基于光散射法的颗粒浓度检测系统研制

摘要

随着生产生活环境中雾霾增多，粉尘污染日益受到人们的关注。目前颗粒物浓度是大气环境监测中的一项重要指标。因此，研究高效可靠的粉尘浓度监测方法、掌握大气粉尘的分布及变化规律，对于保护环境，预防疾病的发生等具有重要的意义。 光散射法能够远距离的进行实时在线测量，因其具有适用性广、测量速度快、精度高、重复性好等优点而在颗粒测量领域得到了广泛应用。本文设计了一款基于光散射法颗粒浓度检测系统，结合Mie散射理论分析和实验研究，分别从光敏区、背景噪声和探测系统等方面对颗粒浓度检测系统进行了优化设计。针对光学系统，本文利用光调制模板，优化了光敏区结构；通过锥形结构优化了光陷阱；通过收集透镜和光阑组合优化了散射光收集系统。采用上述优化结构后，提高了低浓度测量时系统的信噪比，降低了系统背景噪声。 信号采集系统选择S2386光电二极管和LF353、OPA277运算放大器，设计了三级放大信号处理系统，增加了偏置调节和增益调节功能。偏置调节抵消了环境光和光电二极管的暗电流信号干扰；增益调节提高了低浓度测量时系统的信噪比，实现了高（H）、低（L）两档检测，实现了颗粒浓度检测系统的高精度和高可靠性。 在信号处理方面，本文结合单颗粒的脉冲信号处理方法和群颗粒光度电压处理方法，考虑布朗运动对粉尘颗粒浓度起伏的影响，建立由脉冲信号和光度信号共同反演粉尘颗粒物质量浓度的理论模型，提高了系统在低浓度测量的精准度和灵敏度。 按照《光散射式数字粉尘测试仪检定规程》的要求，用称重法完成粉尘仪K值的校正与测量，并分析了一致性及线性相关度。通过定标，研发的测量仪，L档浓度测量范围达到0～1.5g/L，精度为2mg/L；H档浓度测量范围达到为0～20mg/L，精度为20mg/m3。测量结果表明，本文所采用的方法具有较高的精度和可靠性，能满足实测要求，可广泛用于工矿企业、公共场所等环境空气中粉尘浓度的实时监测。本论文的研究成果大大地降低了粉尘质量浓度测量仪器的成本，为大气污染防治工作提供了一类可以广泛检测的仪器。

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