颗粒物质量浓度传感器的研究与开发 - 图文

硕 士 学 位 论 文

MASTER DISSERTATION

基于光散射法的颗粒物质量浓度传感器的

研究与开发 The Research and Development of Particulate Mass Concentration Sensor Based on Light Scattering Method

作 者

中国计量学院 二〇一五年三月导 师

学 科 检测技术与自动化装置

The Research and Development of Particulate Mass Concentration Sensor Based on Light Scattering Method By

Shen Hong Yuan

A Dissertation Submitted to China Jiliang University

In partial fulfillment of the requirement

For the degree of Master of Engineering

China Jiliang University

March， 2015

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国计量学院 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解 中国计量学院 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 中国计量学院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）

学位论文作者签名： 导师签名：

签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日

中图分类号 TP23 学校代码 10356 UDC 621 密级 公开

硕 士 学 位 论 文

MASTER DISSERTATION

基于光散射法的颗粒物质量浓度传感器的

研究与开发

The Research and Development of Particulate Mass Concentration Sensor Based on Light Scattering Method

作 者 导 师 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 中国计量学院 学科专业 检测技术与自动化装置 研究方向 空气颗粒物浓度检测

二〇一五年三月

I

基于光散射法的颗粒物质量浓度传感器的研究与开发

摘要：快速准确地检测待测气体中颗粒物质量浓度大小具有十分重要的现实意义,而传统上滤膜称重法有很大的局限性，测量消耗时间较长并且不能够进行现场快速测量。本文研究方向为光散射法测量颗粒群质量浓度和传感器研制，主要包括以下几个部分：

第一，理论研究和MATLAB仿真。本文基于等效光学球形颗粒直径理论，对颗粒群的光通量计算公式进行建模，从而得到颗粒群质量浓度与光通量大小的线性理论计算公式。

第二，完成对传感器的光学结构设计。本文通过前面理论研究和查阅相关文献后确定了光源的选型、光敏区的尺寸、光电二级管的选型、光陷阱的设计。最后完成对传感器的制作。

第三，完成微弱信号处理电路的设计。首先对所锁相放大器进行数学建模，然后按照信号处理过程，依次设计并制作前置放大电路、四阶带通滤波器、乘法器和锁相环解调电路以及光源驱动电路，并且对部分电路进行了仿真。

第四，实验数据处理和传感器性能测定。主要完成颗粒发生器测试、温度补偿、传感器的标定。确定质量浓度转换系数K,最小测量浓度，最小有效浓度分辨率，最大测量范围，并进行了绝对误差分析和相对误差分析。

关键词：颗粒物；Mie散射理论；锁相放大器；实验标定 分类号：TP23

II

The Research and Development of Particulate Mass Concentration Sensor Based on Light Scattering Method

Abstract： Rapid and accurate detection of the mass concentration particles in the running gas has a very important practical significance. The traditional filter weighing method has its limitation. This paper does the research on Light scattering method particle to detect mass concentration of population.Then, this paper introduce the actual object we made .The main tasks are as follows:

Firstly, the theoretical research and MATLAB simulation. Basing on the optical equivalent spherical particle diameter , the paper conducts the particles flux modeling formulas. So We can obtain the linear theory about mass concentration of the particles and Luminous flux .

Secondly, this paper should finish the optical structural design of sensor . This paper begins to determine the lighting source selection ,the size of the photosensitive area , the photodiode selection , the design of light trap. All this work is based on the above theoretical research and with the help of relevant literature .Last, this paper finish assembling the sensor.

Thirdly, this paper finishes a weak signal processing circuit design and makes the actual object. First, we make the model of lock-in amplifier .This paper starts to design and make the preamplifier circuit, fourth-order band pass filters, multipliers and phase locked loop demodulation circuit and a light source drive circuit. Then, this paper does some circuit simulations of above circuit.

Fourthly, experimental data processing and measuring the performance of the sensor. And this paper mainly completes the particle generator test, temperature compensation, the sensor calibration. So, this paper determines the mass concentration conversion coefficient K, the minimum measured concentration, the minimum effective concentration of the resolution, the maximum measuring range , and based on above work ,this paper does the absolute error analysis and the relative error analysis.

III

Keywords：Particle matter ; Mie scattering theory ; Lock-in amplifier ; Experimental

Calibration

Classification：TP23

IV

目 次

摘要............................................................................................................ II 目 次........................................................................................................ V 图清单 ...................................................................................................... VII 表清单 ........................................................................................................ X 1 绪论 ....................................................................................................... 1 1.1 引言 ................................................................................................................... 1 1.2 空气中颗粒物质量浓度的测量方法 ............................................................... 2 1.3 国外先进的颗粒物检测技术 ........................................................................... 2 1.4 光散射法测量颗粒物质量浓度国内外研究现状 ........................................... 4 1.5 本文主要研究内容 ........................................................................................... 5 2 光散射颗粒物质量浓度测量理论的研究 ............................................... 7 2.1 Mie散射理论 ................................................................................................... 7 2.1.1 单球形颗粒Mie散射理论 ......................................................................... 7 2.1.2 基于单球形颗粒Mie散射理论的MATLAB仿真 ................................... 9 2.1.3 无因次参数x对单球形颗粒光强分布的影响 ........................................ 11 2.1.4 相对于折射率m对单球形颗粒散射光强分布的影响 ........................... 12 2.2 Mie散射光通量的计算 ................................................................................. 12 2.2.1 单球形颗粒的散射光通量计算 ................................................................ 12 2.2.2 颗粒群光散射光通量建模与计算 ............................................................ 13 2.3 各参数对光通量大小的影响分析 ................................................................. 15 2.3.1 F-D与采光中心角之间曲线关系 ............................................................ 16 2.3.2 F-D与采光立体角之间曲线关系 ............................................................ 16 2.3.3 颗粒物相对折射率与F-D曲线关系 ....................................................... 17 2.4 本章小结 ......................................................................................................... 18 3 颗粒物传感器的结构设计 ................................................................... 19 3.1 颗粒物浓度传感器的光学结构设计 ............................................................. 19 3.1.1 光源和透镜的选择 .................................................................................... 19 3.1.2 光阑组设计 ................................................................................................ 20 3.1.3 采光中心角大小选取 ................................................................................ 20

V

3.1.4 采光立体角大小选取 ................................................................................ 21 3.1.5 光陷阱 ........................................................................................................ 22 3.1.6 光敏区大小选取 ........................................................................................ 22 3.2 传感器结构装配 ............................................................................................. 23 3.3 本章总结 ......................................................................................................... 25 4 基于锁相放大器的硬件电路设计 ........................................................ 26 4.1 电路总体设计 ................................................................................................. 26 4.2 锁相放大器基本结构及建模 ......................................................................... 27 4.2.1 锁相放大器的应用范围及其优点 ............................................................ 27 4.2.2 锁相放大器建模 ........................................................................................ 27 4.3 前置放大电路设计 ......................................................................................... 28 4.4 四阶带通滤波器设计 ..................................................................................... 29 4.5 方波乘法器设计 ............................................................................................. 31 4.6 锁相环解调电路设计与性能研究 ................................................................. 32 4.6.1 锁相环(PLL)建模 ...................................................................................... 32 4.6.2 锁相环解调电路实现方案 ........................................................................ 33 4.7 光源驱动电路设计 ......................................................................................... 38 4.8 基于ARM的信号采集微控制器设计 .......................................................... 39 4.8.1 内核基于Cortex-M3的STM32处理器 .................................................. 40 4.8.2 调零电路设计 ............................................................................................ 40 4.8.3 存储电路设计 ............................................................................................ 41 4.8.4 触摸屏电路设计 ........................................................................................ 41 4.9 本章小结 ......................................................................................................... 42 5 颗粒物质量浓度传感器的软件设计 .................................................... 43 5.1 STM32控制器软件设计 ................................................................................ 43 5.2 上位机软件设计 ............................................................................................. 44 5.2.1 数据采集和显示模块 ................................................................................ 45 5.2.2 数据存储模块 ............................................................................................ 46 5.3 本章小结 ......................................................................................................... 47 6 实验数据处理和传感器性能研究 ........................................................ 48 6.1 实验装置研究和零点处理 ............................................................................. 48 6.1.1 颗粒物发生器的研究 ................................................................................ 49

VI

6.1.2 传感器零点温漂的研究和温度补偿 ........................................................ 50 6.2 传感器K值测定 ............................................................................................ 53 6.3 传感器与TSI8532标准仪器测量结果对比分析 ......................................... 59 6.4 重复性测试 ..................................................................................................... 61 6.5 传感器的时域响应时间 ................................................................................. 61 6.6 传感器的性能 ................................................................................................. 62 6.7 本章总结 ......................................................................................................... 62 7 总结和展望 ......................................................................................... 63 7.1 总结 ................................................................................................................. 63 7.2 展望 ................................................................................................................. 63 参考文献 ................................................................................................... 65 作者简历 ................................................................................................... 68

VII

图清单

图 1.1 空气中PM2.5颗粒物对人体危害 ........................................................ 1 图 1.2 DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪 ....................................... 3 图 2.1 单球形颗粒的光散射图 ........................................................................ 7 图 2.2 MATLAB的数值计算流程图 ............................................................. 10 图 2.3 无因次参数值x对单球形颗粒散射光强度分布的影响图 ............... 11 图 2.4 颗粒相对折射率m对散射光强的影响 .............................................. 12 图 2.5 光散射法测量颗粒物质量浓度的光路图 .......................................... 13 图 2.6 采光中心角与F-D关系的曲线仿真图 .............................................. 16 图 2.7 采光立体角与F-D关系的曲线仿真图 .............................................. 17 图 2.8 颗粒相对于周围介质的折射率m与F-D曲线之间关系 ................. 17 图 3.1 颗粒物浓度传感器的结构示意图 ...................................................... 19 图 3.2 GL480红外发光二极管 ...................................................................... 20 图 3.3 聚焦透镜 .............................................................................................. 20 图 3.4 光阑的三维立体图 .............................................................................. 20 图 3.5 光陷阱示意图 ...................................................................................... 22 图 3.6 进气管工作原理示意图 ...................................................................... 23 图 3.7 装配后传感器结构实物图 .................................................................. 24 图 3.8 传感器结构的三维爆炸图 .................................................................. 23 图 4.1 硬件电路框图 ...................................................................................... 26 图 4.2 锁相放大器实物图 .............................................................................. 27 图 4.3 锁相放大器建模方框图 ...................................................................... 28 图 4.4 前置放大电路图 .................................................................................. 29 图 4.5 二阶多重反馈型滤波器 ...................................................................... 30 图 4.6 二阶带通滤波器幅频特性 .................................................................. 30 图 4.7 方波乘法器电路图 .............................................................................. 31 图 4.8 方波乘法器输出波形图 ...................................................................... 32 图 4.9 锁相环建模方框图 .............................................................................. 32 图 4.10 74HC4046的CMOS简化方框图..................................................... 33 图 4.11 控制电压和震荡频率特性 ................................................................. 34 图 4.12 鉴相器、压控振荡器与分频器的幅频特性 .................................... 35 图 4.13 鉴相器、压控振荡器与分频器的相频特性 .................................... 35 图 4.14 超前滞后滤波器的相频特性图 ........................................................ 36 图 4.15 滞后滤波器的相频特性图 ................................................................ 36 图 4.16 使用滞后滤波器闭环PLL幅频特性仿真图 ................................... 37 图 4.17 使用超前滞后滤波器闭环PLL幅频特性仿真图 ........................... 37 图 4.18 PNP管的光源调制电路 .................................................................... 38 图 4.19 光耦隔离电路 .................................................................................... 39

VIII

图 4.20 控制器实物图 .................................................................................... 39 图 4.21 STM32103RBT6微处理器 ............................................................... 40 图 4.22 调零电路设计 .................................................................................... 41 图 4.23 存储电路设计 .................................................................................... 41 图 4.24 触摸屏电路接口 ................................................................................ 42 图 5.1 STM32控制器软件流程框图 ............................................................. 43 图 5.2 上位机软件流程框图 .......................................................................... 44 图 5.3 上位机主界面 ...................................................................................... 45 图 5.4 数据采集模块程序框图 ...................................................................... 45 图 5.5 数据显示模块程序框图 ...................................................................... 46 图 5.6 数据存储模块程序框图 ...................................................................... 46 图 6.1 蚊香颗粒粒径分布图 .......................................................................... 48 图 6.2 颗粒物浓度检测装置图 ...................................................................... 49 图 6.3 蚊香的长度与标准仪器TSI8532所测得质量浓度之间的关系 ...... 50 图 6.4 传感器的零点值和温度之间对应关系 .............................................. 52 图 6.5 补偿之后的零点值和温度之间对应关系 .......................................... 53 图 6.6 第一次传感器信号输出值 .................................................................. 55 图 6.7 第一次线性区拟合曲线 ...................................................................... 56 图 6.8 第一次非线性区拟合曲线 .................................................................. 56 图 6.9 第二次传感器信号输出值 .................................................................. 57 图 6.10 第二次线性区拟合曲线 .................................................................... 58 图 6.11 传感器所测颗粒物质量浓度的绝对误差分布曲线 ......................... 59 图 6.12 传感器所测颗粒物质量浓度的相对误差分布曲线 ........................ 60

IX

表清单

表 1.1 国外先进光散射法颗粒质量浓度检测仪 ........................................... 4 表 6.1 蚊香长度与标准仪器TSI所测质量浓度之间的关系 ..................... 49 表 6.2 传感器零点值和温度之间对应关系表 ............................................. 51 表 6.3 补偿之后零点值和温度之间对应关系 ............................................. 52 表 6.4 第一次传感器信号输出值 ................................................................. 54 表 6.5 重复性测试数据 ................................................................................. 61

X

中国计量学院硕士学位论文

1 绪论

1.1 引言

随着我国工业化进程日益推进，环境中污染物对人们健康威胁越来越成为困扰我国经济社会发展的重大问题。其中环境中颗粒物污染是比较重要的国际污染指标。特别是在我国煤燃烧比重还是很高的现实境况下，燃烧煤所排放颗粒物。为此，检测空气和特定环境中颗粒物浓度成为现在研究的重点之一。

空气中颗粒是一种体积微小并且能够悬浮于空气的固体颗粒或者液体颗粒。由很多颗粒在空间中按一定规律分布的颗粒群称为颗粒系。颗粒既可以是在天然条件下形成的，也可以是在工业生产生活中排放产生的。对于现代人们来说，工业生产和人类活动中产生的颗粒物排放是最主要的来源。其中汽车尾气排放的占有相当大的比重，特别是在城市中，汽车尾气污染已经成为城市最重要的污染源。随着汽车尾气排放控制技术的发展，颗粒物排放的数量增加得到一定程度地遏制[1?2]。如图1.1所示空气中PM2.5颗粒物对人体危害。

图1.1 空气中PM2.5颗粒物对人体危害

颗粒物种类可按照浓度范围分为：第一类，0.01um-1um为呼吸性尘埃；第二类，0.01um-10um为飘尘；第三类，10um-100um为降尘[3]。颗粒物直径当小于2.5um，对人体的危害最大，当吸入人体之后这些颗粒物很可能会沉积于人体的肺部之中，并以气体交换方式进入毛细血管。同时大气尘埃是多种污染物的载体，它包含有多种有机化合物、金属化合物以及硝酸盐。

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1.2 空气中颗粒物质量浓度的测量方法

空气中颗粒物质量浓度定义为在空气中单位体积内所包含的颗粒物质量大小。测量方法一般分为以下两种方法：一种是在单位体积内测定空气中颗粒物数目的多少；另一种是在单位体积重测量颗粒的质量大小；其中目前广泛采用第二种方法。

现有的颗粒物质量浓度测定技术方法[4?7]主要分为以下几种：

一、滤膜称重法颗粒物质量浓度检测方法。当一定体积V颗粒物气体流持续通过已知重量待测滤膜M1时，颗粒物附着于待测滤膜M2上，通过测量滤膜前后的质量差M2-M1，然后除以采集的空气体积V，从而得到空气中颗粒物的质量浓度g。

二、?射线吸收法。当恒定强度的?射线照射向待测颗粒物群，颗粒物群对?射线会有一定程度的衰减，并且射线的吸收量和颗粒物质量浓度成正比。通过对比?射线的吸收量大小即可确定颗粒物质量浓度的大小。

三、超声波法。即将超声波通过被测的颗粒物浓度之后，超声波会有一定程度地衰减来确定颗粒物浓度的大小。

四、压电晶体振荡法。主要工作原理为当颗粒物流体群以恒定速率通过由高压放电针头和压电晶体构成的静电发生器，针头放电之后，颗粒物会附着于压电晶体的表面。附着于压电晶体表面的颗粒物质量浓度大小变化会导致压电晶体振荡频率发生相应改变。通过频率计数的方法从而确定颗粒物质量浓度大小。

五、光散射法。主要分为颗粒计数法和颗粒群光散射法。颗粒计数法，主要指单颗粒通过传感器的光敏区时，产生相应光脉冲，光脉冲的大小对应于颗粒直径大小，光脉冲数目对应于颗粒物数目的大小，通过统计总的光脉冲，从而计算出质量浓度的大小[8?10]。颗粒群光散射法，它的基本原理是通过光敏区的颗粒群质量浓度与光通量探测器的光通量平均值成线性关系，通过检测光通量探测器的光通量大小确定颗粒群质量浓度大小。本文主要研究此颗粒群光散射法，并将其应用于颗粒物检测系统的研究和开发。

1.3 国外先进的颗粒物检测技术

随着颗粒物浓度检测的不断进步，现代颗粒物检测方法正在向瞬时检测，超细微颗粒检测以及在线检测发展。

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一、美国Sensor公司的颗粒物检测技术。该公司采用压电振动法开发的SEMTECH QCM颗粒物质量检测仪器，主要用来测试发动机中排放的颗粒物浓度。QCM创新性的将静电沉积技术应用到取样后级系统中，当一定体积空气中的颗粒物附着于晶体表面，这些颗粒物浓度变化会引起晶体震荡频率的改变，通过测试震荡频率从而计算出颗粒物的质量浓度。QCM采样时间短，通常在几十秒内完成整个测量过程，具有很好的实时特性。

二、荷兰Detaki公司的颗粒物检测技术。荷兰Detaki公司研究开发综合利用空气动力学原理开发的低压冲击撞击RIPI质量浓度检测仪。该技术不仅能够测量总的颗粒物质量浓度，而且能够将7nm到10um之间颗粒群分为13个等级，并且按颗粒物直径尺寸，能够对每一级的颗粒物浓度和粒子尺寸进行瞬态测量。测量过程如下：含有颗粒物的空气首先被加热稀释，然后通过静电室后，颗粒物通过静电室放电产生的离子而带电荷，带电颗粒物由于自身尺寸大小而具有不同惯性，在定向流动过程中被13个撞击级收集，根据这13个撞击级电流信号大小测量出每一级中颗粒物质量浓度的大小，并通过计算得到总的颗粒群质量浓度大小。

三、美国TSI公司的颗粒物测试技术。美国TSI粒子技术上是全球公司领导者，TSI公司的产品包括粒径测量仪器、粒子颗粒浓度测量仪器、气溶胶发生器等系列产品，TSI在颗粒物测试技术上得到全球客户的青睐。粒子颗粒浓度测量仪的系列产品，包括DUSTTRAKTM DRX 8530/8532/8533 粉尘浓度监测仪，水基凝聚核粒子计数器以及凝聚核粒子计数器等，其中上述DUSTTRAKTM DRX 8530/8532/8533 粉尘浓度监测仪采用90°光散射法进行测量。如图1.2所示DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪。

图1.2 DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪

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首先采用气泵将待测颗粒群吸入光敏区内，激光发射器所发出激光通过消光光阑之后，在光敏区内与颗粒群相遇并发生散射，散射的光被聚焦透镜收集之后，聚焦于光电探测器。通过测量光电探测器的光电流大小，从而颗粒群质量颗浓度的大小。

1.4 光散射法测量颗粒物质量浓度国内外研究现状

光散射法具备测量精度高、在线测试、响应速度快、安全性好、无损检测等众多优点，近些年来在颗粒检测中的应用越来越多。它的物理原理是Mie散射理论，Gustav Mie通过研究标准球形颗粒与光之间的散射现象，从电磁波的Maxwell方程的波动理论出发，研究了在同一均匀介质内不同粒径的球形颗粒光散射物理规律，推导出光散射的数学解析解，从而建立了标准球形颗粒的Mie理论。Bohren C.F.和 Huffillan D.R.综合总结前人的研究成果，发表了关于标球颗粒光散射和吸收规律的一般物理解，从而从理论上全面地阐释了光的各种散射物理规律。基于光散射测量物质浓度测量技术正式基于上述理论的发展而发展起来的，欧洲和美国等国家很早就开始探索利用光散射法测量气溶胶质量浓度，现有产品已经智能化、自校准以及选择测量粒子的浓度和粒径大小，开始向超细颗粒、超高精度发展。

我国在光散射领域的发展较晚，从二十世纪八十年代开始光散射技术应用研究并得到快速发展，并且相继研发出几款气溶胶质量浓度测试仪，并将它们应用于工矿企业的粉尘在线实时监测、空气质量检测、过程控制终端传感器等领域。如表1.1所示具有代表性的国外气溶胶质量浓度检测仪及其主要参数。

表 1.1 国外先进光散射法颗粒质量浓度检测仪

公司：美国TSI

产品：DUSTTRAKTM DRX 8532

90°散射 0.01~150mg/m3 0.01mg/m3 Min D :0.1μm 3.0±5%L/min

公司：美国SKC

参数

产品：HAZ-DUST Ⅳ Particulate Monitor

测量原理 浓度范围 分辨率 粒径范围 采样流量

前向散射 0.01~200mg/m3 0.001mg/m3 0.1um-10um 1.0~3.3L/min

公司：英国CASELLA 产品：Microdust Pro Particulate Monitor 12°~20°前向散射 0.001~2500mg/m3 0.001mg/m3 TSP，PM10，PM2.5

1.0~4.0L/min

国内也有多个厂商生产光散射法颗粒物浓度测量系统，但是在测量方面，

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测量精度以及稳定性方面与国外先进技术差距比较大，为此，本文在光散射法颗粒物质量浓度研究具有较大的研究价值和意义。

1.5 本文主要研究内容

颗粒物污染问题越来越成为人们关注的问题，然而研究如何快速准确检测颗粒物质量浓度已成为研究的热点。传统的滤膜称重法和?射线吸收法等有很多局限性无法满足快速准确的要求。光散射法测量颗粒质量浓度是一种非接触式颗粒物质量浓度检测方法。本文研究内容包括光散射法的理论研究和光学数值仿真研究，传感器的光学结构研究设计，基于锁相放大器的微弱信号放大电路电路设计以及传感器实验结果数据研究和分析等。具体包括以下几部分：

第一章：绪论。本章主要是介绍了本课题的研究背景，现有的各种颗粒物检测技术的现状和发展趋势以及国内外光散射法检测颗粒物质量浓度研究和应用情况。

第二章：光散射颗粒物质量浓度测试理论研究和光学仿真。本章首先介绍了单球形颗粒Mie散射理论。并且通过MATLAB数值仿真对单球形颗粒的散射理论中各个物理参数进行研究和分析。然后通过依次研究分析了无因次参数x和相对于周围介质的相对折射率m对光强分布的影响。之后在单球形颗粒的散射理论基础上推导出单球形颗粒光通量的数值计算公式。在单球形颗粒数值计算公式的基础上对颗粒群光散射的光通量数值计算方法进行建模从而得到质量浓度和光通量数学表达式。最后在上述工作基础上，通过MATLAB光学仿真对采光立体角、采光中心角、颗粒折射率因素对光通量大小的影响进行研究。

第三章：颗粒物浓度检测装置的结构设计。本章主要是秉承第二章的光散射的理论仿真研究，并且在上述仿真的基础上对传感器进行设计和参数整定。主要包括光源和接收光电二极管的型号选择，透镜组选定，光阑结构设计，采光中心角大小的参数整定，采光立体角大小的确定以及光陷阱的设计和光敏区的大小选取等，最后将传感器各个光学结构进行组装。

第四章：基于锁相放大器硬件电路设计。首先对电路的总体结构设计进行介绍，并且对锁相放大器的基本原理进行电路建模。然后根据电路的各个参数要求，分别设计：前置I/V放大电路、四阶巴斯通带通滤波器（中心频率为调制频率），差分放大电路，方波乘法器以及锁相环的解调电路。在完成信号板的设计之后，设计以ARM为核心的控制板，控制板上设有调零电路和RS232通信电路将数据发送到Labview的上位机上。

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第五章：颗粒物质量浓度传感器的软件设计。主要包括STM32底层程序设计和上位机软件设计两部分。STM32底层程序主要完成对颗粒物质量浓度和温度信号的采集。之后通过温度补偿程序和颗粒物质量浓度转换程序完成对采集数据的处理。处理器通过LCD显示屏实时显示浓度数据并将数据发送到上位机。上位机接收到下位机的信号之后对数据进行动态显示和存储。

第六章：实验数据处理和传感器性能研究。首先完成实验装置的组装，完成组装后对颗粒物发生器进行测试，然后对传感器进行温度补偿，在这些工作的基础上，通过标准仪器TSI8532标定和对比分析，求得质量浓度转换系数K,最小测量浓度，最小有效浓度分辨率，最大测量范围，线性度以及在此基础上的绝对误差分析和相对误差分析。

第七章：总结和展望。总结上述章节的工作，指出本课题存在不足之处，然后归纳本课题对此领域研究所做出的贡献。最后对颗粒物质量浓度传感器进行展望。

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2 光散射颗粒物质量浓度测量理论的研究

本章先研究了Mie散射理论并将Mie散射理论应用到颗粒物质量浓度测量领域。在这些工作基础上建立等效光通量散射模型并进行颗粒群散射光通量的研究，然后通过MTALAB仿真研究了各种Mie散射参数对散射光强分布和散射光通量分布影响。

2.1 Mie散射理论

2.1.1 单球形颗粒Mie散射理论

单球形颗粒的散射现象通过图2.1表示，先建立一个坐标系，在上述坐标系中心放置一个球形颗粒， 给定此球形颗粒折射率为m，直径为D，前方有一束强度为I0的单色光平行的照射进来，与上述单球形颗粒相遇并发生散射。这里设定以散射光的方向和入射光的方向为散射面，这里选定P点为观测点，设散射点与观察点之间相距的长度为r,设定散射角大小为θ，设入射光振动面与散射面之间构成的方位角为Φ。

Zrθ球形颗粒入射平面PoφX入射光束Y 图2.1 单球形颗粒的光散射图

根据Mie散射理论[11?14]得到，当入射光I0为自然非偏振光时，单球形颗粒的散射光强表达式为：

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IS?I(r,?)?2?22[i1(?)?i2(?)] (2-1) 8?r在式(2-1)中， i1(D,θ,m)和i2(D,θ,m)是根据Mie散射理论计算所得光散射空间强度分布函数：

i1(?)?S1(m,?,x)?S1(m,?,x)?S1(m,?,x) (2-2)

i2(?)?S2(m,?,x)?S2(m,?,x)?S2(m,?,x) (2-3)

?2?2 S1*，S2*分别为S1、S2共扼复数，x则是单球形颗粒的无因次参量(x??d/?)；m?m1?im2为单球形颗粒的相对折射率；S1、S2为散射光振幅函数，它是由Bessel和Legendre两个函数所够成的无穷级数，表达式如下:

S1???2n?1(an?n?bn?n) (2-4)

n?1n(n?1)2n?1(an?n?bn?n) (2-5)

n(n?1)n?1?S2??其中an，bn被称为Mie散射系数，且其由m和x所构成的函数，而πn、τn

是与散射角θ相关的函数，其表达式如下：

an??1(x)?'n(mx)?m?n'(x)?1(mx)?n(x)?n(mx)?m?n(x)?1(mx)''''' (2-6)

bn?m?1(x)?'n(mx)??n(x)?1(mx)m?1(x)?n(mx)??n(x)?n(mx)' (2-7)

P(cos?)dPn(cos?) (2-8) ?n?n?sin?dcos?dP(cos?) (2-9) ?n?nd?在所述上式中Pn(cosθ)和Pn′(cosθ)为关于cosθ的Legendre表达式和一阶缔合Legendre表达式; ?n(z)和?n(x)则为关于半整数阶Bessel和第二类Henkel的函数:

'?n(x)??x2Jn?12(x) (2-10)

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?n(x)?(?x2)12H(2)1(x) (2-11)

n?2接下来本文通过MATLAB对上述光散射的物理量进行数值仿真，其中πn，τn递推关系式如下：

?n???n?(1??2)?n (2-12)

?n?2n?1n??n?1??n?2 (2-13) nn?1''?n?(2n?1)?n?1??n?2 (2-14)

'初始值为：?0?0,?0?0，同样的?n(z)，?n(z)也满足以下递推公式：

?n(z)?2n?1?n(z)??n?1(z) (2-15) n'?n(z)???n(z)??n?1(z) (2-16)

lz?n(z)?

2n?1?n(z)??n?1(z) (2-17) n?n'(z)???n(z)??n?1(z) (2-18)

lzMie散射系数与散射系数ks，消光系数ke之间的关系：

ks?2?22?(2n?1)[an?1??2n?bn] (2-19)

2ke??2?(2n?1)Re[a?b] (2-20)

nnn?12.1.2 基于单球形颗粒Mie散射理论的MATLAB仿真

国外学者Dave和Wiscombe发表的关于Mie散射算法[15]，通过研究循环次数和计算时间得到Mie散射的参数结果。本文根据Mie理论通过应用上一节递推公式编写MALAB仿真程序。

通过控制变量法，即给定相对折射率m和无因次参量x这两个物理参数其中一个参数值不变，编写MATLAB程序求得另一个参数得变化对光强分布的影响。接下来本文对Mie算法进行研究，Mie散射计算算法MATLAB数值计算流程图，如图2.2所示：

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开始 循环参数复位n=1 输入m，x，θ 初始值为0，并且设置循环参数n=1，N=[1.3x+10] 按照式(2-4)到(2-7)计算，S1，S2 ，an，bn和按照式(2-19)和式(2-20) ks，ke的值 ?n 按照式(2-12)到式(2-16)计算，?n、'、?n'、?n、?n、?n'、?n的值 Y ?ke?10e?9N n=n+1 n=n+1 N n=N N n=N Y Y i1?s1,i2?s2 22结束 图2.2 MATLAB的数值计算流程图

输出i1,i2,ke,ks 10

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第一部分计算：首先输出相对折射率m，无因次参量x，散射角大小θ，设置总的循环参数N=1.3α+10,循环变量n=1，然后按照式(2-12)到式(2-18)计算出Mie散射的物理参数，循环变量n加1，再次计算出Mie散射的物理参数，直到当n=N时。

第二部分计算：循环变量n复位即n=1, 按照式(2-4)到(2-7)计算,S1，S2,an ,bn；按照式(2-19)和式(2-20)ke,ks的值,然后判断?ke?10e?9，如果不成立则循环变量n加1,如果?ke?10e?9 成立则直接计算出i1=s12，i2=s22或者当循环变量n=N时计算出光强i1=s12，i2=s22。

2.1.3 无因次参数x对单球形颗粒光强分布的影响

单球形颗粒的散射光强大小Is是一个以颗粒物相对与周围介质的折射率m、入射光强大小I0、无因次参数x、和散射角θ为变量构成的函数。在上述这些因素中本文给定入射光强大小Is和颗粒物相对于周围介质的折射率m为不变条件下，然后根据上述式(2-1)的散射光强计算公式和图2.2 MATLAB数值模拟计算流程图所得的光散射物理参数，编写MATLAB的Mie散射光强度分布计算程序Miecoated_xθ.m，无因次参数x对单球形颗粒光强分布的影响进行研究，这里给定IS?3e?005，m=1.585，在x分别取0.1、1、10时的光强仿真分布坐标图：

图2.3 无因次参数值x对单球形颗粒散射光强度分布的影响图

从图2.3中可知无论x取值如何的变化，散射光强都呈现沿着180°到0°的对称分布。随着x取值的增加，散射光强沿着180°到0°，散射光强会向0°集中。当x的值大于1时，前向散射光强强度大于后向角散射光强强度。当x值继续增大后，散射光光强会明显集中于0°附近。

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2.1.4 相对于折射率m对单球形颗粒散射光强分布的影响

本文研究的相对折射率对光强分布的影响。当颗粒为非耗散介质时，相对折射率的虚部η为0；当颗粒为耗散介质时，其吸收系数不为0，相对折射率的虚部与耗散介质的吸收系数有关。

图2.4 颗粒相对折射率m对散射光强的影响

其中PSL为标准颗粒物，m=1.585-0i；DOP为邻苯二甲酸二辛脂颗粒物，m=1.49-0i；Carbon为碳颗粒物，m=1.95-0.66i；Coal为煤颗粒物，m=1.53-0.5i。

如图2.4 所示，颗粒物本身物理特性会对光强分布产生很大的影响。当相对折射率m为全实部时，散射光强分布比较有规律。当相对折射率m包含有虚部时，散射光强分布会变得比较复杂。从MATLAB仿真结果可知，相对折射率m对散射光强分布有十分重要的影响。

2.2 Mie散射光通量的计算

2.2.1 单球形颗粒的散射光通量计算

图2.5为单球形颗粒的光散射光通量的光学系统，散射光通过接收孔径角为2β的接收透镜收集的，其中β为采光立体角。发射光源的波长是λ，Ф为接收角的中心轴与出射光束的采光中心角。

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光电探测器采光透镜激光二极管颗粒βΦλ光敏区光陷阱

图2.5 光散射法测量颗粒物质量浓度的光路图

当单球形颗粒与单色非偏振光相遇时，汇聚于透镜的单颗粒光通量为：

?2F?8?2???????????[i1(D,?,m)?i2(D,?,m)]?(?,?)d? (2-21)

?(?,?)则是由Hodkinson和Greenfield(1965)其中，m为颗粒物相对折射率，规定的光散射探测立体角：

cos??cos?cos??(?,?)?2sin?arccos[] (2-22)

sin?sin?2.2.2 颗粒群光散射光通量建模与计算

基于光散射理论的颗粒物浓度测量方法主要有“颗粒计数法”和“颗粒群光散射法”，颗粒计数法主要通过测量经过光敏区中的颗粒粒径大小和通过的颗粒数大小，从而计算得出相应质量浓度。这样子存在这一个缺点，当颗粒物浓度增加时，多个颗粒物粒子数通过进气通道，在光敏区出现多个粒子的现象。颗粒群光散射法，基本原理为宏观上表现为颗粒物浓度在一定范围以内，颗粒粒径在微观上的尺寸大小远远小于颗粒之间的距离。在这种条件下，当一定强度的红外光照射到颗粒群上时，发生散射为单散射。在这种情况下，物质质量浓度的大小与探测器接收到的光通量的大小成线性关系。然后通过检测光通量的大小计算出待测颗粒群的质量浓度大小。

如图2.5所示光散射法测量颗粒物质量浓度的光路图。当N个颗粒物构成颗粒群通过上述光敏区时，与红外发光二级管发出一定强度的光相遇而发生光散射。光电探测器通过光电转换的方式，将收集光通量大小转换成电压大小。

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光通量的大小为：

?2F?N8?2D???????D??????[?i(D,?,m)?i1??2(D,?,m)]w(?,?)FN(D)dDd? (2-23)

i1(D,?,m)和i2(D,?,m)为通过Mie散射理论计算得出的其中在式(2-23)中：

强度函数式；N为颗粒物的数目；FN(D)为颗粒物的数目分布函数；?(?,?)则是由Hodkinson和Greenfield(1965)规定的光散射探测立体角。

现实环境中的颗粒物形状一般为非规则的，这里引入一个等效球形颗粒光通量直径为非球形颗粒直径D的理论，这里用来代替N个单球形颗粒的假设，从而使得该光通量计算模型的应用范围得以扩大。所谓等效球形颗粒光通量直径就是指该颗粒散射光通量和实际非球形颗粒的散射光通量相等[16]，但他们的体积不相等，那么它们的等效球形颗粒光通量直径相等。

式(2-23)为颗粒物数量光通量计算公式。本文需要测量颗粒群的质量浓度，为此将此公式转换为颗粒物质量光通量计算公式。

设光敏区的体积为V;颗粒物质量浓度为C，同时等效球形颗粒的质量为

?M(D)?D3 (2-24)

3其中，D为等效颗粒直径长度。

质量分布函数和颗粒数量分布函数之间的关系[17]为：

FN(D)???MFM(D) (2-25) M(D)其中，M为颗粒的平均质量，FM(D)为颗粒数量分布函数。 从而得到颗粒数量N与颗粒平均质量关系为：

N?CVM? (2-26)

将上述式(2-25)，式(2-26)代入到式(2-23)中，从而得到光通量F与颗粒物质量浓度C之间的关系为:

F?CVM?D???????D?0???????[i1(D,?,m)?i2(D,?,m)]w(?,?)M??FM(D)dDd? (2-27) M(D)将式(2-27)进行化简之后约去M得到光通量F与颗粒物质浓度C的简化公式：

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D??F(D)F?V??[i1(D,?,m)?i2(D,?,m)]w(?,?)MdDd? (2-28) CM(D)D?0??????????在颗粒群光散射法实际测量颗粒群物质的质量浓度时，光探测器接收的散射光信号大小即散射光光通量F。F与C的比值取决于颗粒群质量分布函数FM(D)、光散射探测立体角w(?,?)，Mie散射强度公式i1和i2、光敏区体积V、散射角θ，颗粒物的密度ρ、等效球形颗粒直径D。当光散射接收系统和待测颗粒群已定的情况下，上述参数变量均为不变量。即光通量的大小与颗粒物质量浓度的比值的大小不变。即散射光通量F与颗粒物质量浓度C呈线性关系，探测器测得的散射光通量F与传感器的输出电压T呈线性关系。即传感器输出电压值T与颗粒物质量浓度C呈线性关系。上述为颗粒群光散射法测量颗粒物质量浓度的物理原理。这里通过引入等效球形颗粒光通量直径为非球形颗粒直径D的理论，这里用来代替N个单球形颗粒的假设，从而扩大了它的理论应用范围，这是本文理论推导的一个重要成果。

这里本文引入一个参数质量浓度转换系数K，可得：

C?KT (2-29)

式(2-29)中，C为颗粒物质量浓度，T为探测器输出电压值。K值为颗粒物质本身的物理性状、颗粒分布状况有关的系数，当待测颗粒物发生改变时，K值会相应的产生变化。

为此根据国家行业标准对K值进行进一步定义[18]：

C (2-30) K?R?B式(2-30)中，C为滤膜称重测量颗粒物得到的颗粒物质量浓度。R为测量值的大小，B值为本底值。这里引入校正因子V，得到校正后的K'。

K'?KV (2-31)

对于不同的测量对象对应不同的校正因子V从而得到不同的质量浓度转换系数K'。

2.3 各参数对光通量大小的影响分析

本文以球形颗粒作为仿真的对象，在现有文献的的Mie散射系数MATLAB计算分析方法的基础上，根据图2.2 MATLAB数值模拟计算流程图所得的光散射物理参数和式(2-21)、式(2-22)的散射光通量计算公式，编写散射光通量的MATLAB程序Miecoated_F.m，分别对采光中心角、采光立体角、颗粒物相对

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折射率参数进行仿真分析[19?20]，编写相应的MATLAB计算仿真程序。通过这些工作为接下来的传感器结构设计提供有力的理论仿真基础。 2.3.1 F-D与采光中心角之间曲线关系

通过设置颗粒物相对折射率m=1.585，采光立体角β设置为30°，波长λ=950nm，在MTALAB中以Miecoated_F.m为基础上编写散射光通量程序Pic-F1.，并分别在程序中设定采光中心角Φ分别为30°，45°，60°，75°，90°，从而仿真计算出散射光通量F与颗粒物直径D之间关系曲线。如图2.6所示的F-D与采光中心角之间的曲线关系图。由图可得当采光中心角Φ小于45°时，F-D之间的正相关性较差。采光中心角Φ大于45°到90°时，F-D之间有比较好的正相关性。

1.4x 10-71.2散射光通量 F/(lm)1Φ=30°Φ=45°Φ=60°Φ=75°Φ=90°0.80.60.40.20024681012颗粒粒径D/(μm)

图2.6 采光中心角与F-D关系的曲线仿真图

2.3.2 F-D与采光立体角之间曲线关系

通过设置采光中心角Φ=45°，设颗粒物相对折射率为m=1.585，波长λ=950nm，编写MATLAB光通量计算程序Pic-F2.,取采光立体角值从15°，30°，45°，60°,75°，85°时，研究光散射通量F与颗粒直径D之间的关系。如图2.7所示，光通量F与颗粒直径D之间具有较好的单调性。随着采光立体角值的增加，F-D之间曲线斜率也会变大。从仿真结果可知，增大采光角大小可以增加传感器的灵敏度。

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1.4x 10-71.2β=15°β=25°β=35°β=4587x 10-7β=55°β=65°β=75°β=85°散射光通量 F/(lm)1散射光通量 F/(lm)05101565432100.80.60.40.20051015颗粒粒径D/(μm)颗粒粒径D/(μm)

图2.7 采光立体角与F-D关系的曲线仿真图

2.3.3 颗粒物相对折射率与F-D曲线关系

通过设置采光中心角Φ=45°，采光立体角β=30°，波长取950nm，通过颗粒物相对折射率m=1.33，m=1.49，m=1.585，m=1.585-0.5i，m=1.95-0.66i;它们分别对应water水蒸气颗粒、DOP颗粒、PSL颗粒、coal (煤颗粒)以及carbon(碳聚集颗粒)。编写相应的MATLAB光通量计算程序Pic-F3。

1.4x 10-91.2water(m=1.33-0i)DOP(m=1.49-0i)PSL(m=1.585-0i)2.5x 10-7coal(m=1.53-0.5i)carbon=(m=1.95-0.66i)2散射光通量 F/(lm)1散射光通量 F/(lm)0510150.81.50.610.40.50.200051015颗粒粒径D/(μm)颗粒粒径D/(μm)

图2.8 颗粒相对于周围介质的折射率m与F-D曲线之间关系

如图2.8所示PSL，碳颗粒与DOP颗粒，其光通量F与颗粒物直径D的相关性较差。而煤颗粒和水蒸气颗粒它们的光通量F与颗粒物直径D的相关性相

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对较好。具有吸收系数为非零的颗粒与吸收系数为零的颗粒相比较，在颗粒直径相同的情况下，吸收系数为非零的颗粒光通量较大。同时随着颗粒物相对折射率m值的增加，F-D曲线的斜率相应的会增大。

2.4 本章小结

本章介绍了Mie散射理论，并且在此基础上通过编写MATLAB程序，研究无因次参数x和相对折射率m对光强分布的影响。然后推导出单球形颗粒的光通量计算公式。并且通过建模将不同形状的颗粒通过光通量直径D的方式统一成等效光通量直径的形式，从而推导出颗粒物质量浓度与光通量大小成线性关系的理论基础。在上述工作基础上，编写MATLAB程序对采光中心角，采光立体角以及相对折射率进行仿真。

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3 颗粒物传感器的结构设计

颗粒物浓度传感器的结构设计包括传感器的光学结构设计、传感器的装配两部分。这两部分的主要依据上一章的仿真结果和相关的文献参考资料，从而确定传感器的各型参数。

3.1 颗粒物浓度传感器的光学结构设计

颗粒物浓度传感器的光学结构主要由光源发射系统，散射光接收系统，气路系统以及光电式传感器光电探测器组成。其中光源发射系统包括红外发射光源，光阑，发射透镜；对应的光源接收系统包括接收透镜，光陷阱以及光电接收二极管。

图3.1 颗粒物浓度传感器的结构示意图

3.1.1 光源和透镜的选择

最初研究人员采用白炽灯发射的白光作为散射光的发光源，由于当时的技

术条件限制，白光发光的强度不稳定，光谱很宽，并且不易于调制。20世纪中期以来，随着半导体技术的发展，红外发光二极管的发射光谱很窄，发射的光强度稳定，发射光的定向性较好。更重要的，它具备二级管易于调制的特点，发射功率不高，能够通过控制器进行控制调制频率。

综合上述，如图3.2所示本文采用夏普公司生产的红外发光二极管GL480，其发射中心波长950nm，波长在940nm-960nm之间，发射光强度在 80%以上。

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因此具有较窄的发射光谱。侧面发光，这是此发光二极管的另一重要优点，从SHARP公司提供技术支持资料可知，其发光角度集中在正负10°之间，具有较好的单向性。同时其价格较低，性价比高。聚焦透镜选择根据采光立体角的大小，光敏区，聚焦透镜以及光电二级管之间的距离确定透镜曲率和大小。

图3.2 GL480红外发光二极管 图3.3 聚焦透镜

3.1.2 光阑组设计

光阑组主要作用为限制红外光以外的杂光进入光敏区中。此外，红外发光二极管发出的红外光有小部分有一定发散角度，光阑还能够去除小部分发散的红外光，经过光阑之后红外光有较好的平行性[21]。如图3.4光阑组主要分为第一光阑、第二光阑、第三光阑，其中红外光从第一光阑进入，杂光和非平行红外光被第一次衰减，然后射向第二光阑后被第二次衰减。安装于透镜卡槽中的透镜将经过衰减红外光聚焦于光敏区。

第一光阑 第三光阑 透镜卡槽 第二光阑

图3.4 光阑的三维立体图

3.1.3 采光中心角大小选取

现有的光散射测量仪器主要分为前向角散射、侧向角散射和后向角散射三种方法。首先进行三种方法的比较，如图2.3所示的无因次参数x与光强分布之间的关系，MATLAB仿真结果表明当无因次参数x在小于1时，散射光强分布

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呈现出前向角和后向角近似对称分布，随着无因次参数x值的增大，散射光强趋势性的向前向角集中，当x值达到10时，散射光强基本集中于30°以内。

为此，可得出的结论是：前向角散射相对于侧向角散射和后向角散射它所能探测的范围粒径范围更大。而侧向角散射和后相角散射主要探测的是无因次参数x小于1的颗粒。采用前向角散射会增大粒径探测范围之后，同时它所带来的问题是从红外光源中产生的杂散光会增加其背景噪声干扰的基底值。本文探测的颗粒群目标尺寸在0.1-10um之间。而采用的光源波长为950nm。为此，本文采用采光中心角小于90°的前向角散射方法测量。

如图2.6采光中心角与F-D曲线之间的关系图，当采光中心角Φ从30°到90°变化时，MATLAB仿真结果表明当Φ在45°到90°时，F-D之间具有较好的单调性。为增大探测范围需要尽可能小的减少探测角度，为能够较好地体现F-D之间的单调性，需要尽可能的增大探测角度，这里根据MATLAB仿真结果取折中方案采光中心角取为45°。 3.1.4 采光立体角大小选取

前向角光散射收集系统能够比较好的拓展探测粒径范围大小。本文的前向角收集系统主要由聚焦透镜、光阑组和光电二极管组成。采光立体角的大小由聚焦透镜的曲率大小、光敏区、光电二级管三者之间的空间相对位置所决定的。其中为降低成本，上述聚焦透镜为标准采购元件，曲率为标准曲率。所以实际设计采光立体角大小时，主要通过调整光敏区、聚焦透镜、光电二极管三者之间的距离从而确定采光立体角大小。采光立体角大小主要有以下三个要求：一、增大探测器光通量收集量，从而确保探测颗粒粒径的尺寸最小。二、提高颗粒物质量浓度的探测范围。三、最低探测浓度值。

如图2.7所示MATLAB采光立体角与F-D之间关系仿真图，随着采光立体角?增大，F-D的斜率也随之增大。由此可知当采光立体角不变的情况下，增大采光立体角?，可以减少颗粒的探测最小粒径。同时为提高最大颗粒浓度的探测范围，只有降低相对应的每个颗粒的光通量值，为此需要减少采光立体角?大小。然而为获得最低探测浓度值的大小，又需要增大采光立体角。本文需要的探测粒径范围为0.1um到10um值之间，考虑到国外成熟产品所选的?值和传感器尺寸的限制，探测器的?值得大小取25°到35°之间，这里取值为30°。

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3.1.5 光陷阱

光陷阱的主要作用是从红外光源发射的光束经过光阑之后，一部分在光敏区与颗粒物发生散射，另一部分没有发生散射的红外光透过颗粒群之后，需要经过一个能够将剩余的红外光吸收的结构。为此需要设置一个光陷阱。光陷阱的主要原理是通过增大反射次数和采用吸光材料黑色POM材料。其工作原理如图3.5所示，入射光线经过B1、B2、B3、C1、C2之后反射回来。在每个反射点之后光强都会被大幅度的衰减。由图3.5可知、经过的衰减反射点越多，光陷阱的效果越好。

CC2B3C1BB2A出射光线B1入射光线 图3.5 光陷阱示意图

3.1.6 光敏区大小选取

光敏区是发生颗粒散射的主要区域。光敏区的位置为红外光源光束前进方向上，红外光束、光敏区和光陷阱位于一条直线上，这样子决定光敏区是相对开放腔体，它连通进气管、出气管。光敏区大小主要取决于选取的进气管和出气管大小以及红外光源光束的大小。

本文探测的出气进气管(近光敏区端)直径为9mm，光源的光束宽度为8mm。为此光敏区是以进气管为中心的圆形区域。考虑到当气泵以5L/min的速率将包含颗粒群的气体流送入通过光敏区时，由于流体颗粒群从一个周围受约束的管道，进入相对开放的空间，颗粒会产生扩散现象[22?24]。扩散现象会导致颗粒的浓度降低和气体流絮乱。为此，如图3.6所示的流体颗粒群在进入光敏区时，先通过略窄的进气管，这样子颗粒群的密度会略有提高。然后进入光敏区，流体颗粒群发生扩散现象，然后浓度会略有下降。本文把这个过程命名为“预失真”，这样子只能相当程度解决扩散问题。在文献中为解决这个问题，最好采用“清洁空气保护靴”。进气管分为内管和外管，内管为颗粒群流体，外管为清洁空气流体，外管比内管的气体流速率快10%。当它们通过光敏区时，外面气体流

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7vw6.html