性等影响的缺点，本系统利用激光经粉尘时产生的散射、吸收特性与粉尘尺寸、扩散浓度和周围环境的特性，达到粉尘浓度监测的目的。系统采用双光束探测法，把探测及参考光线分别送到两个光电探测器，比较两者的输出信号，得光强变化，用一种做除法的方式完全去掉两份光束中成比例的误差，不但消掉了光源波动带来的误差，还能消除温度、昼夜光线改变等成分带来的影响。

【关键词】粉尘浓度；双光路；除法比较

中图分类号： X831 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0090-002

【Abstract】Aiming at the shortcomings that the experimenter's subjective factors and light source stability affect the measurement of dust concentration in the past，this system uses the scattering，absorption characteristics and dust size， diffusion concentration and the characteristics of the surrounding environment when the laser passes the dust，To achieve the purpose of dust concentration monitoring.The system uses double beam detection method， the detection and reference light were sent to two photodetectors，comparing the output signal of the two，the light intensity changes，using a division method to completely remove the two beams in proportion to the error，Not only eliminates the error caused by fluctuations in light sources，but also eliminate the impact of temperature，light changes in day and night and other ingredients.

【Key words】Dust concentration；Dual optical path；Division comparison

0 引言

隨科学技术快速发展，资源过度开采带来环境污染问题，工业和农业发展带来了严重的粉尘危害。政府过去忽视大气治理，监管力度、治理水平等方面存在不少漏洞，环境监测工作难以满足社会发展要求，制约了环境保护事业发展。要想解决粉尘浓度监测范围的老难题，就要解决系统在线检测难，测量精密度低，受环境影响大等难题。

全球粉尘污染越来越严重，这就对粉尘浓度在线监测提出更细致更严厉的要求。例如光电检测法，运用的光散射理论和透射式测量技术被广泛应用于分析粉尘浓度。这些均是非接触式测量，当颗粒粒径变化较大，实验仪器的标定条件改变会产生额外误差，需改进检测系统，本论文是一种更精确有效的监测粉尘新方法。

1 光散射测量原理

让一束单色平行光在粉尘中传播一段距离，因为粉尘自身的散射及吸收特性，出射时必定会衰减，可以由朗伯一比尔光透射定律得到出射光强与入射光强的关系，需要测得入射光和透射光的强度或比值I/I0，假设入射光波长λ，光在粉尘中传播路程l及粉尘微粒折射率m已经获得，则颗粒尺寸分布函数N（D）与体积浓度也可求出，再知粉尘密度ρ，则可用体积浓度表示质量浓度。综上，要取得粉尘的质量浓度，需测出粉尘颗粒浓度改变时的透射光强。

以往将参考和测量光束作减法的差分法不能全部消去光源波动带来的误差。若两束激光的强度不等，但光强波动在两个通道产生的变化是同比例的，本文采取的是除法比较的方法，可使两份光束中成比例的误差信号完全去除。本方法不但能消除光源波动带来的误差，对气温变化、观察窗染尘等影响都有很好的消除作用，也使仪器的维护次数极大减少。

2 系统设计及器件的选择

2.1 系统总体方案设计

采用双光束探测法，多提供一束参考光，将探测光和参考光送入两个光电探测器，比较两者电信号输出，计算光强的改变值，参考光路对补偿大气环境与探测光路的参数不对称、温度改变对精密度影响起到很大作用。一是能作为未衰减光束的参考标准，二是能消去激光器的输出功率波动产生的实验误差。用除法比较法把测量和参考光束中成比例的误差信号完全除去，不仅消除光源波动产生的误差，对温度和环境光线改变带来的影响都能起到特别好的消除作用。

2.2 仪器选择

粉尘浓度监测系统的仪器主要包括激光器驱动、半透半反镜、扩束镜、透镜、光电探测器，A/D转换器等。使用扩束镜的目的是为扩大经过粉尘区域的光束截面，让更大区域的浓度信号被收集到，可以测量更低浓度的粉尘，对测量结果准确性有很大提升。

3 实验步骤

粉尘浓度监测仪器的实验步骤如下：

1）在监测前标定粉尘浓度测量所需的参数；

2）没有粉尘时，在两光电探测器的接收处分别记下测量和参考光束的原光强Im0和IR0；有粉尘的时候，记下测量以及参考光束光强：Im、Ir。比较Ir和Ir0有无不同。

4 实验测量与分析endprint

假设粉尘颗粒的尺寸分布函数切合罗森—拉姆勒分布，实验使用的红光激光器波长为650nm。用光波振幅表示颗粒浓度变化范围，实验测得未经过粉尘时光波通过气室的直路峰值平均值与经过粉尘的近似相等，示波器输出信号近似为0。当经过粉尘时，光波振幅开始衰减，随粉尘扩散，光波振幅逐渐下降，突然振幅变大，再到0。应该是因为粉尘散开时，在某一时刻都堆积到气室口，使振幅有一个大的回升。

实验后可知入射光强和光波的衰减中有颗粒尺寸浓度信息，实验可得输出电压值，将光强与输出电压做成关系曲线，把关系曲线上的典型点做成光强与电压的对应关系表，用电压值查表得出光强，再将其代进浓度公式，知入射波长，光程和颗粒折射率，由激光在颗粒中传播衰减原理得颗粒尺寸分布函数，通过 Mei 散射推出粒子数浓度，即可得到粉尘质量浓度。整个实验标定有两部分：颗粒粒径的标定和浓度的标定。颗粒粒径的标定可将颗粒粒径按标准颗粒的粒径假设，通过测量跟实际数据对比进行反演；浓度标定可用标准浓度作为输入量，做出输出光强或电压曲线，即可得到输出电压对应浓度值。此系统预先按最大粉尘浓度为设，当浓度增加，出射光强逐渐减小。当透光率最小，衰减值最大，它所对应的光波振幅也最大。故实验结果与计算模拟结果吻合，表明该系统能实时显示物质浓度的变化情况。

5 结论

随工业农业发展越来越快，解决粉尘浓度的实时监测问题迫在眉睫。本论文通过介绍粉尘浓度测量技术，详细分析了粉尘浓度测量原理，描述了双光路光学粉尘颗粒浓度监测法中系数的标定方法，演算出有应用意义的计算公式；分析了测量过程中光源光强波动、温度变化等影响测量结果的因素，提出一种新的除法思路有效的解决了误差影响，重新设计了测量光路，对系统测量的准确度有很大提升，并经过试验也验证了新思路的准确性。

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