基于光散射的粉塵濃度測量的研究

1、基于光散射的粉塵濃度測量的研究蘇州大學物理科學與技術(shù)學院胡澄鄒麗新季晶晶中國科學院上海光學精密機械研究所黃惠杰摘要文章介紹了一種智能激光粉塵測試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)設計,詳細給出了系統(tǒng)光學傳感器的原理結(jié)構(gòu)及使用方法,傳感器非線性信號處理以及系統(tǒng)的數(shù)字濾波方案。最后系統(tǒng)測量了蘇州大學物理實驗中心外距地面約2米的空氣中的粉塵相對質(zhì)量濃度,連續(xù)測量36天,并與國家環(huán)?？偩痔K州地區(qū)每天預報的空氣污染指數(shù)轉(zhuǎn)換后的可吸入顆粒物(PM10濃度值相比較,得出對應關系,運用MATLAB 擬和直線對系統(tǒng)進行標定。關鍵詞粉塵激光單片機A/D 轉(zhuǎn)換Investigation of Dust Density Measure

2、m ent Based on Scattering TheoryBy HU Cheng ,ZOU Lixin,JI Jingjing and HUANG HuijieAbstract A design including both hardware and software is developed for a kind of intelligent laser dusttest system.It specifies the principle and application of the laser sensor,signal non-linearization processing of

3、 sensor and the scheme of digital filtering .The system measured the dust relative density outside the physical experiment center of Suzhou University for 36days.The results were compared with API (converse to the density of PM10,which is forecast by national environmental protection bureau everyday

4、.Keywords Dust Laser Single-chip microcomputer A/D conversion.The College of Physical Science and Technical,Suzhou University,Jiangsu,China胡澄,男,1981年生,碩士研究生。215021蘇州市平江區(qū)東環(huán)新村73幢606室(051267264709收稿日期:2006-6-6修回日期:2007-5-121前言空氣中的粉塵濃度是衡量空氣質(zhì)量的一個重要指標,空氣中的懸浮顆粒物(也稱“粉塵”對人體健康危害極大,尤其以小粒徑顆粒物為甚。環(huán)境保護部門將空氣動力學當量直徑

5、10m 的顆粒物稱為可吸入顆粒物,而將空氣動力學當量直徑7.07m 的顆粒物稱為呼吸性顆粒物1。測試粉塵濃度的方法常采用取樣稱重法,但是該方法存在著難以實現(xiàn)在線測量的缺點。采用光散射的測量方法具有測量速度快,重復性好的特點,適用于在線測量的要求。因此這種利用光散射理論的方法已越來越多的應用于測量粉塵的濃度2。激光粉塵濃度測量儀以懸浮顆粒物(粉塵在光束中產(chǎn)生的光散射現(xiàn)象為原理,直接準確測量空氣中懸浮顆粒物的相對質(zhì)量濃度。在粉塵顆粒比較小,濃度比較低,顆粒物分布比較均勻的情況下,粉塵的散射光強度于其質(zhì)量濃度存在著線性關系。系統(tǒng)以半導體激光器為光源,以光電二極管作為光電接收器,以微機控制測量過程、處

6、理測量結(jié)果,測量結(jié)果自動保存并可打印輸出。儀器按照計量檢定規(guī)程JJG846-93光散射式數(shù)字粉塵測試儀進行性能檢定;具有體積小、重量輕、操作簡便、功耗低等優(yōu)點。2工作原理與基本組成具有良好性能的光學粉塵儀,接收到的由被測懸浮顆粒物產(chǎn)生的散射光強度應與被測懸浮物顆粒物的體積成正比。如已知被測懸浮顆粒物的密度,即可知道被檢測環(huán)境中的懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度。因此,在評價光學粉塵儀的性能時,通常采用特殊散射函數(shù)(Specific Scattering Function ,其定義是單個顆粒物產(chǎn)生的散射光通量與顆粒物體積(或質(zhì)量濃度之比值隨顆粒物粒徑的變化函數(shù)。特殊散射函數(shù)計算公式如下:P !s (d p

7、,m ,!=P !(d p ,m ,!/("d 3p /6式中,d p 是懸浮顆粒物的直徑,m 是懸浮顆粒物的復折射率,是照明光波長,P !(d p ,m ,!是直徑為d p 、復折射率為m 的一個懸浮顆粒物,在波長為的光波照明下產(chǎn)生的散射光通量。散射光通量的變化趨勢是由光散射類型決定的:對于d p <的小粒子,主要表現(xiàn)為Rayleigh 散射,P !(d p ,m ,!與d p 6成正比;而對于d p <的小粒子主要表現(xiàn)為衍射,P !(d p ,m ,!與d p 2成正比;而對于d p 與接近的粒子,主要表現(xiàn)為Mie 散射(體積散射,P !(d p ,m ,!與d p

8、3成正比,即只有在這個區(qū)域P !(d p ,m ,!與粒子體積(質(zhì)量濃度成正比,因此,在粉塵顆粒物比較小,濃度比較低,粉塵性質(zhì)一定的情況下,粉塵的質(zhì)量濃度與一定立體角散射的光強度成正比,本系統(tǒng)通過選擇合適的光源,使系統(tǒng)盡量工作在此區(qū)域。系統(tǒng)主要由光學傳感器(包括氣路系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換與信號處理系統(tǒng)、微機控制與管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。圖1為儀器總體原理框圖,光學傳感器由照明系統(tǒng)、散射光收集系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)組成,三個系統(tǒng)的軸線相互垂直,交點周圍的一個小區(qū)域是儀器的光敏感區(qū)。照明系統(tǒng)主要由半導體激光器、準直鏡、柱面聚焦鏡、光陷阱組成。散射光收集系統(tǒng)由球面反射鏡、聚焦鏡和光闌組成。氣路系統(tǒng)由進氣口、排氣口和

9、抽氣泵組成。光電轉(zhuǎn)換與信號處理系統(tǒng)由光電二極管、前置放大器、主放大器、A/D 變換器、數(shù)據(jù)采集與接口電路等組成。微機控制與管理系統(tǒng)由CPU 、控制接口電路、存儲器、及LCD 顯示器、操作鍵、打印機等外設組成。電源系統(tǒng)為一個高性能開關電源,可輸出±5V 、±12V 四種直流電壓,分別為半導體激光器、抽氣泵、各種放大器、微機等供電。2.1光學傳感器采用LD 作光源、直角方向接收散射光、PD 作光電探測器。氣路系統(tǒng)的流程:采樣口(可加粒徑預分級器散射腔氣泵儀器氣流出口。氣路中不設流量計,在儀器調(diào)試和標定時外接流量計檢查、調(diào)節(jié)流量。2.2電子信號處理系統(tǒng)光學傳感器PD 輸出的光電流

10、信號先經(jīng)一個前置放大器變成電壓信號(I/V 轉(zhuǎn)換,而后再經(jīng)過主放大器(一到二級,倍率可調(diào)放大至后續(xù)A/D 變換器所需的幅值;主放大器的另一個作用是作靈敏度校正,以便在光源等的強度變化時儀器測量靈敏度保持不變。前置放大器、主放大器工作于低頻區(qū),采用積分電路。用一個A/D 變換器直接將主放大器實時輸出的電壓V 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,在一個采樣周期內(nèi)取多次測量結(jié)果,最后給出一個平均值。根據(jù)測量所得且扣除了本底噪聲值的電壓值得到粉塵相對質(zhì)量濃度值C ,然后乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)P ,計算得到粉塵質(zhì)量濃度值:C m =(V S -V n ×P ,式中C m 是粉塵質(zhì)量濃度(單位:mg/m 3,Vs 是測量電壓值

11、,Vn 是本底噪聲電壓值(即在自凈情況下測量的電壓值,P-粉塵質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)。轉(zhuǎn)換系數(shù)P 與被測粉塵物質(zhì)的特性有關,需做標定,因此只要做過一次標定以后就能非常方便的實時測量特定地區(qū)的粉塵濃度。質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)圖1儀器總體原理框圖進氣口靈敏度調(diào)節(jié)前置放大器光學傳感器電源抽氣泵內(nèi)存電源-220V 50Hz+5V-5V+12V-12V打印機數(shù)據(jù)采集接口電路A/D 變換CPULCD顯示器操作鍵圖2光學傳感器光路圖P采用國家環(huán)境保護總局蘇州地區(qū)每天報告的空氣污染指數(shù)轉(zhuǎn)換成可吸入物(PM10的濃度后與本系統(tǒng)測量值相比較而得。P=C0/(V S-V n=C0/C,式中, C0為空氣污染指數(shù)轉(zhuǎn)換后的可吸入物

12、(PM10濃度值(mg/m3,C為儀器在P=1時測得的讀數(shù)值(粉塵相對質(zhì)量濃度值。2.3微機控制與管理系統(tǒng)這部分把A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳給8051單片機。并通過單片機控制LCD顯示器和微型打印機,實時顯示各種重要參數(shù)和測量日期與時間,并把測量數(shù)據(jù)實時打印出來。(1采用LCD同時顯示各種測量參數(shù)。(2通過4位半A/D轉(zhuǎn)換器7135進行A/D轉(zhuǎn)換,并通過8051中斷控制把A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀到CPU的P0口同時把數(shù)據(jù)保存在存儲器中。(3通過時鐘芯片DS12C8873設置和保存日期、時間、轉(zhuǎn)換系數(shù)P和測量周期U,可隨時調(diào)用,并可以隨時重新設定。單片機再通過數(shù)據(jù)總線讀取DS12C887內(nèi)存

13、中的設定的數(shù)據(jù),通過LCD把時間、日期和各種重要參數(shù)顯示出來,并通過讀取的U值來控制一個繼電器的通斷來控制抽氣泵抽氣時間,測量周期U即為抽氣泵抽氣時間。(4靈敏度校正與本底計數(shù)值測量:在自凈狀況下,儀器測得的電壓值即為本底值Vn。比較該本底值與出廠前儀器標定值是否一致。若兩者不一致,則可通過調(diào)節(jié)電子信號處理系統(tǒng)的放大倍數(shù),使本底值與出廠前儀器標定值一致。本底值可保存在內(nèi)存中,在計算測量所得粉塵質(zhì)量濃度值時應以扣除。(5通過8051單片機擴展了8K的SRAM DCM0064B-7把測量結(jié)果保存在里面,供以后查閱,查閱時也可打印輸出。系統(tǒng)還設計了一個RS232C4標準串行接口可與PC機聯(lián)網(wǎng),PC機

14、可讀取儀器內(nèi)存中的測量結(jié)果。3軟件設計與流程系統(tǒng)軟件使用MSC-51系列匯編語言設計,軟件設計采用模塊化程序結(jié)構(gòu),由系統(tǒng)主程序、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輸出控制模塊、數(shù)碼顯示模塊和串行口通信模塊等幾大模塊組成。3.1數(shù)據(jù)采集程序設計系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集取決于采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片,考慮粉塵濃度變化比較緩慢,系統(tǒng)使用了低速高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL71355,它是一種常用的四位半雙積分單片集成ADC芯片,分辨率相當于14位二進制數(shù),轉(zhuǎn)換精度高,轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB;芯片采用自動校零技術(shù),可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定開始保存中斷環(huán)境選通第1塊74LS244讀P0.4ND5高電平?N選通第2塊

15、74LS244,保存B1和P01n=4Dn高電平?選通第1塊74LS244讀P0.(n-1選通第2塊74LS24Daten=Po從Daten提取8421位值,合成Bn數(shù)值并保存n=n-1n=02YN恢復中斷環(huán)境中斷返回圖3數(shù)據(jù)采集流程圖開始I=循環(huán)初值1J=I+1S(I!S(J?YNNNS(I與S(J互換J=J+1J=n?I=I+1Data=中間值返回I=n-1?圖4中值濾波流程圖性。7135工作的參考電壓是由TL431組成的電路提供,4040把8051的ALE 四分頻為7135提供125KHz 工作時鐘。數(shù)據(jù)的讀取利用2個74LS244擴展輸入口的方法通過程序控制把7135的各種狀態(tài)信號和A

16、/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀到8051的P0口并把A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在8K 的SRAM DCM0064B-7中,7135的BUSY 引腳直接接到單片機的中斷輸入端口INT0,BUSY 為高電平時7135進行A/D 轉(zhuǎn)換,當BUSY 變?yōu)榈碗娖絾訂纹瑱C的中斷服務程序讀取A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。根據(jù)7135的工作時序和系統(tǒng)電路連接特點,單片機采用中斷與查詢相結(jié)合的工作方式,由硬件啟動中斷服務程序,進入中斷服務程序后執(zhí)行查詢狀態(tài)位的工作然后把相應位的A/D 讀取并保存在存儲器中,相應的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。3.2數(shù)據(jù)處理(1傳感器非線性信號處理人們使用傳感器總希望傳感器的輸出量和他所測量的輸入量呈線性

17、關系,但由于傳感器內(nèi)部因素和測量誤差等原因,傳感器的輸入-輸出特性在整個測量范圍內(nèi)往往不是嚴格的直線關系。在系統(tǒng)中測量得到的是傳感器和采集電路變換的電壓信日期測量平均值日期首要污染物API 指數(shù)濃度(mg/m 3無420.042號,為了真實地反映被測量的粉塵濃度值,需要將根據(jù)系統(tǒng)特性在測量范圍內(nèi)將環(huán)境濃度與采集電壓之間的關系作一個誤差盡可能小的標定,依據(jù)此標定關系,將測量得到的電壓信號真實地轉(zhuǎn)化成被測環(huán)境的粉塵濃度值。系統(tǒng)采用的是分段插值法對系統(tǒng)測量值和目標值進行標定的。(2數(shù)據(jù)濾波處理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)時,由于各種干擾的存在,使得系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)有一定的波動,數(shù)據(jù)偏離其真實數(shù)據(jù)6。去掉采

18、樣數(shù)據(jù)中的干擾成分除了硬件上采取一些必要的抗干擾技術(shù)外,本系統(tǒng)還對輸入數(shù)據(jù)采用了一定的數(shù)字濾波處理。先采用奇異值濾波,將采樣數(shù)據(jù)序列中有明顯錯誤的數(shù)據(jù)剔除掉;然后再對余下的數(shù)據(jù)采取中值濾波算法,其主要算法為:開辟n個連續(xù)數(shù)據(jù)存儲單元,采集原始數(shù)據(jù)依次進入排成隊列,每來一組新數(shù)據(jù)時,隊列中最早進入的一組數(shù)據(jù)出列,其它數(shù)據(jù)邏輯上集體向前移動一位,新數(shù)據(jù)填補到隊列最后端。對隊列中的數(shù)據(jù)按從小到大的順序排隊,取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù),其算法流程如圖4所示。4系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量與標定系統(tǒng)測量了在蘇州大學物理實驗中心外距地面約2米空氣中的粉塵相對質(zhì)量濃度,并與國家環(huán)境保護總局給出的蘇州地區(qū)API(空氣污染

19、指數(shù)轉(zhuǎn)換后的可吸入物濃度相比較,對系統(tǒng)進行P值的標定。4.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量表1給出了1月23號到2月27號36天內(nèi)的每天系統(tǒng)實測的粉塵相對質(zhì)量濃度與當天天氣狀況:4.2空氣污染指數(shù)標準與濃度轉(zhuǎn)換關系由于蘇州地區(qū)首要污染物為可吸入顆粒物,因此只要知道API然后轉(zhuǎn)換成可吸入顆粒物(PM10的濃度就可以很好的對系統(tǒng)進行標定。通過國家環(huán)?？偩志W(wǎng)站給出的轉(zhuǎn)換公式得出蘇州地區(qū)PM10的濃度轉(zhuǎn)換公式為:I>50時,C=I500-0.05濃度單位(mg/m30<1<50時,C=I1000表2給出了1月23號到2月27號蘇州地區(qū)每天的API以及轉(zhuǎn)換成的可吸入物濃度值。4.3P值的標定以及誤差分析

20、(1P值的標定把1月23號到2月27號系統(tǒng)在蘇州大學物理實驗中心外距地面2米測量的粉塵相對質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)作為X,把相應國家環(huán)境保護總局給出的蘇州地區(qū)空氣污染指數(shù)(API轉(zhuǎn)換后的可吸入物濃度值作為Y,用MATLAB的最小二乘法函數(shù)擬和直線,得直線方程為:Y=0.5764X-0.0004(如圖5所示因此P=0.5764圖5測量粉塵相對質(zhì)量濃度值與環(huán)?？偩纸o出的API轉(zhuǎn)換后的可吸入物濃度值的關系圖:(2誤差分析從圖5可以看出當空氣中可吸入顆粒物濃度比較低時測量結(jié)果誤差很低,當濃度增加后,測量誤差有所提高。測量誤差變大主要是由于一定立體角散射光強度與顆粒濃度成正比是在顆粒濃度比較低,顆粒物分布比較均勻的

21、情況下推導出來的,是MIE散射的一種近似,忽略了MIE散射公式的多次散射級數(shù)項,因此濃度較高時誤差有所增加。其它類型誤差有非等速采樣的誤差和采樣管中微粒沉積的誤差、背景光引起的誤差、電子線路引起的誤差、周圍電磁場的干擾引起的誤差、天氣情況造成的誤差等。5應用結(jié)果粉塵測試儀通過實際使用,測量結(jié)果與國家環(huán)境保護總局給出的蘇州地區(qū)API(空氣污染指數(shù)轉(zhuǎn)換后的可吸入物濃度相比較,存在著較好的對應關系。通過定標后,可以用來檢測空氣中的粉塵濃圖5(下轉(zhuǎn)第31頁潔凈與空調(diào)技術(shù) 年第 期 可以廣泛應用于辦公環(huán)境， 消除室內(nèi)異味、煙塵， 殺滅呼吸道傳染病菌； 應用于家居 環(huán) 境 ， 可 去 除 家中臥室的人體異

22、味、衛(wèi)生間異味、廚房里的 腐霉味等； 應用于裝修環(huán)境， 能高效去除由于 使用油漆、復合板、防水涂料等產(chǎn)生的大量甲 醛、苯之類的有毒易揮發(fā)物； 應用于醫(yī)院環(huán)境， 可 清 除 空 氣 中 過 敏 性 疾 病的過敏源等； 應用于交 通環(huán)境， 可去除車、船、飛機內(nèi)煙、霧、人體異 味、裝飾材料揮發(fā)物等； 另外， 該裝置還可應用 于營業(yè)場所。 標準解讀 參考文獻 專題研討 國家建筑裝修材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 室內(nèi)空氣質(zhì)量 上 海 正 值 凈 化 科 技 有 限 公 司 產(chǎn) 品 樣 本 （： ） 尹維東 ， 劉來紅 ， 喬惠賢 ， 劉錦華 室 內(nèi) 空 氣 污 染 物 的 凈 化 環(huán)境污染治理技術(shù)與設備 ， （

23、） ： 趙麗寧等 粒狀活性碳過濾器與活性碳纖維過濾器的 性能比較 潔凈與空調(diào)技術(shù) ， ： 吳延鵬 ， 馬重芳 光催化技術(shù)在建筑環(huán)境與設備中的應 用及研究現(xiàn)狀 暖通空調(diào) ， （） ： """""""""""""""""""""""""""""""""""

24、;"""""""""" （ 上接第 頁） 術(shù)室 凈 化 級 別 不 同 、 內(nèi) 濕 負 荷 不 同 ， 分 析 表 明 集 中 處 理 的 室 濕度優(yōu)先控制” 系統(tǒng)在 新風是存在共同的終狀態(tài)點， 這就為“ 潔凈手術(shù)部的應用提供了理論基礎。 所謂“ 濕度優(yōu)先控制” 是 首先用集中處理的新風帶走室內(nèi)全部的濕負荷 ， 然后再靠循 環(huán)機組消除處理剩余的顯熱負荷， 而不是自控層面上的含 義 。因為循環(huán)機組仍使用 冷凍水， 加快了控制反應時間， 提高了控制精度， 簡化了控制過程和水系統(tǒng)， 降低了能耗。 同

25、時將空調(diào)系統(tǒng)“ 二次污染” 的風險降到了最低。 為此我們建立 了一個大型潔凈手術(shù)室、 相應可變水系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)及其自 濕 整 動控 制 ， 驗 證 了 “ 度 優(yōu) 先 控 制 ” 套 理 念 與 最 佳 控 制 ， 將 在 下一篇論文中作詳細闡述。 參考文獻 沈晉明 醫(yī)用空氣處理機組與空調(diào)系統(tǒng) 流體機械， 年增刊 ： 李芃 ， 沈晉明 用于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的新風預處理 概念與系統(tǒng)形式 第五屆海峽兩岸制冷空調(diào)技 術(shù) 交 流 會 論文集 上海 ： 沈 晉 明 醫(yī) 院 潔 凈 手 術(shù) 部 的 凈 化 空 調(diào) 系 統(tǒng) 設 計 理 念 與方法 暖通空調(diào) ， ， （）： ， ， ， ： ， ， ， 沈晉明， 聶一新 改善室內(nèi)空氣品質(zhì)下 一 個 目 標 是