（光学工程专业论文）基于后向mie散射的烟尘浓度测量方法研究.pdf

浙江人学硕士论文 摘要 针对烟尘检测的需要，当前主流的检测手段有：过滤称重法、预测流速法、 光衰减法、光闪烁法等。这些主流的方法都存在一些缺陷：过滤称重法需要人 工操作，测量周期长；预测流速法还需要测量温度、压力、流速等，仪器构成 复杂，操作繁琐；光衰减法不能测量低浓度的环境；光闪烁法不能测量浓度较 高的环境。 本论文结合当前的烟尘浓度检测需要，以后向m i e 散射为理论基础，设计 制造了一个烟尘浓度检测样机系统。相比于传统的检测方式，该样机系统适用 于各种浓度的烟尘环境，测量光程可以调节，自动化程度高，可以长时间在线 测量，并且制造工艺简单，成本相对较低。 论文首先对当前的主流的检测手段进行了研究，阐述了它们的优缺点。详 细分析了m i e 散射的原理，了解后向散射的特性，得到烟尘浓度与后先散射信 号之间的一次线性关系。根据这个关系设计了样机系统，根据后向散射的信号 同参比浓度的数据，通过线性拟合得到测量的结果。 论文设计了大量的实验来验证样机的性能。首先实验了样机的灵敏度和重 复性；接着通过大量的参比浓度和样机输出信号数据，对它们进行线性拟合， 验证了烟尘浓度和输出信号之间的一次线性关系，并对测量的结果的误差进行 了评估，结果比较满意。最后对样机系统的零点和满量程漂移进行了测试，结 果符合国家标准。 经测试，此样机系统可以调节光程、灵敏度高、测量结果较准确，基本达 到设计要求。 关键词：m i e 散射，烟尘浓度，样机系统，输出信号，线性拟合 i i i 浙江大学硕l 论文 a b s t r a c t f o rt h en e e do fm e a s u r e m e n to nd i r t yc o n c e n t r a t i o n ，t h e r ea r em a n y m e t h o d s ，s u c ha sf i l t r a t i n ga n dw e i g h i n gm e t h o d ，f o r e c a s t i n gv e l o c i t yo ff l o w m e t h o d ，l i g h ta t t e n u a t i o nm e t h o d ，l i g h tg l i t t e r i n gm e t h o d ，a n ds oo n t h e s em e t h o d s a l lh a v ed e f e c t i o n s f i l t r a t i n ga n dw e i g h i n gm e t h o dn e e dg o t u po p e r a t i o na n di t t a k e sm u c ht i m e ；s t r u c t u r eo fa p p a r a t u sb a s e do nf o r e c a s t i n gv e l o c i t yo ff i o wm e t h o d i sc o m p l e xf o rc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o ns u c ha st e m p e r a t u r e ，g a sp r e s s u r e ，v e l o c i t yo f f l o w ；d e t e c t i o nb a s e do nl i g h ta t c e n u a t i o nm e t h o dd o e sn o ta d a p tt ol o wt h i c k n e s s c i r c u m s t a n c e ；l i n e a rt h e o r ya b o u tl i g h tg l i t t e r i n gm e t h o do n l ya c c o r d sw i t h c i r c u m s t a n c ew h e r ei sn o ts om u c hd i r t y i nt h ea r t i c l e ，as p e c i m e ns y s t e mb a s e do nb a c k g r o u n dm i es c a t t e r i n gi sb u i l tt o d e t e c td i r t yc o n c e n t r a t i o n i nc o n t r a s tw i t ht r a d i t i o n a ld e t e c t i n gm e t h o d ，t h es y s t e m c a nw o r ki nc o n d i t i o n 埘t hv a r i o u sd i r t yc o n c e n t r a t i o n ，a l s of i tf l u er a n g i n gf r o mo n e m e t e rt ot e nm e t e r s t h ea r t i c l ef i r s t l yp r e s e n t st h ev i r t u e sa n dd e f e c t i o n so ft r a d i t i o n a l d i r t y d e t e c t i o nm e t h o d t h e nm i et h e o r yi si n t r o d u c e da n di t ss p e c i a l t i e sa r es t u d i e d f u r t h e r m o r el i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nb a c k g r o u n dm i es c a t t e r i n g s i g n a la n dd i r t y c o n c e n t r a t i o ni so b t a i n e d a c c o r d i n ga st h el i n e a rr e l m i o nt h es p e c i m e ns y s t e mi sd e s i g n e d t h ea r t i c l e d e s i g n e dm a n ye x p e r i m e n t st o v a l i d a t ei t sp e r f o r m a n c e f i r s t l y s e n s i t i v ya n d r e p e t i t i o na r et e s t e d ；t h e nm a n yd a t aa b o u td e f e r e n ts i g n a lo fs p e c i m e ns y s t e ma n d r e f e r e n c e dc o n c e n t r a t i o nd a t aa r eu s e dt oc u r v ef i t t i n g t h er e s u l ts h o w st h a td e f e r e n t s i g n a la n dd i r t yc o n c e n t r a t i o nd a t ah a v en i c e rl i n e a rr e l a t i o n i nc o m p a r i s o nw i t l l r e f e r e n c e dc o n c e n t r a t i o n ，t h e f i t t i n g r e s u l th a sl e s s e re r r o r a tl a s tt h e s y s t e m p e r f o r m a n c ea b o u tz e r od r i f ta n df u l lr a n g ed r i f ta r et e s t e dt ob eo u t s t a n d i n g k e y w o r d s ：m i e s c a t t e r i n g ；d i r t yc o n c e n t r a t i o n ；s p e c i m e ns y s t e m ；d e f e r e n t s i g n a l ；c u r v ef i r i n g 浙江大学硕j ：论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得 的研究成果。除了文中特另t l d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的 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谢意。 学位论文作者签名：赵亚叫 签字同期： 加卜年 1 月i bh 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：赵亚；1 导师签名： 多孬移 签字日期：洳p 年月i 龋 签字日期：纠口年7 月7 调 浙江大学硕- t 论文 致谢 在本课题完成的过程中，我得到了光电子实验室各位老师和同学的无私帮 助，得到了杭州微兰科技有限公司的多位工程师的大力支持，在此特向他们表 示由衷的感谢。 我要特别感谢我的导师项震副教授，在我攻读硕士学位的这两年半时间里， 导师的教导和鼓励一直陪伴着我度过各种困难。导师不仅在学业和论文的研究 上上给予我悉心的指导，更是教会了我很多做事做人的道理。他宽广的胸怀、 严谨的学术态度以及平易近人的待人风格是我日后学 - j 的楷模，他所教授的一 切都将让我受益终生。 同时，我要感谢实验室的陈军教授、葛剑虹副教授、刘崇讲师在我学业上 给予的教导，在我的生活中给予的帮助。 感谢杭州微兰科技有限公司的邵乐骥经理、魏峰工程师、龚真工程师等人， 在课题研究过程中他们给予我以热心帮助和指导，让我对机械和电路方面的知 识得到了很大的提升，获得很多宝贵的工作经验。 感谢赵志刚博士、董延涛博士、潘孙强博士、付鑫硕士，刘明硕士等，和 他们一起进行学术探讨，提升了我的学术水平，开阔了我的视野；感谢胡淼博 士、何玉琳博士、娄迪博士，在我需要帮助的时候，给予我合理的建议，激发 我的思维；感谢我的室友沙子岩硕士、颜晓峰硕士，在两年半的生活中，大家 互助互爱，度过了繁忙而充实的研究生生活，留下了很多美好的回忆。 感谢我的父母这么多年对我的无私支持和默默的贡献，你们勤劳努力的生 活态度是我学习的榜样，你们的爱护是我一辈子前进的动力。 再次感谢所有关心和帮助我的人! l i 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 烟尘的危害及研究烟尘检测方法的意义 随着国民经济的快速发展，污染问题逐渐成为一个全民关注的焦点，而烟尘 和粉尘( 下文中都用烟尘代替) 污染就是最严重的问题之一。烟尘污染直接威 胁着人们的生命，尤其身处烟尘污染的环境会引起多种心血管、呼吸道疾病 等，近年来哮喘病、支气管炎等呼吸道疾病的发病率的不断地快速提高就是 烟尘污染加剧的一个典型表现。而且过多的烟尘会对高要求的实验环境及生 产过程产生不利影响，所以应当加以控制避免其危害。 1 1 1 烟尘的主要来源和危害 人类的生产生活的各个方面都会产生烟尘，钢铁和有色金属冶炼、火力发电、 水泥和石油化工企业的生产过程，煤矿、采石场等矿山生产中产生的烟尘，车辆 和飞机排放的废气，以及垃圾焚烧处理、家庭炉灶、供暖锅炉排出的烟气等，都 是烟尘污染的主要来源，其中以燃料燃烧排出的数量最大。 悬浮在空气中的不同粒径的烟尘颗粒随着人的呼吸过程进入肺部，并以碰撞、 扩散、沉积等方式，滞留在呼吸道的不同部位。大于5 微米的烟尘，多滞留在上 呼吸道；小于5 微米的多滞留在细支气管和肺泡，其中0 0 1 1 微米的烟尘在肺 泡内的沉积率最高1 1 。滞留在鼻咽喉部和气管中的烟尘，与进入人体的二氧化硫、 二氧化氮等有害气体共同作用刺激和腐蚀口腔粘膜，损伤粘膜、纤毛，从而引起 炎症和增加气道阻力。持续不断的作用会导致慢性鼻咽炎、慢性气管炎。滞留在 细支气管和肺泡的烟尘也会与二氧化氮等产生联合作用，损伤肺泡和粘膜，引起 支气管和肺部炎症。长期的持续作用，还会诱发慢性阻塞性肺部疾患并出现继发 感染，导致肺心病死亡率增高。 悬浮中的烟尘在大气污染物中的重金属及苯类、芳烃类有毒物质有载体作用。 用电镜检查发现，烟尘微粒表面能高度聚积镍、铬、锌等有毒的重金属元素。这 些聚积在烟尘颗粒表面的金属，在一定条件下能够直接与体液、血液和组织器官 浙江大学硕一卜论文 中的蛋白质和细胞产生凝聚反应，导致重金属中毒。长期在这种环境下生活会对 健康造成巨大的危害，危害程度同它们在大气烟尘中的含量和人体持续吸入的时 间有关2 1 。 在煤炭、矿山、机械、建材、轻工等行业，对于没有安全保护措施，长期 工作在高粉尘浓度环境下的工人，很容易患上尘肺病。20 0 2 年6 月2 2 日中 国矿业报报道江苏宜兴伏东镇农民利用简陋的加工设备加工山上石英石， 生产石英砂。159 名民工由于整天接触矽尘而没有任何保护措施，患上矽肺， 其中的大多数人已经失去了宝贵的生命。而煤矿粉尘爆炸导致多人死亡的事 件更是触目惊心。对于一些有特殊要求的场合，例如无尘度要求很高的高能 激光实验室以及液晶材料生产车间，烟尘的存在会导致光学元件的损坏1 和产品良品率的下降。 1 1 2 研究烟尘浓度检测的意义 烟尘、粉尘的大量排放对大气环境及人民的健康产生了不利的健康，在我国 有很多工厂矿山的排放浓度远高于国家规定的标准，但由于检测手段及监管力度 的问题，这种不利局面还在继续。大力研究有效而可靠的烟尘检测方法具有如下 意义： 1 ) 检查现在的工矿企业的环境排放标准，有利于加强监管，降低空气中的烟 尘浓度提高大气的可见度，让浑浊的天空变蓝。 2 ) 确定定点排放源的烟尘排放浓度和排放总量，为环境研究提供可靠的数据 支持，可以评估这些排放对环境造成的影响，有利于国家对烟尘排放的宏观控制。 3 ) 对呆石场等矿石加工单位，有效的粉尘浓度检测能有效的控制尘肺等职业 疾病的产生；而对煤矿来说，有效的粉尘检测能预防和消灭煤矿粉尘爆炸对人民 生命财产造成的重大危害，具有十分重要的意义。 4 ) 火电厂等排放的烟尘中含有大量的金属元素，对烟尘浓度的检测，有利于 分析提高烟尘处理手段，提高对这些金属的回收利用，具有一举两得的作用。 1 2 当前的烟尘浓度检测的研究现状 烟尘排放检测的研究在国外开始的较早，目前研究的重点从开始的直接接触采 浙江大学硕士论文 样法，逐渐转为以光电技术为主的光电( 非采样) 法。 1 2 1 采样法的原理及应用 采样法的工作原理一般为在烟道中放置一个采集装置，从烟道中采集到一定 体积的含尘气体，或者让含尘气体通过其中的滤除装置，过滤或沉积其中的烟尘颗 粒，通过干燥称重或者其它方法得到烟尘颗粒的重量，根据烟尘的质量及采样的气 体体积就可以直接计算烟尘的浓度。 1 2 1 1 滤简称重法 工作原理为在烟道中放置一个玻璃纤维滤筒( 或刚玉滤筒) ，含尘气体通过滤 筒时，被过滤掉其中的烟尘颗粒“1 。将采样后的滤筒放在1 0 5 0 c 的烘箱中烘烤1 h ， 再放到干燥器中冷却到室温，如此反复烘干到恒重，可以求得采集到的烟尘绝对质 量，再根据烟尘的质量及采样的气体体积就可以计算烟尘的浓度。滤筒称重法的重 点是求的气体体积和采样的烟尘样本是否能代表当前排放的烟尘浓度。在烟道中的 气流流速稳定，烟尘排放比较均匀的情况下，采用合理的技术手段，可以得到比较 可靠的结果。滤筒称重法还是一种比较准确的标准方法，经常在国家标准中作为其 它测量手段的参比方法，但是其缺点也很明显，一般来说需要进行手工操作，引入 操作误差，而且测量周期长，费时费力，自动化程度低，不符合现在标准实时操作 的要求。 1 2 1 2 射线法 射线法是用射线作为信号源，当射线通过烟尘区域的时候，由于烟尘的阻 挡，会对射线造成衰减，通过射线通过烟尘区域前后的衰减程度即可测量烟尘 质量浓度b 1 。 射线法的测量装置图如下图所示，一定流速的烟尘流通过滤带后，烟尘被滤 带所吸附，一段时间后，转动轴传送滤带到测量区间，射线源发出的粒子流通过 滤带，由于吸附烟尘颗粒的作用，探测器获得被衰减后的射线信号，根据信号的 衰减程度可以求得吸附的烟尘的质量，继而根据气流流速以及面积可求得烟尘质量 浓度。 浙江大学硕上论文 烟道 抽气泵 图1 1 射线法测量原理图 1 2 1 3 预测流速法 这种方法是在采样前测出烟道断面上各个检测点的流速，然后根据各点的气 流速度及采样枪的进口直径，结合各点的动压、静压、温度、含湿量的测量结果 计算出各点的采样流量“1 。然后利用流量计控制流量进行采样，根据采集到的烟 尘颗粒物质量与计算的流量的比值可以求出烟尘浓度。如果采样过程中产生工况 变化或生产工艺的改变导致烟气的流速、温度等产生变化，预测流速法也无法得 知，只能在采完样后再测一下烟气流速；如果烟气流速前后相差超过2 0 ，需要 重新采样，相差小于2 0 ，则可以认为结果是可以接受的。 由于预测流速法需要在多点进行动压、静压、温度、含湿量的测量，测量和 计算的过程比较麻烦，而且受工况变化对测量结果的影响很大，只适合在气流流 速比较稳定的环境下测量。 烟道 抽气象 图1 2 预测流速法原理图 1 2 1 4 皮托管平行测速法 皮托管平行测速法与预测流速法测量过程相似，根据排放烟道的大小来确定 采样的点数和位置，再根据动压、静压、温度、含湿量的测量结果，计算出各个位 置的等速采样流量“1 。但皮托管平行测速法可以测出采样过程中工况流速的变化， 4 浙江大学硕上论文 并迅速计算出新的等速采样流量，立即调整抽气泵进行调节，可以做到随时等速采 样。 皮托管平行测速法的测量过程为先测量后采样，同步率低，而且需要较长时 间进行预热等操作，测量周期长，有时还需要多人操作，自动化程度低。 1 2 1 5 压电晶体差频法 压电振动法是利用压电材料由于吸附上烟尘颗粒后质量改变引起压电频率改 变的特性来测量烟尘浓度。一般来说采用两块完全相同的压电晶体，一块作为参比， 另一块放在采样室内作为传感器7 1 。当被测的烟气通过采样室时其中的烟尘颗粒被 过滤在压电晶体上，从而引起压电晶体构成的电子振荡器的振动频率的改变，根据 压电晶体的振动频率可以得到烟尘的质量，从而求得烟尘质量浓度。 由于压电晶体每做完一次测试后需要重新清洁后才能进行下次测试，所以这种 测试方法不能进行长时间在线检测。 由上可知采样法的优点是在工况状况良好的环境下，可以获得比较准确的烟尘 质量和采样的气体体积，根据两者的比值直接获得当前的烟尘质量浓度，不会受外 加因素的影响。而且测量原理都比较简单，仪器比较容易实现测量。 采样法的缺点也很明显：受采样准确性的影响严重，在工况环境变化较大的情 况下误差较大。而且一般来说使用采样法原理的仪器具有自动化程度低、计算复杂、 测量周期长等缺点，不适合做实时在线检测。 1 2 2 光电( 非采样) 法的原理应用 随着光电技术的发展以及高性能光学元件的出现，光电烟尘浓度测量法由于 其非接触、非采样式的优点得到越来越多的发展应用。相对于采样法，光电非采样 法耗时周期短、操作自动化、测量精度高，更适合做在线实时测量。 1 2 2 1 林格曼黑度法 其原理是根据工作人员用不同的黑色玻璃片对烟囱的排出的烟气进行目测，然 后与林格曼标准黑度表进行对比得出烟气排放的浓度。林格曼烟尘浓度表的使用方 法：观察者侧对太阳站立在与烟囱距离4 0 米左右的地方( 观察者与烟囱间不存在 障碍物) ，将林格曼图板竖立在距观察者一定距离上，一般以1 5 米为好，并尽可能 浙江大学硕士论文 使图板位于观察者和烟囱之间的连线上“1 。放好之后，将烟色与图板的黑度进行对 比，从而可以得知烟气的烟尘浓度。 林格曼图是用来衡量烟气黑度级别的，共有6 级，从0 至5 级。在白色的底 上用黑色的小方格表示，白色面积为10 0 0 a 时为0 级，当黑色面积为2 0 时为1 级， 黑色面积为4 0 为2 级，依次类推，到最高1 0 0 为5 级8 1 。由于仅是靠目测来观察， 因此这种方法受操作人员的主观判断很大，黑度级也只能提供大致的参考浓度，整 体来说方法比较原始，精度很低。但是操作方法易于掌握，测试过程简单、方便。 1 2 2 2 光衰减法 光衰减法又被称为光透射法或浊度法。其原理为：测量仪器的信号发射部分和 接收部分准直的安置在烟道的两侧，光源发射的光强为厶的光束通过工作区域，由 于烟尘颗粒对光束的散射作用，光强会产生衰减，因此接收到被衰减后的光强信号 ，根据原始信号与接收信号的强度大小，可以得出工作区域内的烟尘浓度关系为 l7 1 i = 厶e x p ( 一r l ) ( 卜1 ) 其中r 为介质的衰减系数，它与微粒的粒径和浓度有关，l 是工作区间内的 光程，通过这个公式可以求出烟尘浓度。但也可以看到，衰减系数也受到颗粒粒 径的影响，所以只适合测量粒径变化不大的场合，并且此方法不适合测量烟尘浓 度较低的环境。 光源 信号处理 ， 寸 ， 爿 v口 接收器 烟道 图1 3 光衰法原理图 1 2 2 3 电荷法 任意两种不同的物质在动态状况下相互作用都会产生静电荷。如果颗粒物之间 互相碰撞，电子将从一种物质转移至另外的物质上，从而静电荷产生微弱电流，这 种由物质摩擦或者碰撞而产生电流的方式称为“摩擦生电“。 浙江人学硕士论文 如果颗粒物只是流经过一种材料( 探头) 附近，两者之间相互作用就会形成感 应电荷：当带正电荷的颗粒物流经接近探头的有效距离时，探针内的电子将被吸引 到接近颗粒物的外层上；当带负电荷的颗粒物流过探头所在的位置后，探针内的电 子会被推移至远离颗粒物的另一面；而当颗粒物与探头的距离大于有效感应距离 后，探针内电子将恢复原来的分布状况。这种电子群的移动现象能形成一股能被探 测到的微弱电流，这就是“电荷感应原理p 1 。 按电荷产生的原理，烟尘浓度探测方式分为两种：利用摩擦生电原理来获取信 号的方法称为直流耦合技术；而利用电荷感应原理来获取信号的方法称为交流耦合 技术。电荷法烟尘检测设备就是利用探测各烟尘颗粒物与采样探头之间所产生的电 荷，经过放大、分析和处理后，将电信号结合流速、探测截面得出烟尘浓度。 烟 度 图1 4 电荷法尿理图 1 2 2 4 光闪烁法 光闪烁法是基于动态检测原理( d y n a m i cd e t e c t i o np r i n c i p l e ) 的一种应用。 当一束探测光穿过烟道时，烟道中的烟尘微粒会对光产生吸收和散射，当一个烟 尘微粒通过光束区域内时，会造成光能损失，光电接收器就输出一个负脉冲。当 大量烟尘微粒经过光束时就光电接收器就会输出一个随机波动的信号，相当于对 光电接收器引入一个低频调制，而这个调制信号的振幅就含有微粒的浓度信息， 通过分析处理可得微粒浓度。 烟道内的烟尘浓度越高，其中所含有的烟尘颗粒也就越多，从而引起的光电 接收器的信号波动的幅度也就越大，因而可以通过信号波动的幅度来计算烟尘的 浓度 1 0 i 经验公式表明，低频调制的振幅与穿过光束的颗粒物浓度成正比。 m ：k 一a ( 1 2 ) j 其中m 为烟尘浓度，k 为比例系数，为接收信号的波动振幅，7 为接收信 浙江大学硕一e 论文 号的平均值。 光源 图1 5 光闪烁法原理图 1 2 2 5 光散射法 一定波长的光束射入烟道中时，由于烟气中的颗粒物使光产生散射，散射光 强度与颗粒物浓度成正比，通过测定与入射光垂直方向的散射光强度，即可测出烟 道中颗粒物的浓度n 1 ”1 。按照测定散射光和入射光角度的不同，分为前向散射式 与后向散射式两种方式。烟尘的光学特性是由于烟气中的颗粒与光相互作用的结 果，带有颗粒的烟气对光的传播的影响主要取决于烟尘的粒径和浓度。 随着测量技术及光电技术的发展，光散射法得到越来越广泛的发展应用。用前 向散射法结合光电环可以测量颗粒物的粒径，而后向散射法测量烟尘浓度也越来越 受到人们的重视。 光源 聚镜 接收器 图1 6 光散射法原理图 光电法的突出优点是测量周期短，测量速度较快。测量的精度一般比较高， 而且仪器的自动化程度比较高，可以实时在线的工作，比采样法更适合现代检测 的需求。 但上面提到的几种方法同样存在缺点：黑度法需要人工操作，虽然操作起来最 简单，但精度也是很低的；光衰减法、电荷法都不适合测量低浓度烟尘；光闪烁 浙江人学顾十论文 法不适合浓度较高的环境；光衰减法仪器的对准要求很高，光闪烁法对元件的要 求很高。 1 3 本论文的主要研究工作 针对现有烟尘检测手段的不足，本论文提出了一种以后向m i e 散射为基理的 烟尘浓度检测方法，通过对m i e 散射理论的研究，结合工程实际运用，得到通过 后向散射光强信号来计算烟尘质量浓度的方案，开发了一套可以实时在线测量、 适用范围广的样机系统。 论文的第二章首先对散射的现象进行了分析，通过推导了解了m i e 散射的原 理和经验公式的求解方法。通过对m i e 散射的特性分析，得到了后向散射测量烟 尘浓度的理论基础：对于物理特性已知的粒子，其在空间每个位置的散射光强都 可以通过角度和距离求出来。并通过数值模拟，验证了m i e 散射的特性。 论文的第三章在m i e 散射的理论基础上，设计搭建了后向散射烟尘浓度检测 样机，对样机的光学系统、机械部分、电路部分以及软件部分进行了详细的介绍， 为下一步的实验论证做好了准备。 论文的第四章对m i e 散射理论进行了引申探讨，确立了自行设计的后向散射 烟尘浓度测试系统的理论根据。并通过实验对样机的功能及可靠性进行了验证， 证实了设计思路的正确性。 在论文的第五章总结和展望部分，对论文的研究工作和成果进行了概括，提 出了现在存在的不足及以后的改进方向。 9 浙江人学硕j j 论文 第二章m i e 散射的理论及应用求解 德国科学家g u s t a ri d l e 于1 9 0 8 提出一种处在介质之中的颜料粒子对光散射的 理论，具体内容为单一的、各向同性的球形粒子在高度稀释的介质系统中的散射光 与该粒子直径、粒子与介质间的相对折射率、入射到介质中粒子上的入射光的波长 相关的理论。该理论和考虑到粒子会产生的光吸收问题而推导出的一组米氏方程 ( m i ee q u a ti o n s ) 可用来预测颜料应用系统的颜色强度与颜料粒子尺寸的关系等。 后来的科学家对m i e 理论进行了理论研究和扩展，开创了一个新的专业领域，研究 方向为微粒对光的散射和吸收作用。 2 1 光的散射形式 光( 电磁波) 在真空和均匀介质中是按直线方向传播的，但理想的均匀介质 在现实是不存在的，当光束通过不均匀介质时，会有一部分偏离原来的传播方向， 而散射到所有的方向上，这就是光的散射1 。例如我们看到天空是蓝色的，就是 因为大气分子和悬浮在大气中的微小颗粒对太阳光进行散射，当太阳光通过大气 时，波长较短的紫、蓝、青色光最容易被散射，而粒子对波长较长的红、橙、黄 色光散射得较弱，正是因为这种散射效果所以我们看到了天空是蓝色的。 从物理光学来看，组成物质的分子( 原子) 内的电子在光( 电磁波) 的作用下 产生了极化，原有的平衡状态被打破，与入射光相同的频率做强迫振动，形成振荡 的偶极子，向各个方向发出相干的次波1 1 4 1 这些次级波具有相同的强度和频率， 且相位恒定。如果是在真空和均匀介质中，这些子波源发出的相干次波只按原传播 方向继续传播，除此之外的其它方向相互抵消，所以不会存在散射现象。如果介质 是非均匀的，存在折射率及光学特性不同的微粒，那么整个介质系统的光学均匀性 就被破坏，在入射光作用下，杂质微粒产生电学特性不同的偶极子，在不同区域之 间形成了强度差别较大的次波源，而且在空间各点存在了不可忽略的光程差”， 不同强度的次波源相干叠加，使得光场中的强度分布将与均匀介质的情形不同，除 了沿原方向直线传播外，其它方向也有光的存在即存在散射现象。 1 0 浙江人学硕上论文 散射的类型和散射微粒的形状及大小有密切关系。一般来说微粒的形状可能有 不规则体、方形体、近球体、球体等，在进行研究时经常把微粒近似成球体来计算 ( 当然这时的粒子直径d 并不代表实际大小) 。对于粒径大小不同的球型颗粒，它 们对光的作用一般被分为三种形式：瑞利散射、m i e 散射，弗朗禾费衍射。 2 1 1 瑞利散射 当微粒的粒径远小于波长的时候，这时候称为瑞利散射。均匀的物质颗粒的范 围内，入射光所引起的电场在各处是均匀的交变场，散射体在交变场中极化产生电 偶极矩，偶极矩的大小随电场的变化也做出同步变化，辐射出散射光波。其散射光 强为n 6 1 ： 厶= l 筹龛s i n 2 秒 浯， 其中厶为距离微粒r 处的散射光强，秒是光入射方向与散射方向之间的夹角， d 为微粒的粒径，m 为微粒相对于介质的折射率。 由上式可以看到，散射光强与微粒粒径的六次方成正比，而与光波长的四次方 成反比；前向散射光强和后向散射光强对称分布。 2 1 2m i e 散射 当微粒直径与波长在同一数量级时，对光的散射就不再符合1 兄4 的瑞利反比 率，这样用瑞利散射来解释散射规律就不行，而需要用m i e 散射来解释这种散射 形式。m i e 教授用基础的电磁波衍射和散射问题进行求解，适用于任意大小的各 向同性的球体。光强为i o 的入射光被尺寸参量为口、折射率为m 的球体散射，在 散射角为0 且距离球型微粒距离为r 处的散射光强为： 卜筹瞰口，z ，叭弛，聊，o ) l ( 2 _ 2 ) 理论上m i e 散射适合所有尺寸的球形微粒，不过由于求解比较麻烦，一般来 说对于尺寸很小的粒子，m i e 散射可以用瑞利散射来近似；对尺寸较大的粒子， m i e 散射可以用弗朗禾费衍射来近似1 1 6 1 。 浙江人学硕1 二论文 2 1 3 弗朗禾费衍射 当散射微粒比入射光波长大得多时，散射现象已经过渡到衍射现象，其规律 可用夫朗禾费衍射说明。根据巴比涅原理，互补屏衍射光强分布除中心点光强互 补外，其余的地方衍射图样相同。对于粒径为d 球形微粒来说，其迎光投影的互 补图形为与微粒粒径相同直径的圆孔，现象为在观察屏中央是一圆形明亮光斑， 其周围是明、暗交替的圆环，各明环的亮度有内到外迅速减弱，其中央明亮圆斑 的半角宽度( 第一暗环的张角) 为n7 1 ： p 、：1 2 2 2 ( 2 3 ) d 可见由第一暗环张角的与微粒的粒径成反比关系，以此为理论基础可以测量 微粒的粒径。 根据弗朗禾费衍射定律，散射角为0 的方向上散射强度为17 1 ： 等 等科 协4 ， 其中：j f 0 为入射光强，d 为粒子的直径，为会聚透镜的焦距，口：_ 7 r d - 为微 粒尺寸参量，z 为一阶贝塞尔函数。 2 2m ie 散射理论 m i e 理论用基础的电磁波衍射和散射问题进行求解，可以适用于任意尺寸大小 和光学常数的微粒。根据m i e 理论，微粒对电磁波的散射特性只与微粒的尺寸参量 和微粒的光学常数有关。散射光强的经典公式为1 8 1 ： ，= 骞【f l ( o t , m , o ) 州口，舢) 】 ( 2 - 5 ) 其中的强度函数f l 似，m ，口) 和如 ，m ，p ) 为： “删删钏2 2 毫蒜【咿小刚) + 6 ( c o s 护) 】( 2 - 6 ) i t ( a t , m , o 川：( 口) 1 2 = 芝n = l 而2 n 而+ l 【叩。( c 刚m 万。，秒) 】 浙江大学硕，h 仑文 由上式可以清楚看到，m i e 散射光强的核心问题就是对散射系数a n 、玩以及 散射角函数r ( c o s o ) 、，r ( c o s o ) 的求值问题。 2 2 1 m i e 散射公式的推导及其物理意义 z p i 八 图2 1 散射示意图 光强为i o 的入射非偏振光沿着z 方向传播时，其光矢量均在x o y 平面内振动， 可以分解为两个振幅相等、振动方向互相垂直、无固定相位关系的偏振光矢量。 以y o z 平面为观察面，距离散射中心0 处距离为1 - 的p 点的散射光强也可以分解 为局i 和日两个正交分量，对应的散射振幅分别为s 和& ( 墨和是只与散射角乡有 关) 。对均匀介质球，散射光电场中沿x 方向的偏振光，在轴向角为够，散射角为 0 ，距离散射球体中心为r 处的散射光， e l x e i k 。r e 7 k r c o s9s 2 在x 轴y 轴上复振幅表达式为： ( 2 - 7 ) e 上j ，= j e 七，o e i k rs i n9 s i ( 2 8 ) 而对于沿y 方向偏振入射光，与x 轴相比振幅、波矢均不变，对同一个散射 光能量的接收点来说，散射角秒和距离r 均不变，而轴向角变为9 0 0 一护，对应的 散射光在x 轴y 轴上的复振幅分别为： e l l ，= _ m e o e bc o s ( 9 0 0 _ 伊) 是 ( 2 9 ) ， 浙江火学硕二l ：论文 e l i r = 面e o e i k rs i n ( 9 0 。一缈) s ( 2 - 1 0 ) 由于是两个完全正交方向、无固定相位关系的偏振光，因此合成以后的光强 就等于各自光强的直接相加，非偏振光的两个正交偏振分量的光强均为，。2 ， 求取散射光四个振幅分量的光强分别为： ，上，= e 上，瓦= 瓦i 。o 厂。c o s 2 ( 缈) s 2 s ； ( 2 11 ) ，上y = e ：y = 击s i n 2 ( p ) 即s i ( 2 _ 1 2 ) 厶，= 钲e l 二= 嘉s i n 2 ( 郴：吗 ( 2 _ 1 3 ) 毛y = e i l y e 0 = 互万1 0 c 。s 2 ( 缈) s 。s 1 ( 2 1 4 ) 以上四式相加就可得两束偏振方向正交的光线在同一个接收点的散射光强 为： 邶) = 志眦9 ) 1 2 + | 蹦秒) 1 2 ( 2 - 1 5 ) 2 2 2 m i e 散射数值求解 根据经典m i e 散射理论，垂直和平行于散射面的两个方向的振幅分量分别为： 蹦咖薹揣 a x ( c o s o ) + b r ( c o so ) 】 蹦垆薹耥【”小。s 叭咖小。s 曰) 】 在振幅函数的表达式中，系数和吃与球形散射粒子的尺度参数口= 鲁和 折射率m 有关，并表示为： 。一。( 肼口) 。( 口) 一m 少。( 朋口) 沙。( 口) “ ：( 肌口) 磊( 口) 一所( m a ) 4 。( 口) ( 2 17 ) 一m v 。( m c t ) 9 。( 口) 一缈。( m a ) e 。( 口) ” 朋。( m 口) 色( 口) 一。( m a g ( 巧) 其中的1 1 阶函数，以及他们的微商以，有递推公式： 浙江人学硕f ：论文 帅h 2 驰) = 丁z ；r ) h i 2 ( z ) 一f 木z ( z ) y 。( z ) = 5 c ，。一。( z ) 一旦。( z ) z 胛( z ) = f 疗一。( z ) 一! 二孝行( z ) z ( 2 - 18 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 其中z 为变量，以州：( z ) 和匕+ ：( z ) 分别为半整数阶的第一类，第二类贝塞尔 函数。将n = o ，1 带入上式，可以得到初始值： 彘( z ) = s i n z + i c o s z l f f o ( z ) = s i n z 孝l ( z ) = & ( s i nz + i c o sz ) 一( c o sz is i nz ) l ( z ) = 一1s i nz c o sz 将散射粒子的尺度参数口和折射率m 带入上面四个初始值，按照递推公式 可以得到虬( 口) ，少。( 口) ，( 加口) ，少。( m 口) 以及氦( 口) ，孝。( 口) ，带入公式就可 以求得系数a n ，瓦。 在振幅函数的表达式中，散射角函数： j 啪o s 胪击掣( c o 妇) ( 2 _ 2 2 ) 卜( c o s 0 ) = 品枇。卵) 式中可见，系数, 7 n 和l 只与后向散射角度9 有关，其中的斜”( c o s a ) 为勒让 德多项式，这些函数可以由低阶值递推得到高阶值，其递推公式如下： 万川( c o s a ) = c o s 8 型万。( c 。s p ) 一盟万川( c 。s 口) ( 2 2 3 ) 力刀 r ，( c o s a ) = n s 一万川( c o s o ) s = c o s o 万刀( c o s a ) 一万肛i ( c o s o ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 浙江大学硕十论文 将初值7 。= 0 ，乃= 1 带入上面的递推公式，就可以求得各阶的散射角函数 的值。 综上所述，在颗粒粒径d ，折射率m ，散射角0 已知的情况下，可以求得在散 射角0 方向上距离散射体距离为r 处的散射光强，这就是散射法测量烟尘浓度的 理论依据。 2 2 3m i e 散射的散射系数、吸收系数及消光系数 散射系数定义为微粒在空间内各个方向的总散射光强与微粒的投影截面的比 值，其表达式为u 叼： k 矿寺善( 2 川胍1 2 + i b 1 2 ) ( 2 - 2 6 ) 当折射率为复折射率时，即存在吸收的时候，还存在吸收系数，它与散射系 数和消光系数之间的关系为： k s c a + k n b s = k 瞒t b = 砉荟0 0m 州州瑚 ( 2 _ 2 7 ) 同样的根据贝塞尔函数求解，将得出的a 。、6 n 带入上式，即可求出散射系数、 吸收系数以及消光系数。 2 2 4m i e 散射的特性的模拟 2 2 4 1 散射光强分布的模拟 由上节可知，米氏理论形式繁琐，m i e 散射的计算比较复杂费时，比较常用 的算法为迭代公式法，v a nd eh u ls t 法，d e i r m e n d j i a 法。迭代法计算精度比较 高；v a nd eh u ls t 法精度比不上迭代法，但速度o r ；d e ir m e n d ji a 适用范围最广2 0 2 1 2 。当阶次知道后，可以采用合适的算法计算上面的参数，如采用迭代法计算， 取阶次刀= 口+ o f “3 + 1 6 ，其中a 为尺寸参量。当m - - - 1 5 ，见- - - 6 5o n m ，对于不同的尺寸 的微粒，模拟散射强度如下 浙江入学硕上论文 厂i 弋。 j i j i l j ；杰 、 、 a ) 直径6 5 纳米 厂 、 ) 再 、_ 一 少纱z 一 心西 b ) 直径0 6 5 微米c ) 直径6 5 0 微米 图2 2 散射光强分布 由上可以得出结论： 1 ) 当微粒很小，尺寸参量远小于1 时，前向散射光强与后向散射差值很小， 当尺寸参量趋向于零时，两个方向的强度也趋于相同，散射光强与散射角度关系 不大，所以这时可以用瑞利散射近似替代m i e 散射。 2 ) 微粒粒径增加到与波长数量级相当后，散射强度变大，光强分布变得不对 称，前向散射强度大于后向散射强度，随着粒径的继续增加，这种变化越明显， 散射主要集中在前向。 3 ) 当微粒粒径远大于波长时，散射光强的前后不对称性继续加强，并且曲线 在不同的角度出现极大值和极小值。 2 2 4 2 散射系数的模拟 对于波长6 5 0 n m ，折射率为1 5 的微粒，按粒子直径从0 6 5 纳米到6 5 微米， 模拟散射系数如图2 3 所示，当粒子直径很小时，散射系数很小；随着粒径的增 加，散射系数逐渐增大；当粒子直径进一步增大到远大于波长时，散射系数振荡 着趋向于2 。 浙江人学硕j ：论文 2 3 小结 图2 3 散射系数图 本章中详细的对散射的原理及特性进行了分析和推导，对m i e 散射的物理意 义和参数求解进行了分析，确立根据m i e 散射的特性可以用它来作为后向散射检 测烟尘浓度的理论基础。并对m i e 散射进行了光强和散射系数的模拟，进一步了 解m i e 散射的特性。 浙江大学硕上论文 第三章后向散射烟尘浓度测量系统的研制 在上一章中我们通过对m i e 散射进行了理论分析和模拟，其散射光强公式就 散射法测量烟尘浓度的理论基础。当前比较常见的测试方案有两种：前向散射法 和后向散射法，其中前向散射法多见于测量颗粒的粒径，基于对系统机械结构的 考虑，本文采用后向散射法。在本章中我们将设计合适的系统来测量烟尘浓度， 参考国家标准及实际应用，具体的要求是整体结构紧凑、容易安装调节、价格低 廉、测试灵敏度符合国家标准。 3 1 样机的整体设计 后向散射烟尘浓度测量系统样机的整体包括以下部分：光学系统、电路系统、 单片机系统、机械设计部分以及软件部分。光学系统主要是发射信号及接收散射 信号模块、信号的零点及量程校准模块；电路部分主要用于消除噪声、信号的放 大、标准的电流信号输出；单片机系统包括电源控制模块、a d 转换模块、串口 通讯模块；机械部分包括光程的调节等。 整个系统的工作流程为：光源发射的光束通过测量区域，被其中的烟尘颗粒 所散射，后向散射的光经过透镜被会聚在接收器件上，接收器件获得的信号被流 压转换后消除噪声并放大，处理后的信号a d 转换为数字信号传给单片机，单片 机将接收到的烟尘信号做相应的处理后，经2 3 2 串口送入上位机软件处理和存储。 3 2 样机的光学系统 3 2 1 系统光路图 如图3 1 所示，光源所发出的准直光束照射到烟道内，烟道内的烟尘颗粒将 光向各个角度散射，由于外接法兰和窗口