（测试计量技术及仪器专业论文）基于光度计法的粉尘质量浓度测量系统的研究与开发.pdf

硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 abstract 1 七 edustr n a s s co力 ce nt r at i on mea 叭 lr o m e n t b 留ed on p b o t o m et e rmeasur e m e d t is 雨d e l y us ed刀 d w a d a y s b e c a u 旧 e ofits五 巧 t 、s ll n p l e an dc o n t in u o usw o rk l n gfe a tu 邓 5 . a sy s 1 e mfor d us t mas s con cen tr at 1 0 nm e as u r e m e n t b as ed on p b 0 to m e t e r m e a 以 e m e ntis re s e ar c b edand d e v el opedinthis w o r km y workin而s p a per can fail into th re e p 州5 . f ir st ， 劝 团 ythe p n n c i p l efor d 让 劝mas sco n c 七 n t r at i o nm easurement b as ed on p h o to m e 七 才 m e a s u r e 幻 。 ent t b e n ， the most面p o 比 功 t p art， de s l g 力asy st e m fo rd u stmas sc o n c e n tr a t i on m e as ur e m e nib a 歇 泛onp h o 加 m e t e r m e 别 乳 止 e m e n t . l m p ro v cme n t o n o p l l c alsys t e n l n oto ul y 托 d 讹est h e costof面s sys t e mb u t al so邝 d u c est h e drift in g in刀 口 e a u re m e n t 化 sult ; 5 创 m p l e c i r c u i t w l t b c are细lychoos edp h o to re c t ifi erand叩耽 a t 1 o nal a m p l ifierm e et s th e n e eds of 而5 哪a s u 比 e d e n t sys t 周 口 ; a n inexpens i v e and g e n e 口 l mon o l i l h l c inte gr 川 e d c i r c u it ( 8 9 c s 2 ) 盯 s t e mis desi gnedtotr a d s fo rmthe s 田 的 p l ing s ignal血 lt o the d u s t mas s c o 幻 c e n tr at i o n v al ue; t 五 e s i 助a 】 tonoi se司10( s n r ) o f 伽 m e 留 u re m e n t in面s s y s t e mi s g r e a t l yi m p rove d 吐 创u ghthe l a e r m o d u l ation inthe l ast p artof面s w o r k ， a c o m p are ism a d e b e 伽een the a m 5 10印 r o d u c e d bytsl c 。 印 。 r a t i o n)a n d面s syst m， 阴ds ome p ar 田 旧 e t ers of而s s y s l e mare gi ven d u ri n g 面5 p r o c e s sthe r e s u l t i s th a t : the s y s t e mfor d u stm as s c onc e n o at i onm e a u 比 e r o e ntb as edo n p h o t o m e 抚 r m e as u r e m e n t in而5 认 心 r kisable toachi e vea v e rygood m e asu r e r n e n t e ffect. t 七 edevi ation 别 m p l itu山 ofthe 幻 n a s c onc e n tr a 6 o nmeas u re dby 面ssys t e misw i th i n 士 1 0 %ofthe 刃 。 a s s con ce d t r a t i onm e as u r e d bya m5 10. t h l s sys t e mc anm e 出 川 t e t h e m ass 叻 c e n tr at io n r an g e 6 灯 m o to 2 0mgha， wb a t i do int hi s workgr e atr e d u ce s th ec o stofthe i n st ru n 1 c ntfor d u s t m as s 。 。 n c e n t r at l on m e a s 世 e m e nib ased on p h 川 o m e t e r mea s u 丁 e 幻 n e 叭 胡d p r o v id e one 肠 由 dof 加 5 奴 u m e n t th a t can be咐delyusedtoprev e o t the airpou uti姐 k e yw o r d : air env i ro nment as s e s s m ent， dustm a s s c o n c e n t r a t l on， 。 p t i c al s c at t e r i n g ， p h o t o 一 d etec ti o n ， s i gnalin t e g ra l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明确的 说明。 研 究 生 豁弃丝一 娜 年 7 月 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档， 可以 借阅 或上网 公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 ，狐卫 寻 到 业训年 川日 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 1绪论 1 . 1 引言 总 悬浮颗粒物( t b t alsus 侧 组 d e d p articulate， t s p) 是指悬浮 在空气中的 空 气动力 学当 量直 径夕00阿 的 颗粒物， 是大 气质量 评价中的 一个通用的 重要污染指标。总 悬 浮颗粒物的浓度以 每立方米空气中 总悬浮颗粒物的毫克数表示。 其对人体的 危害程度 主要决定于自身的粒度大小及化学组成。 习 惯上人们将总悬浮颗粒按照粒径的动力学尺寸大小分类如下: 1 0 0 卜 . 降尘 0 公 】二 钧 叭叶粗 . 圈俘 网!尘皿 尘峨总 吸 时呼 01卜卜卜 0.111 图1 . 1 . 1 总 悬浮颗粒动力学尺寸大小分类 研究表明， 动力学尺寸在d 1 0 产 加的 尘埃被人的鼻毛阻 止于鼻腔; 约90%的 2 娜 d 10 娜 粒 子 可以 进入并沉 淀于呼吸道的 各个部位， 被纤 毛阻 挡并 被粘膜吸收 表面组分后， 部分可以随痰液排出体外， 10%的可以 达到肺的深部并沉积于其中; 1 00 %的d 。时，mi e 解 给 出 与 几 何 光 学 相 同 的 结 果 。 11211 13 2. l 2 诵e 散射光通量的 计算!121 根据散射光通量采集方式的不同， 可以分为同轴采光系统和异轴采光系统两类， 相应 的就有两种不同情况下的光通量的计算方法。 光通量是单位时间内某个立体角内的光 能量。 如图2 . 1 2 所示， 在球面坐标系中，设颗粒位于原点，则半径为 硕士论文荃于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 图2 . 1 .2光通量计算示意图 ; 的球面上，方位角在尹 一 护 十 d 尹 、散射角在6 一 夕 十 d 口 范围内的光通量可按关系式 萨二 j. 游求得， 其中人 为 面 积 元游处的 散 射 光 强， 而 面 积 元ds可以 表 示 为 心= 尸s in 田俐 必(2.1.15) 代入后即 得妈一 叭和散射角氏一 氏散 射角 范围内 光 通量的 计算公式为 尸 一 j，s 一 犷 、 乒rzs 血 (2. 1 . 1 6) ( 1) 同轴采光系统的光通量计算 图2 ， l j同轴采光方式 同轴采光系统在光散射式颗粒测量技术中得到很多的应用 2 1 . 3 所示，光通量的表达式为 ，其工作原理如图 二 一 犷 、 乒rzs “ (2. 1 1 乃 硕士论文 墓于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 可以 证明， 在同 轴采光的情况下， 无论入射光是自 然光还是完全偏振光， 其光通 量具有相同的形式，可以写为: ; = 会犷 i， ， 十 、 (6)j “ * (2， 1 ， 1 8 ) 在衍射或前向 散射中， 常采用特制的半圆环形多元光电 探测器采集颗粒的散射光 通量，这种方式属于同轴采光。 (2) 异轴采光系统的光通量的计算 异轴采光系统在光散射式颗粒测量技术中也得到较多的应用，如图2 . 1 .4 所示。 设入射光沿2轴方向照射到位于坐标原点的颗粒，散射光通量是在偏离2轴的某点 附 近的 球 冠 面 范围 内( 散 射 角 范围 为风一 久) 进 行 采集。 这 时 方 位 角朽一 朽与 散 射 角夕 有关。 图2. 1 .4异轴采光方式 当入射光为自 然光时，光通量可按下式计算: 二 = 厂 可isrz 、 二 令犷 、 。 十 、 (6)j ， sin (2.l ，” 其中 尹 = 帆 一 妈 ) / 2 = 田 旧 c o 5 氏 一 以_民 + 6， c o s 一一c o s 夕c o s 一 22 sin鱼 土 鱼 血夕 (2. 1 2 0) 当入射光为完全偏振光时，光通量为 f = 典尸 广 ;、 。 sin:， + 、 。 co ， ， sin、(2.l.2l) 月 万 一 叼 七 一 。 伊哟 硕士论文 基于光度计法的粉尘质t浓度测盘系统的研究与开发 2. i j mi e 散射光通量与颗粒粒径的关系 本课题采用的球面反射镜的尺寸分布如图2 . 1 .5 。0为球面的球心，a为粉尘颗粒。 图2 . 1 .5球面反射镜尺寸分布 由图中数据可知散射角夕 的取值范围大约是3 00 0 巧00. 因此在以下光通量的 理论计算中取散射角范围为3 00 夕 巧00。 由n “ 。 工 ab 计算， 可以 得到 光强随散 射角 度变化的 分 布图( 粒径为0. 5 娜 的 颗 粒) 、 光通量随粒径变化的分布图. 在此取颗粒相对周围的 折射率二 月33沐= 650 ” m。 叻叻07助叻以的帕翻 .叹盆扭孚权 洲 】， 目 1 召 刃口 幻 心 胜封 角公 单位 度 ) 口 日成阅曰 团 图 2 . 1 . 6 光强随散射角度变化的 分布图( 粒径为0. 5 声 功 ， ) 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 过 。 犷气汀一气右一，右一下扮一一命，一贫 光 通 且 蔺 粒 径 交 化 的 分 布 关 系: ， r 图 2 . 1 . 7光 通 量随 颗 粒 粒 径 变 化的 分 布图( 粒 径为0. 1 1 州一 10声 溯) 光散射法粉尘质量浓度测量原理就是基于诵e 散射的光通量与颗粒粒径的关系。 由 杨e 散射的光通量就可以 推知颗粒粒径的大小。通过对一定体积样气内 颗粒大小和 颗粒个数的测量， 在已知被测颗粒密度的情况下就可以知道该体积样气中颗粒的总质 量.单位体积样气中颗粒的总质量即为该样气的粉尘质量浓度。 2. l 4 光通量质童灵敏度 将某一粒径的单个颗粒所对应的光通量除以该颗粒质量即为该种颗粒在此粒径 的光通量质量灵敏度。 以 下就是光通量质量灵敏度关于颗粒粒径的分布图。 在此取颗 粒 相对周围的 折射率m 习33挤= 6 50nm ， 颖粒密度为i kg/ m 3 . 乏哩一一一-一一一一一 . 一 。 合-一气右一一一苗犷-一盆r- .， 砂 图 21 . 8光通量质t 灵敏度随 颗粒 粒径 变化的 分布图( 粒 径为0. 1 声 a ” 1 0 洲 ) 硕士论文 基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 1 0 口沁 盯引科50加17951 012345678 1 o 表2. 1 . 1呼吸性粉尘采样通过率 a c g 刀 理 ) 散射光关于粒径的质量响应 曲线与 a c g ih ( a l l l ericanc o 四 re r e 川 羌 of gov e n ” l l e n ta l 玩 d u strialh ygi 画sts) 定义的 呼吸性粉尘采样曲 线 ( 如图2 . 1 .9 ， 简 称 a c gih曲 线) 的 粒径范围相近。 因此光散射粉尘质量 浓度测量法可以 很好的用于 可吸 入颗粒的质量浓度测量，也是普遍被采用的一种方法。 幼口.日.，.0， 01 . . 厂拼葺七 皿过. 注:由a 比ih提出的呼 吸性粉尘采样通过率拟合。 图2 . 19a 比ih 曲线 2 . 2 光度计粉尘质量浓度测量原理 通过光散射原理测量粉尘质量浓度的方法有两种: 一种是通过粒子计数方式测量 粉尘质 量浓度 151 114 ; 一 种是光 度计 粉 尘浓度 侧量 法。 我们教研组在粉尘颗粒的粒子计数和光散射信号传输特性研究等方面已 经做了 很多的 工 作， 并 且 成 效 显著 115 l 1 6111刀 . 近 来 又 在 粒子 计 数 方 式 测量 粉 尘 质量 浓 度 方 面 做了 很 多 的 研 究 工 作 115 10 粒子计数方式测量粉尘质量浓度存在一定的 局限，它对测量对象有一定的要求: 硕士论文基于光度计法的粉尘质盈浓度侧t系统的研究与开发 图3 2.1尘埃粒子计数器的气路系统的结构 目 前国家规定的计数器最小采样气流为 2 .8 3 l 加 面 n( 国外计数器的采样气流率 2 8 . 3 umi n ) 。 3 、散射光收集系统 散射光收集系统是光电 传感器核心之一。尘埃粒子散射光收集系统， 见图3. 2. 2， 实际上是一个点成像系统。反射腔将光敏区a 处粒子散射光收集起来，成像于点b 。 光电倍增管将b点处的光信号转化为电 脉冲信号。国外一般采用的是透镜成像系统， 见图2. 2. 3. 图32 . 2 尘埃粒子散射光收集系统 硕士论文荃于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 3 . 2. 2 光电 传感器的几点改进 本课题采用的光电传感器是在尘埃粒子计数器的光电 传感器基础上做了一些简 单修改. ( 1) 因为光电 二极管己 经能 满足光度计粉尘质量浓度测量的测量要求 ( 见本章 电路设计部分) ，而且能够节约成本， 本文将光电 倍增管换成光电二极管. ( 2 )因为新设计的电路是采用的是直流放大，非光敏区颗粒的散射光和杂散光 会引起信号的漂移。 为了防止光敏区以 外的其它光被反射腔接收， 本文将激光光束用 黑色铝管进行束缚。 3 . 3电 路设计 3 3 .1信号采集电路 1 3. l i 激光尘埃粒子脉冲信号分析: 当粒子浓度较小时， 信号为一系列离散的脉冲信号。 在此先对脉冲信号做一下分 析。 3. 工 l l i 信号峰值大小的分析: 本课题采用的光源是功率为s mw 、 波长为650 川 n 的半导体激光。 粉尘颗粒的粒 径范围 是0. 1 一 10娜 ， 在此估 算过 程中 取粒径 为0. 5 娜 . 由m ie散射光空间 分 布 理 论 可以计算单个粒子通过时电脉冲信号的信号峰值。 由 原 理 部 分 可 以 知 道 : 当 入 射 光 强 为1 肠 时 ， 光 通 量 大 约 是 1 .5 * 1 。 刁 im， 见 第 二 章。 激光光 束截面 积为0. 9 川 爪 * 0 鸿 川 ， 因 此入 射光强大 约是1 . 7 * 1 护ix ( 考虑 半 导 体 激光器能量转化效率 (30 %) 和发光效率 (40 肠 叮 w ) ) ， 故光电二极管接收面 上的 光 通量大 约为0. 2 3 * 1 。 刁 lm( 考虑光电 二极管的 玻 璃反 射(4 % ) 。 光电 二极管的 接收 面 积 为3 mm * 3 。 ， 因 此 接收面上的 光强 度大 约是26ix。 光电 二 极管灵 敏度的典 型 值为 0 1 州/ 扮 数量 级， 在此取0 1 州/ 扮， 因 此对应的 光电 流大 约 是2. 6 网 。 因 此， 若 要 获 得v( 伏特)量级的信号，就需要将信号放大1 。 一 1 护倍。 1 3. l l 2 信号的宽度分析: 由于 输入计数器中的采样气体由 气泵 抽入样 气管道， 通常的气压为一个大 气压， 采样气流速度基本保持不变。 在给定的 采样气体流速的条件下， 采样气体在样气管道 内的实际运动速率v 与采样气流横截面成反比关系。 目 前， 本课题采用的 气泵的 采样 率是2. 83u m in ， 即0. 1 立方英尺如运 ， 以l mm z 为气流的 横截面积， 则采样气体的 实 际运动速率: 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 件2 .83 (l /min ymmz 粗. 8 3 xl 0 3 n 州 in in =4 7 n 州 5( 3 . 3 . 1 ) 采样气体中单个尘埃粒子的质量远远大于单一空气分子的质量。 根据流体力学研 究的结果， 大质量的粒子在气流中的运动速率要小些。 粒子运动滞后于气流的差值与 粒径的平方成正比。 v = 护p pi;( 3 .3 .2 ) 式中 v表示粒子运动滞后于气流的差值。p一指粒子的密度，p 一指气体的动 压强， 毛 一 指气体粘 滞 度。由 于我们所测 量的 粒子的 粒径范围是 亚微米级， 粒径在此 范围内的粒子的滞后速度可以忽略不计。 因此， 我们认为待侧粒子均以样气管道内气 流的实际运动速率v 穿过光敏区。 光敏区的厚度为ilnn 量级。 这样， 对光敏区而言， 粒子穿过光敏区所用的时间约 为 t =1 ( 甲 m ) / 4 7 ( n 岁 台 ) 司o z xl o 刁 5 砚0声 ( 3 . 3 . 3 ) 因此在运算放大器的网络带宽应在50k h z以 上。 3 3 :1 光电 检测器件的 选择: 光电探测器是一种将辐射能转换成电讯号的器件，是光电 系统的核心组成部分， 在光电系统中的作用是发现信号、测量信号，并为随后的应用提取某些必要的信息。 光电探测器的种类很多， 新的器件也不断出现， 按探测机理的物理效应可分为两 大类: 一类是利用各种光子效应的 光子探测器， 另一类是利用温度变化效应的热探测 器。 在光电 探测器的发展中， 最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作 用的光电子效应。 在众多的光电子效应中只有光电子发射效应、 光电导效应、 光生伏 特效应和光电 磁效应得到广泛的应用。 基于光电 子发射效应的器件在吸收了大于红外波长的光子能量以后， 器件材料中 电 子能逸出材料表面，这种器件称为外光电效应器件. 基于光电导、 光伏特和光电 磁效应的器件， 在吸收了大于红外波长的光子能量以 后，器件材料中出 现光生自由电 子和空穴，这种器件称为内光电 效应器件。 下面对基于各种效应的探测器分别作一些介绍: 光电 子发射探测器。 光电 子发射效应也称外光电 效应。 入射辐射的作用是使电子 从光电阴极表面发射到周围的空间中， 即产生光电子发射。 产生光电子发射所需的电 硕士论文 荃于 光 度计 法的 粉 尘 质 t 浓 度侧 盆 系 统的 研究 与 开 发 能量取决于光电阴极的逸出 功。因 此，光电子发射这个长波限，光子能量h c/又 低于 阴极材料逸出功就不能产生光电 子发射。 阳极接收光电阴极发射的光电 子所产生的光 电流正比于入射辐射的功率。利用光电子发射的效应的探测器称为光电子发射探测 器， 其中有真空光电管、 充 气光电 管和光电 倍增管. 真空光电 管由 光电 阴极和阳极构 成，用于响应要求极快的场合。应用最广的是光电 倍增管，它内 部有电 子倍增系统， 因而有很高的电流增益， 能用于检测极微弱的光辐射信号。 但是光电倍增管也存在着 应用缺陷: 价格较高、 工作时需要上百伏特的高压。 光电 倍增管还对高压供电电 源要 求很高。一般高压电源的稳定性应比光电倍增管所要求的 稳定性约高10倍。本课题 组尘埃粒子计数器采用的光接收器件是光电倍增管。 光电导探测器。 光电导是应用最广泛的光电子效应。 入射辐射与晶格原子或杂质 原子的束缚电子相互作用， 产生自由电子空穴对 ( 本征光电导) 、自由电子或空 穴 ( 非本征光电导) ，从而使半导体材料的电导增加。光子所激发的载流子仍保留 在 材料内部所以光电导是一种内光电效应。利用光电导效应的探测器是光电导探测器。 本征光电导需要光子激发出自由电子空穴对，光子能量至少要和禁带宽度一样。 当入射光子没有足够能量产生自由电子空穴对但能激发杂质中心时， 激发产生自 由电子或自由空穴，便形成非本征光电导或称杂质光电导。非本征光电导的波限是 1 . 2 4 肠 二- 言 一 乙了 ( 334 ) 式中式是杂 质电 离能。 硫化福、 硒化锚是在可见光范围内 使用最广泛的 光电导 器件。 主要用作光敏电 阻。 一种是单晶型， 另一种是多晶型。 单晶型光敏电阻不但对可见光灵敏， 而且对x 、 “、 夕 、y 射线也灵敏， 但受光面 较小; 而多晶型光敏电 阻受光面可以 做得较大。由 于半 导体对光的吸收具有非线性特征， 光电导探测器的光电流与入射光功率呈现非线性关 系。 这类光电 探测器还有一个缺点: 响应慢， 只适用于直流和低频光探测。 因此光电 导探测器不适合于本课题的使用。 光伏探测器。 光生伏特效应是另一种应用广泛的内光电效应， 是半导体受光照产 生电 动势的现象。 它与光电导效应不同 之处在于需要一种将正、 负载流子在空间上分 离的 机制 内 部势垒。 虽然非 本征光伏效应是可能的， 但几乎所有实 用的光伏探测 器都 采用本征光 伏效 应。 当 入射光 子在p 一 。 节及附 近产 生电 子 空 穴对时， 光 生 载流 子受 势垒区电 场作用， 电 子 漂移到n 区， 空穴 漂移到p 区. 如果 在外电 路中 把p 区和n 区短接， 就产生反向的短路信号电流。 假若外电 路开路， 则光生电子和空穴分 别在n 区和p 区 积累， 两端便产生电 动势， 这称为光生伏特效 应， 简称光伏效 应。 结型光伏探测器工作时不需要加偏置电 压。 如果加上反向 偏压， 则入射辐射会使 反向电流增加， 这时 观测到的 光电 信号是光电 流。 加偏压工作的 探测器也常称作光电 器 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧盘系统的研究与开发 二极管。 光电 二极管的 光电 流输出 特性如图2. 2. 5( 见第 二章) . 光电 二极管在较小 负 载电 阻 下，入射光功率与光电 流之间呈现很好的线性关系。 除了 上述简 单的 结 型探 侧器外， 常 用的 还有雪 崩光电 二极管、 咖 结光电 二极管、 肖 特基势垒光电二极管、光电三极管等。 咖 结 光电 二 极 管 在p 型 和n 型半 导 体 之间 加 入 一 个本 征区 域， 其 表面 做 捌反 薄， 使得入射辐射透入本征区内 被吸收， 产生电 子 空穴对。 本征区内的电 场使电子 一 一空穴对分开， 并快速 通过本征区进入n 区 和p 区。 器件的频率响应和效率都比 用同 样材料制作的犷 一 n 结光电 二极管好. 雪 崩光电 二 极管 采 用专门 设 计的51和ge 的pn结 或咖 结。 在较高的 反向 偏置 时， 结区的电场使结区内产生载流子大量增加的雪崩现象， 反向电 流比无雪崩时有明 显的增加。 这种器件的灵敏度高、 结电容小、响应快， 常用于探测高调制频率的近红 外辐射。 雪崩光电二极管也需要加偏压， 低压在几十伏左右， 高压在几十伏到几百伏 之间。 利用金属和半导体界面上的肖 特基势垒或在外延半导体上形成肖 特基势垒， 同样 能使光生的电 子 空穴对分开， 从而产生短路光电流或开路光电 压。 因为并不是所 有半导体材料都能既制 成n 型又能制成p 型， 所以肖 特基势垒光电 二极管对那些不能 形成p 一 n 结的材料特别有价值. 光电 三极管是一种具有电流内增益的光伏探测器。它与普通双极晶体管十分相 似， 都是由 两 个十分靠 近的p 一 n 结发 射结和集电 极构成， 并均具有电 流放 大作 用。 为了 充分吸收光子， 光电三极管则需要一个较大的受光面， 所以， 它的响应频率 远低于光电二极管。 光电 磁探测器。 用磁场也可以 将光生正负载流子分离。 将半导体样品置于磁场中， 磁场方向既与光辐射入射角， 又与样品材料上两电极连线方向垂直。 能量足够的光子 入射到半导体样品上， 通过本征吸收而产生电子空穴对。由于材料的吸收作用， 光强随着入射材料的深度呈指数规律下降， 所以 在半导体样品内 形成光生载流子切割 磁力线。 由 于带相反电 荷的电 子和空穴朝着相同的方向 运动以 及磁场产生的 洛伦磁力 的作用， 电 子和空穴分别向样品的两端偏转， 于是在样品 两端产生累 积电 荷， 从而建 立起一个电 场。 即在材料的两端产生电势差。 由于这个电 势差是光与磁同时作用而产 生的， 故称其为光电 磁效应。 根据这个效应制作的探测器是光电磁探测器。 常用的材 料是锑化锢。因这种探测器工作时必须使用磁场，使用很不方便，因此应用不广泛。 当 然这种探测器也不适合本课题使用。134 综上所述， 本课题将采用光电二级管作为检测器件。 本课题采用的光电 探测器是 上海青岳信息科技有限公司的 光敏二极管2 c u 83， 它的 参数如下表3. 3 . 1 . 妙 硕士论文基于先度计法的粉尘质t浓度侧t系统的 研究与开发 根据前面对脉冲信号峰值大小和宽度的分析可以知道该探测器能够满足本课题 的测量要求。 l y p e no心 最大反 转电压 vr m (v) 暗电流 最大值 id ( 往 a ) 光电流典 型值il ( 认) cj ( p 日 肠形 ( 出) q ( d e g ) 护 ( 画 ) 侧试 温度 封装外形 2 cu8 33 00 . 0 3之7 0三1 5 5 0 150土6 0s 802 5 尹 8 金属/ 环氧 表1 3 1 光敏二极管z c u s3参数 1 3. 1 3运算放大器选型与使用技巧: 运算放大器在本课题电路中发挥着重要的作用。 在运算放大器的实际应用中， 我 们经常遇到诸如选型、供电电 路设计、偏置电 路设计、 p c b设计等方面的问 题。以 下简单介绍一下运算放大器的选型与使用中的一些技巧。 1 3. i j .1运算放大器的选型 首先，结合运算放大器网 络典型样例，见图 3. 3 . 1 ， 对运算放大器的一些参数做 一下简单介绍。 e 间 已 ( p 阂 图3. 3. 1 运算放大器网 络典型样例阴 墓于光度计法的粉尘质t浓度测t系统的研究与开发 1 0 0 0 0 0 专，1 00 璐卜 岛 林 曲 人 。 ; 环 拼 “) 从 礴.备 璐 工.卜卜1 1 匀 ， 口 口 0 井 ， 0 鱿 口 的 . o 位 月 卜 .幼 己 / 十份翔 于 大际彼出幼益亡 翻“的即。 、妻掩 ，奋窍一 帕亚0臼 阅盆甘一 向盆00. n苦0妇 帕留一 苦-。0 图3 久2 典型样例的 运算放大器增益带宽曲 线四 1 、增益: 运 算 放 大 器的 开 环 增 益人和网 络的闭 环 增 益飞 如图3 .3. 2 所示。 闭 环 增益气 实 际上对输入信号叹 in)进 行放 大， 使输出 端产生合 适的电 压e( o u t ) . 环路增 益的 作用实 质上是使运算放大器网络成为非常精确的电路。虽然运算图3 .3.2的放大器本身的增 益高达 100000，但图 3. 3 . 1 所示的典型网络的实际输出增益却只有 100 。如图 3. 3. 2 所示， 当频率增高时环路增益开始减小， 这种特性对所有的运算放大器的影响都是使 输出增益变差。 这种情况可以从输出电压开始下降直接看到。 但是， 输出的降低并不 与环路增益的减小成正比， 环路增益在 1 0 h z之后便开始迅速减小 ( 每十倍频程减小 2 0 d b ) ，但一直到1 0 k 月 亿附近实际输出增益并没有受到明显影响。 在 i o k h z时，环 路增益基本上是o d b ，也就是1 。 此时输出是其初值的70.7 %。与普通的r c网络一 样，这就是频率的 截至点。 在此处相移达到4 50，从实用意义上讲，这时的 运算放大 器网络不再被叫做精密电路。 2 、带宽: 图5 1 . 1 的典型运算放大器网 络的 带宽是1 0 k 月 2 。 在这个频率， 环路增益实际上 是o db ( 也就是1 ) ，而且输出开始以 每十倍频2 0 d b的衰减率下降。 3 、摆率: 运算放大器的摆率( 也就是斜率， 又叫转换效率) 将限制运算放大器在大信号输 出时的输出频率响应。 大信号输出 被称为满功率频率响应。 当 运算放大器的输出工作 于额定的最大电压摆幅时， 其频率极限就是所谓的满功率频率。 超过这个频率， 输出 便开始由正弦波变成三角波。 4 、电压失衡 3 l 硕士论文基于光度计法的粉尘质t 浓度侧盈系统的 研究与开发 电 压失衡又叫电 压失调。 输出电 压失衡是在输入电 压e ， 等于零的条件下计算出 来 的。 大多数运算放大器都允许用户在一些指定的引线端上外接微调电阻， 这样就可以 从放大器内 部抵消掉电压失衡量。 这是减少电 压失衡误差的最有效方法。 如果运算放 大器不允许外接微调电阻， 失衡电压可以 通过在网 络中馈入一个与误差信号大小相等 但方向 相反的信号抵消掉。电压失衡会随温度而变化 ( 电 压漂移 ，也会随电源电 压 而变化 ( 电源抑制比) ，还会随时间而变化 ( 稳定性) 。 5 、偏置电流 从输出 端来说， 偏置电 流所造成的误差取决于外接反 馈元件的数值。 偏置电 流所 引起的输出电压误差是可以抵消掉的， 办法就是利用运算放大器同相输入端的偏置电 流。 一般来说， 同相输入端和反向输入端的偏置电流差不多一样大， 所以， 只要使用 适当的方法，就可以利用同相输入偏置电流去抵消反向输入偏置电流所引起的误差。 如图3 3 3 ， 我 们可以 用电阻r ， 所产生的电 压1 偏置尺 ， 来 抵消反向 偏流 误差。 当 反 馈 电阻接近兆欧量级时， 电阻器的热噪声便变得明显起来。 通常在反馈电阻上并联一个 优质电容。 陈呐、 伟产叭 喊肠) ， 冬淤 的， 咖t 份卜 份皿 咤 徽仲: ， 伪.嵘 、 图3. 3. 3 抵消偏置电流 误差的电 路 6 、失衡电流 输入电流失衡 ( 又叫输入电流失调) 是两个输入偏置电流之差。 在上述去偏置电 流引 起误 差时 让 偏置电 阻凡稍大些或 稍小 些， 就可以 完 全抵 消掉两个 偏置电 流 的 失 配。 7 、电流漂移 运算放大器每个输入端的电流漂移， 就是这个输入端的偏置电流随温度的变化 率。 一般来说， 反向 输入端和同向输入端的偏置电流是往同一方向漂移的， 因此可以 采用消除偏置电流误差的方法来消除电流漂移。 8 、输入电阻 反向 网 络的 输入阻抗实际上是等于 输入求 和电 阻风的 阻 值。同 相网 络的的 输入 3 2 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 阻 抗 很大。 这 个输 入阻 抗的 实际 值乙等 于 运 算 放 大 器本身的 输 入电 阻几乘以 环 路增 益凡 9 、输出电阻 运算 放大 器网 络的 实际 输出阻 抗( 20) 严重依赖于运算放大器电 路的 环路 增益。 输出阻抗 20 一 201 六“ ( + 。 ( 3 . 3 . 5 ) 式 中 20 : 一 运 算 放 大 器 开 环 输 出 阻 抗 ; 凡 环 路 增 益 或近似为: z0 “ z0: 1 十 人 ( 3 . 3 石) 对于大多数直流和中频应用来说， 闭环输出阻抗的计算公式可以简化为开环输出 阻抗除以网络的环路增益。 乙 = 玉 人 ( 3 . 3 一 7 ) 1 0 、共模抑制比 共模抑制比( c m r r ) 定义为运算放大器的差动增益 ( 开环增益) a与共模增益 才 川之比 。 当 同 样的 信 号 同 时 施 加于 两 个 输 入 端 时 ， 在 理 想的 情 况下 运 算 放 大 器 输出 应当为零。 但是由 于输入晶 体管存在 “ 动态失配” ， 差动级某一侧的增益将与另一侧 的 增益稍有不同。 这 两 个增益 之差称为 共模增益月 田， 而且 将变做输出 误差 信号 表现 出来。c 州 r r参数的 频率响应类似于开环增益的频率响应，共模输出误差将随频率 的升高而增大。 共模电压的幅度也会影响共模抑制比。 当输入信号比较接近电源电压 时，晶体管开 始饱和， 共模误差 就会剧烈增 大。 阴 综合测量的要求， 本课题采集电路选用的运算放大器是凌特公司的ltc 6 2 4lh v ， 它的 主要参数如下:电 压 增益1 24db( t y p ) ， 增益带宽18 m h z ， 摆率1 0 v / 沁( ， 汗) ， 电 压失 衡1 75声 f( m a x ) ， 偏置电 流l p a ( 仰y at2 5 。 ) ， 共模抑制比1 05 db( ， 汗 ) ， 输入电压范围一 5 3. 5 v ， 转换速率90如5 0 3. 3. 1 3 .2微弱信号放大时运算放大器应用设计的一些技巧 1)电 流 转电 压 放大 器需 选用 输入 偏置电 流极 低的 运放二 2)对于 传感器输出 的na 级， 选 择输入电 流pa 级的 运放即 可。 3)若选用非仪表运放， 反 馈电阻 就不能 太大了， 采用m欧级好一些。 否则对电 阻要求比较高。如果需要 放大很大倍数，可以 在后级再进行2 级放大。 3 3 硕士论文基于光度计法的粉尘质t浓度测t系统的 研究与开发 4 )电路设计时注意平衡的处理。 5)推荐加金属 屏蔽翠， 将微弱 信号 部分罩 起来 ( 开 个小 模 具 ) ， 金属体 接电 路地， 可以 大大改善电路抗干扰能力。 6) 对于微弱信号的放大， 只用单个放大器难以 达到好的效果， 必须使用一些较 特别的方法和传感器激励手段，而使用同 步检测电 路结构可以 得到非常好的测量效 果。 这种同步检测电路类似于锁相放大器结构， 包括传感器的方波激励， 电流转电 压 放大器，和同步解调三部分。同步解调需选用双路的spd t 模拟开关。 3 3 . l 4 采集电路 在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小， 为了减小动态误差， 应选择宽带运算放大器。 由于输入到后级运算放大器的信号幅度 较大， 这时影响误差的主要因素是运放的转换速率， 运放的转换速率越大， 误差越小。 口0抽从 0们 叹 图主 1 4 本课题的 采样电 路图 本课题采样电路的第一级放大采用的是电流转电压形式 ( 即跨导) ，因此在运放 选型 上 考虑选用 输入 偏置电 流 极低的 运算 放大 器。由 于 信号的 峰值电 流 在0 .2 6 州左 右， 选用偏置电 流为i pa 的l t c 624ll lv能够满足测量要求。 考虑到l t c 6 24l l t v 为 非仪 表运放， 反 馈电 阻r z 的 阻 值取s m。 本课题的采样电 路见图5 . 1 .4 。 图中运算放大器u l l 将电 流信号转化为电 压信号， 运算放大器u 1 2 将电 压信号 进行放大。 电 容cz、c 3 和电 阻r l 、 r6 用于电 源滤波。 电阻rs 用于平衡偏置电 流。 电容c l 和c4 是用于对信号 进行滤波， 它们对信号进行 滤波时的截止频率如下: 几 = 2 欢z q = .一 一一 二二 63 6 9 4 月 7(3.3.8) 2， 万甲 5 . 1 0 . *0 . 5 * 1 0 一 ， 硕士论文荃于光度计法的粉尘质t浓度侧t系统的研究与开发 ftl = 2 解 q = 一 生 一一 一 - 一。 79 61 8 bz 2 ， 汀* 2 . 1 0 ， * 1 0 * 1 0 一 ， ( 3 . 3 . 9 ) 根据技巧5 ， 本课题采用金属屏蔽罩将采样电路板与光路部分一起封在一个金属 模具。 金属体接电 路地。由于本课题特殊的信号处理方式， 采样电路没有采用技巧6 中所述的调制解调电路。 3. 1 2 信号处理电路 在信号处理方面本课题设计采用了多次采样取平均技术， 多次采样取平均是由单 片机 (89 c 5 2) 控制实现的。本课题采用的电路图如下: 图3. 3 .5本课题采用的 信号处理电路 信号先经过运算放大器u l . 1 等比例放大后，由模拟开关u 3 .2( m a x 3 2 1) 控制 进入运算放大器u i .2 进行积分。积分过程也由单片机控制， 积分的信号由 运算放大 器u l .2输出 后直接送至m a x l sg进行a 心转化， 转化后的数字信号直接由 单片机读 取并处理。 模拟开关u 3. 2 控制积分电容进行放电。 电路工作时的积分信号，即u 1 2输出端信号，如图3 .3.6 所示。 硕士论文基于光度计法的粉尘质皿浓度侧t系统的研究与开发 4 j .4光度计法粉尘质量浓度测量系统质量浓度转换系数k值的确定 由中 华人民 共和国劳 动部行业标准 ( l d 9 8. 1 9 %，空气中 粉尘浓度的光散射式测 定法) 规定了k值的 确定方式: 在同 一条件下， 对空气中的粉尘采集 12个以上的有效样品，进行质量浓度和相 对质量浓度的相关分析， 确认线性关系具有显著性 ( p 0.0 1) 时， 可将其转换系数k 的几何平均值作为该种粉尘的转换系数。 与一般的空气中粉尘浓度光散射式测定法不同， 本课题采用的习d是ma x 1 8 9， 可以 直接将模拟信号转化为数字输出。因 此空气中 质量浓度转换系数 k值 ( 相当于 第二章的ll c f ，cf 为转化因子)的计算如下: k 二 c /( r 一 b ) 式中:k-一 质量浓度转换系数; c 一 由 滤 膜 测尘 测得的 空 气中 粉尘 质量浓度m 创 比 3 ; 几. 积分 1 时测量光电探测器探侧信号量的平均值: b 一 积分2 时测量光电探测器探测信号量的平均值。 由 第三章图3. 3. 7 可以知道，本系统每秒钟将有一个r值和一个b值，在30秒 内就有30个r值和30个b值。在标定时采用的是30秒的平均值，即将30个r值 的均值作为r值和30个b值的均值作为b值。 4. 2. 4. 1 一元线性回归方程 一 元回 归 是处 理两 个变量之间的 关系， 即 两个变量x 和y 之间 若存 在一 定的 关系， 则可通过试验， 分析所得数据， 找出两者之间关系的经验公式。 假如两个变量之间的 关系是线性的就称为一元线性回归，这就是工程上和科研中常遇到的直线拟合问题。 我们假设x 和y 之间的内 在关系是一条直线， 这些点与直线的偏离是试验过程中 其他一些随机因素的影响而引起的。 这样就可以假设这组数据有如下结构形式: 共 几十 风 + 凡， t 二 华入二 、 n( 4. 2. 1) 式中el ， 几 ， e 3 ， ， 分 别 表 示 其 他随 机因 素 对yl ， 乃， 乃 为影响 的 总 和。 回归分析是最小二乘法的一个应用特例，我们用最小二乘来估计上式中的参数 几和夕 。 设bo 和b 分 别 是参数几和夕的 最小二乘估计。 于是得到 一元 线性回 归 方程: 夕 二 bo+ 酝( 4 2 .2 ) 4 2最小二乘问 题圈 给定观测数据式 (4.2.3 ) ， 拟合函 数为 ( 4. 2. 2)。