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摘要 提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 摘要 本文以光度计法为原理，完成了可吸入颗粒物质量浓度测量样机的研制，其主要 包括光电传感器、信号采集处理系统和外围电路系统三个部分。经过精度提高等研究 和改进，最终成功地开发了一台测量精度高、稳定性好、成本低的测量仪。 首先，对本文研制的颗粒物浓度测量样机和标准参照仪器( 美国t s i 公司的智能 防爆粉尘仪s i d e p a ka m 5 1 0 ) 进行多次、连续长时间的测量实验，并对大量的实验 数据进行处理、比较、分析，发现粉尘浓度测量样机的线性度较差并存在严重的零点 漂移，其对仪器的测量精度有很大的影响。为了解决低线性度和零点漂移问题，对光 电传感传感器和电路进行了改进。实验验证改进措施有效地提高了仪器的线性度并降 低了零点漂移，从而提高了仪器的测量精度。 在上海市计量测试研究院用标准粒子对本文最终研制的可吸入颗粒物质量浓度 测量仪进行标定。此测量仪与标准仪器的相对误差在1 0 以内，已经达到 j j g 8 4 6 1 9 9 3 光散射式数字粉尘测试仪检定规程规定的要求。测量仪的量程为0 2 0 m g m 3 ，测量灵敏度为0 0 0 1 m g m 3 ，测量粒径范围o 1 1 0 9 i n 。 本论文的研究对于提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量仪的精度有较强的 实用价值。本文所研制的可吸入颗粒物质量浓度测量仪是目前国内第一台符合 w s 厂1 ：2 0 6 2 0 0 1 公共场所空气中可吸入颗粒物( p m l 0 ) 测定方法一光散射法的规 定标准的，并且具有自主知识产权的可吸入颗粒物浓度测量仪。 关键词：颗粒物质量浓度，光度计法，零点漂移，相对误差 a b s t r c t 硕士论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ar e s p i r a b l ea e r o s o lm a s sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n ga p p a r a t u sh a sb e e n d e v e l o p e db a s e do nt h ep h o t o m e t e r 垃a s u 衄e n tm e t h o d t h em e a s u r i n ga p p a r a t u s c o n s i s t so ft h ep h o t o e l e c t i cs e n s o r , s i g n a lc o l l e c t i n g & p r o c e s s i n gs y s t e m , a n dp e r i p h e r y f u n c t i o ns y s t e m t h r o u g ht h er e s e a r c ho fi m p r o v i n gp r e c i s i o na n dr e l a t e di m p r o v e m e n t s ，a m e a s u r i n ga p p a r a t u sw i t hh i g hp r e c i s i o n , g o o ds t a b i l i t ya n dl o wc o s t i s c o m p l e t e d s u c c e s s f u l l y f i r s t , l o t so fl o n gt i m ea n dc o n t i n u o u se x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do nt h ec o n c e n t r a t i o n m e a s u r i n gp r o t o t y p ea n dt h er e f e r e n c es t a n d a r da p p a r a t u ss i d e p a ka m 5 10o ft s i c o m p a n y t h o u g hc o m p a r i n ga n da 瑚d y z m gt h em e a s u r i n gr e s u l t sb c d w v e e nm e a s u r i n g p r o t o t y p ea n da m 5 10 ，t h ep r o b l e mo fb a dl i n e a r i t na n ds e r i o u sz e r os h i f ta r ef o u n de x i s t e d i nm e a s u r i n gp r o t o t y p e ，w h i c hw i l ld e b a s et h em e a s u r i n gp r e c i s i o n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m , s o m ei m p r o v e m e n t s 锄哈i m p l e m e n t e do np h o t o e l e c t i c s e n s o ra n dc i r c u i t s e x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h el i n e a r i t yi si m p r o v e da n dz e r os h i fi so b v i o u s l yd e c r e a s e db y t h o s ei m p r o v e m e n t s ，a n dt h ep r e c i s i o no fp r o t o t y p ea r ea d v a n c e da c c o r d i n g l y s e c o n d , a f t e rc o m p l e t i n gt h ei m p r o v e m e n t sm e n t i o n e da b o v e ，t h er e s p i r a b l ea e r o s o l m a s sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n ga p p a r a t u si sc a l i b r a t e da g m n s tt h es t a n d a r dp a r t i c l e si n s i m t t h er e l a t i v ee r r o ro fm e a s u r i n ga p p a r a t u si sw i t h i n + 10 ，w h i c hc o m e su pt ot h e s t a n d a r do f j j g 8 4 6 1 9 9 3 t h em e a s _ u r e m e n tr a n g eo f t h i sm e a s u r i n ga p p a r a t u si sf r o m0t o 2 0 m g m 3 ，r e s o l u t i o ni s0 0 0 1 m g m 3 , p a r t i c l es i z er a n g ei s0 1 一l o # m 。 t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sp r a c t i c a l l yu s e f u lt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fr c s p i r a b l e a e r o s o lm a s sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n ga p p a r a t u s t h em e 雒u r i n ga p p a r a t u sd e v e l o p e di n t h i sp a p e ri st h ef i r s tr e s p i r a b l ea e r o s o lm a s sc o n c e n t r a t i o nm e a s u r i n ga p p a r a t u si n d o m e s t i ci n d u s t r y , w h i c hn o to n l yr e a c h e st h er e q u i r e m e n t so f w s t 2 0 6 2 0 0 1 ，b u ta l s oh a s t h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y k e y w o r d ：m a s sc o n c e n t r a t i o n , p h o t o m e t e rm e t h o d ，z e r o 出屯r e l a t i v ee r r o r 声明尸i 刃 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2 j j n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 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。 研究生签名：歹叻9 年6 月岁口日 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。 研究生签名： 力够年月多日 硕士论文 提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 1 绪论 1 1 颗粒物浓度检测的意义 悬浮颗粒物是指漂浮在空气中的固态和液态颗粒物的总称。悬浮颗粒物的粒径通 常用空气动力学等效直径来描述，空气动力学等效直径是指一个颗粒与球形颗粒的空 气动力学效应相同时，则球形颗粒的直径为该颗粒的空气动力学等效直径。根据颗粒 的空气动力学等效直径大小，悬浮颗粒物可以分为以下几种【l , 2 1 ：( 1 ) 总悬浮颗粒物 ( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c u l a r ，简称t s p ) ，指悬浮在空气中的空气动力学等效直径大于 等于1 0 0 1 t m 的颗粒物，是大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。t s p 中约有四 分之一粒径为1 0 , - - 1 0 0 9 m 的颗粒( 称为降尘) ，可被人的鼻毛阻止于鼻腔，不进入肺泡； ( 2 ) 然而t s p 中大多数颗粒物是可吸入颗粒物( ( i n h a l a b l ep a r t i c l e ) ，即指空气动力学 等效直径小于等于1 0 p m 的颗粒物( 称为飘尘) ，用p m l 0 表示；( 3 ) 可吸入颗粒物又 分为粗颗粒物( 颗粒空气动力学等效直径在2 5 1 0 9 m ) 和细颗粒物( 颗粒空气动力 学等效直径小于等于2 5 “m ，用p m 2 5 表示，称为可入肺颗粒物) 。图1 1 1 为悬浮颗粒 物按空气动力学直径大小分类的示意图。 o 1 , l m2 5 a n1 0 o n1 0 0 糍 ：卜呵入睇蹶控锪一 ： _ i鼻 卜啊嚷入颞粒物e 飘尘掣i - 降尘- - h i t 卜慧悬浮籁短物( 僭 - - ： 图1 1 1 悬浮颗粒物按空气动力学直径大小分类 在人们的生产活动和日常生活等各个方面，充满了各种各样的悬浮颗粒物。悬浮 颗粒物的来源主要有天然污染源和人为污染源。天然污染源包括各种地面扬尘、沙尘 暴、火山灰、植物的花粉及森林火灾燃烧物等，其成份以矿物为主人为污染源包括 燃料燃烧、汽车尾气排放、工业生产的废气、建筑扬尘等，因其有害成份较多而受到 重视。随着工农业的发展，特别是工业的发展，空气中粉尘的污染越来越严重，因此 粉尘浓度的测量在环境保护，消防安全和实验领域中是迫切需要解决的一个问题口】。 大气中悬浮颗粒物的危害很大，具体表现为以下几个方面： ( 1 ) 对环境的影响。大气中飘尘、烟雾和各种气态污染物的增多，使大气变得 越来越浑浊，同时颗粒物对可见光极强的散射造成大气能见度的降低。大量的颗粒物 落在植物叶子上会影响植物的生长，落在建筑物和衣服上能起玷污和腐蚀影响。大气 l 绪论 硕士论文 中大量的颗粒物，干扰太阳和地面的辐射，从而对地区性甚至全球性的气候发生影响。 ( 2 ) 对人体健康的危害。对人体危害最大的是可吸入颗粒物，它能被吸入人的 支气管和肺泡中并沉积下来，会引起或加重呼吸道疾病及心肺疾病。长期接触粗颗粒 物，可侵害呼吸系统，诱发哮喘病；细颗粒物可能引发心脏病、肺病、呼吸道疾病， 降低肺功能等。更为严重的是，颗粒物所吸附的各种有毒物质成分的综合作用，对人 体健康危害极大，有毒的金属粉尘和非金属粉尘进入人体后，会引起中毒以及死亡【4 】。 ( 3 ) 对工业生产的影响。空气中粉尘等悬浮颗粒物的存在，会对空气洁净度要 求很高的科学实验、以及工业生产环境产生严重的影响，使实验结果和工业产品出现 偏差和瑕疵。特别是在当代发展迅速的微电子行业，在大规模集成电路的生产中，生 产环境( 生产车间的空气) 中的颗粒物的大小和浓度直接影响芯片的成品率、可靠度和 使用寿命。据估计8 0 的芯片电学失效是由颗粒物污染带来的缺陷引起的哆】，因在硅 片制造过程中，颗粒能引起电路开路或短路，因此在半导体加工中必须对环境进行实 时监测。同时，在医药卫生、食品生产等领域，生产环境中颗粒物的浓度也会影响产 品的质量和安全可靠性，因此需要采用监测仪器进行实时监控，以提高产品质量。 由此可见，对生产、生活环境的颗粒物浓度实行有效的在线监测，进而控制和减 少颗粒物的污染，是一项必要且又紧迫的任务。但是，我国在颗粒物浓度检测方面的 技术及生产条件还比较落后，对于环境的监测还主要依赖于价格昂贵的国外进口仪 器。因此，对颗粒物质量浓度的测量开展研究，并自主研制一台可以在线监测空气中 颗粒物质量浓度的高精度测量仪是具有很高的研究意义和很强的实用价值的。 1 2 颗粒物质量浓度测量的常用方法 2 图1 2 1 悬浮颗粒物浓度测量法的分类 r 硕士论文 提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 由于颗粒物质量浓度的测量在空气质量监测和食品、医药、工业等生产中具有很 强的用途，因此，多年来，国内外的研究工作者在此方面已经进行了大量的研究和实 验，也总结了大量的测量方法。目前，颗粒物质量浓度的测量方法大致可分为两类： 取样法和非取样法【6 j ，具体分类如图1 2 1 所示。 1 2 1 取样法测量颗粒物质量浓度 取样法，是指从待测区域中抽取部分具有代表性的含尘气样，然后送入分析测量 系统来测量粉尘浓度的方法。它的基本工作原理是，从测量环境中采集一定体积的含 尘气体，过滤或分离其中所含粉尘颗粒，然后测其质量，根据测得的质量和采样体积 可计算出气体的颗粒物质量浓度。 取样法从原理上来说是最基本和最简单的方法，但这种方法的关键在于所取的含 尘气样是否具有代表性，能否保证钡4 量结果的可靠性。而且取样法要求必须在等速条 件下取样，但严格意义上的等速取样往往难以实现，当不能满足等速取样条件时，在 所抽取的样品气流中，无论是颗粒物的含量还是颗粒物的大小都会与取样点或测量点 的实际情况不符。此外，取样法操作复杂，自动化程度低，费时费力。但是在精细操 作条件下，也可以得到比较可靠的结果。因此目前在我国和工业比较先进的欧美国家， 取样法还被作为一种标准的浓度测量方法。下面介绍几种常用的取样法。 1 2 1 1 滤膜称重法 滤膜称重法是测定颗粒物质量浓度的基本方法，是一种典型的取样法。采样时以 规定的流量采样，使一定体积的待测空气通过高性能滤膜，将颗粒物阻留在滤膜上， 称量滤膜采样前后的质量。采样前后滤膜的质量差和采样空气量之比即为单位体积空 气中颗粒物的质量浓度。测量仪器主要有采样器( 一般由抽气泵、流量计和采样头三 部分组成) 、分析天平等组成。滤膜称重法测定的是颗粒物的绝对质量浓度，具有原 理简单，阻尘率高，测定结果准确等优点，且测量不受颗粒物形状、大小、颜色等物 理性质的影响，因此该方法被广泛认可，在一些国家它至今仍被作为标准方法。但滤 膜称重法在测定过程中，存在操作复杂、费时、采样仪繁重、噪声大等缺点，且不适 用于实时在线测量颗粒物的质量浓度。 1 2 1 2 射线吸收法 p 射线吸收法是在称重法基础上的一种相对方法，在颗粒测量中应用也很广泛。 它的基本原理是：射线在通过颗粒物时会被吸收，当射线能量恒定时，射线的吸 收量与颗粒物的质量成比例关系。图1 2 2 是一个射线吸收法的测量装置示意图。该 装置由射线源、滤膜支架及探测器等组成。当含尘样气通过滤膜时，颗粒被过滤在 滤膜上，经过一段时间后，转动轴带动滤膜移动并使被滤颗粒进入测量区，测量区上 部发出的射线透过颗粒介质后衰减并被接收，根据射线的衰减程度即可确定被滤 l 绪论 硕士论文 尘样的质量，进而求得被测粉尘的质量浓度。 不 图1 2 2 射线吸收法测量装置示意图 该方法的优点在于测量的动态范围宽，且测量结果与颗粒的种类、粒径、形状、 颜色及化学组成等无关，只与粒子的质量有关。但是由于存在放射性辐射源，容易产一 生辐射泄漏，因此该方法存在安全隐患，用于现场测量对操作人员的素质要求较高， 同时，系统要求增加各种屏蔽措施，结构设备复杂且昂贵。因此，夕射线吸收法一般 适用于对测量有特殊要求的场合。 1 2 1 3 压电晶体振荡法【刀 压电晶体振荡法，采用石英压电晶体为测量敏感元件。只要在石英压电晶体表面 施加压力，它就会在晶体上产生电荷，随之晶体就会产生机械振动，产生一定的频率。 压电晶体振荡法的工作原理是使气体以恒定流速通过由高压放电针和石英压电晶体 组成的静电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒物全部沉降于石英压电 晶体的表面。因颗粒物的重量改变了石英压电晶体上的压力，其振荡频率发生变化， 根据频率变化可测定相应的颗粒物的质量浓度。压电晶体测量仪的采样速率较快，采 样时间一般为2 4 秒或1 2 0 秒，有较好的实时检测性，而且测量的是颗粒物的绝对浓度， 测量结果也较为可靠。但石英谐振器对其表面量的变化十分敏感，会影响测量的精度， 因此使用一段时间后需要清洁石英晶体。 1 2 1 4 超声波法 超声波法，是利用超声波作为波源，通过测量超声波透过被测介质后的衰减程度 来分析粉尘颗粒浓度，原理与射线很类似。由于声波的穿透力t 匕较强，所以超声波 法在粉尘浓度较高的场合就具有检测的优越性。 综上可知，取样法的特点是： ( 1 ) 取样法的最大优点是测量原理简单，在使用良好的情况下可以取得比较可靠 的结果，因此，在许多国家还被广泛应用，并被作为标准的测量方法。取样法除能测 量粉尘的绝对浓度和粒径大小外，由于取得了尘粒的样品，还能进一步分析粉尘的物 理特性和化学成分。 ( 2 ) 取样法的缺点是：a ) 对采样操作要求较高，如果不能做到等速采样，就会给 4 硕士论文提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 测量结果带来误差；b ) 测量费时费力，自动化程度低，很难用于实时在线测量。 1 2 2 非取样法测量颗粒物质量浓度 非取样法就是值指不通过采样直接测定颗粒物的质量。利用粉尘颗粒的物理、光 学等特性，通过电学或光电学，不需采样就能测定空气中颗粒物的质量浓度。非取样 法主要有浊度法，光散射法，光透射法等。 1 2 2 1光透射法 光透射法，又称消光法，它是国外7 0 年代推出的一种光学测量方法。它的测量 原理是：当一束强度为厶的光束穿过含有颗粒的介质时，由于受到颗粒的散射和吸收， 使得穿过介质后的透射光强度受到衰减，透射光的衰减程度与颗粒的大小和数量( 浓 度) 相关，这就为颗粒物的浓度测量提供了一个尺度【8 l 。 光透射法一般用于粉尘颗粒物质量浓度较高时的测量。测量过程中无需抽气取样， 但由于光的透过率不仅和被测颗粒物浓度有关，还与其粒径有密切关系，仅仅通过透 过率不能够可靠的去确定粉尘颗粒物浓度，因此光透射法具有一定的局限性。 1 2 2 2 光散射法1 9 , 1 0 l 光散射法是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒 物的质量浓度。它由于测量速度快、高灵敏度、重复性好、可测粒子尺寸宽及适于在 线非接触测量等优点而被广泛应用。随着激光技术、半导体工业和计算机技术的发展， 激光散射测量技术已越来越成熟，国内外多家公司纷纷研制出了不同类型的商品化激 光粒度仪，以满足不同应用场合的需要。 光散射法测量颗粒浓度的基本原理是：来自光源的光束照射到含有待测颗粒的容 器，在光与颗粒的相互作用下产生光散射，与颗粒粒径大小相关的散射光信号由光电 检测器所接受并转换成电信号，电信号经放大器放大后由接口送入信号处理系统，对 所接收的散射光信号进行处理，即可从中得到被测颗粒物的浓度、平均直径、粒径分 布等有关信息。图1 2 3 给出了光散射法颗粒测量仪的工作原理图。 图1 2 3 光散射法测量原理框图 利用光散射原理测量颗粒物质量浓度的方法主要有两类：颗粒群光散射法和单粒 子光散射法。 ( 1 ) 颗粒群光散射法 颗粒群光散射法测量颗粒物质量浓度的基本原理是：在颗粒性质一定的条件下， 颗粒物的散射光强度与其质量( 或体积) 浓度成正比，通过同时测量多个颗粒在不同 空间角度处的散射光强信号来反演颗粒物的质量浓度。颗粒群光散射法测量质量浓度 l s i 绪论 硕士论文 已得到了广泛应用，国外出现了许多商业化产品。但该方法的缺陷是不能测量颗粒物 的数目浓度。 目前，颗粒群光散射法中应用的最多的就是光度计法。本文就是利用光度计法来 开发一个颗粒物质量浓度测量系统。 ( 2 ) 单粒子光散射法 单粒子光散射法又称为粒子计数器法，其基本原理是：让单个粒子通过特殊设计 的采样区域并收集散射光脉冲信号，脉冲信号的大小对应于颗粒的粒径，脉冲的个数 对应于颗粒的个数【1 1 1 3 l 。单粒子光散射法的优点是简单可靠，能够测量颗粒物的个数 浓度，但是用它来测量颗粒物质量浓度的技术尚未成熟，还有待于进一步研究【1 4 , 1 5 】。 光散射法测量颗粒质量浓度的优点主要有：a ) 可以实现非接触测量，无需从被测 介质中抽取试样，从而提高了测量精度，对被测介质的干扰也可以减为最小；粒径 测量范围宽广，可测粒径范围可从零点几微米到1 毫米左右：c ) 测量的对象广；d ) 易 于和计算机配合使用，自动化程度高；e ) 由于光电转换元件频响时间极短，可实现快 速实时的测量；f ) 需要知道的被测颗粒及分散介质的物理参数量少。 由于光散射法具有适用性广、粒径测量范围宽、测量精度高、测量速度快、装置 安装方便、可对测试气体进行远距离、实时、在线和连续测量等优点，光散射法近年 来得到了快速的发展，成为一个越来越被广泛应用的测量粉尘颗粒物浓度的方法。 1 3 国内外颗粒物质量浓度测量的研究状况 颗粒物质量浓度测量技术是随着工业生产对工作环境洁净度要求的不断提高，以 及人类对环保、健康等意识逐渐加强而逐步发展和完善起来的，颗粒物浓度测量技术 得到了越来越多的应用。尤其是用颗粒群光散射法测量质量浓度在国内外都得到了广 泛应用。国外对光散射法浓度测量的研究开展的较早，现今技术也比较成熟，并且商 业化的产品也有很多，具体参见表1 3 1 。 表1 3 1 国外部分粉尘测量仪的参数 厂商及型号粉尘测量仪的各重要参数 美国s k c 公司采光角：9 0 0 h a 乙d u s tv d m 7 5 0 0 质量浓度范围：o o l 一2 0 0 m g m 3 粒径范围：0 1 一1 0 0 1 x m 灵敏度：士0 0 2 m g m 3 气体流量：1 o 3 3 l m i n 美国s k c 公司采光角：9 0 0 h a z d u s tir e a l - t i m e 质量浓度范围：o o l 2 0 0 m g m 3 p a r t i c u l a t em o n i t o r 粒径范围：0 1 5 0 9 m 6 硕士论文提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 灵敏度：士0 0 2 m g m 3 气体流量：1 瞄3 l m i n 美国s k c 公司 质量浓度范围：o o l 一2 0 0 m g m 3o 0 0 1 - 2 0 m g m 3 e 】删5 0 0 0 粒径范围：0 1 - 1 0 0 p m 灵敏度：士o 0 0 3m 耵 气体流量：2 0 - - 4 0 l m i n 美国t s i 公司采光角：9 0 0 d u s t i ra k8 5 2 0a e r o s o lm o n i t o r 质量浓度范围：0 0 0 1 1 0 0 m g m 3 粒径范围：0 1 1 0 p m 灵敏度：0 0 0 1m g ! m 气体流量：1 4 - 2 4 l m i n 美国t s i 公司采光角：9 0 0 s ) e p i a k a m 5 1 0p e r s o n a l a e r o s o l 质量浓度范围：0 0 0 1 - 2 0 m g m 3 m o n i t o r 粒径范围：0 1 1 0 p m 灵敏度：0 0 0 1 耐 气体流量：0 7 1 8 l m i n 美国t h e r m os c i e n t i f i c 公司采光角：5 0 吒9 0 0 前向光散射技术 p e r s o n a ld a t a r a ms e r i e s 质量浓度范围：0 0 0 1 - 4 0 0 m g m 3 粒径范围：o 1 一l o f a n 气体流量：1 札m i n 英国c a s e l l a 公司采光角：1 2 0 2 0 0 前向光散射技术 c a s e l l am i c r o d u s tp r op a r t i c u l a t e 质量浓度范围：0 0 0 1 - 2 5 0 0 m g m 3 m o n i t o r 我国对光散射浓度测量方面的研究起步较晚，直到上世纪7 0 年代才开始对粉尘 浓度测量进行研究，因此与欧美等发达国家相比，技术上还存在一些不足。经过三十 年多的发展，目前国内很多大学与研究机构都陆续开展了这方面的研究，如上海理工 大学，重庆大学，天津大学，南京理工大学，上海光机所，哈尔滨工业大学，长春光 机所等。尤其在近十几年，我国才逐渐开始有产品商业化。目前国内主要产品如表 1 3 2 所示。 表1 3 2 国内主要粉尘测量仪的参数 厂商及型号 粉尘测量仪的各重要参数 北京市新技术应用研究所 质量浓度范围：0 0 1 1 0 0m g m 3 p 5l 2 型便携式微电脑粉尘仪 灵敏度：0 0 1 m g m 3 _ 气体流量：2 l m i n 7 1 绪论硕士论文 金坛市泰纳仪器厂质量浓度范围：0 0 0 1 1 0m g m 3 或0 0 1 1 0 0 m g m 3 l d 5 c 型微电脑激光粉尘仪 粒径范围：0 3 一l o t t m 灵敏度：o 0 0 1 m g m 3 或0 0 1 m g m 3 金坛市泰纳仪器厂 质量浓度范围：o 0 0 1 一l o m g m 3 p c - 3 a 激光可吸入粉尘测试仪 粒径范围：0 3 - - l o i _ t m 灵敏度：0 0 0 1m g m 3 由于可吸入颗粒物对于人体健康、大气环境、工业生产都有一定的危害性，因此 国家将粉尘测试仪列入强制检定计量器具来管理【1 6 1 ，以保证人体的健康环境。我 国的卫生标准是以质量浓度为基准一个产品生产出来后，对于其性能指标等就会 有相应的衡量标准，粉尘浓度测量仪同样也有它的技术指标。我国在1 9 9 3 年颁布的 j j g 8 4 6 - 1 9 9 3 ( 光散射式数字粉尘测试仪检定规程【1 7 】和2 0 0 2 年发布的w s t 2 0 6 2 0 0 1 公共场所空气中可吸入颗粒物( p m l 0 ) 测定方法一光散射法【1 明中对光散射法粉 尘浓度测量仪的技术指标做了明确的规定： 测量范围：o 0 1 - 1 0 0 m g m 3 ：低浓度场所0 0 0 1 - - 1 0m g m a 检测灵敏度：0 0 1m g m 3 ：低浓度场所为0 0 0 1m g r n 3 测定精度：1 0 。 其中测量精度是衡量一个仪器好坏的最重要的指标。但是表1 3 2 中所列出的粉 尘测量仪并没有给出这个技术指标。因此，我们并不知道这些仪器是否真正达到国家 规定的标准，而且北京市新技术应用研究所于1 9 9 8 年底研制的p 5l 2 型便携式微电 脑粉尘仪，采用的是从日本柴田会社引进的测量技术，因此从严格意义上来说，p 5l 2 也不是一台完全自主研发的粉尘测量仪。 由此可见，我国在光散射法粉尘浓度测量的研究生产领域，还没有一台既能够符 合j j g 8 4 6 1 9 9 3 标准，又是完全自主研发的光散射法粉尘测量仪。因此，如果能够研 制出一台达到国家标准并具有自主知识产权的粉尘浓度测量仪，在我国的粉尘测量领 域是具有重要意义的。这不仅显示了我国在粉尘浓度测量的研究上取得了重大的突 破，也可以为我国的大气环境监测提供良好的工具。因此，本文对粉尘浓度的测量进 行了大量的理论和实验研究i 旨在自主研制j 台符合w s t 2 0 6 - 2 0 0 1 规定的、高精度 的可吸入颗粒物质量浓度测量仪。 、 1 4 本论文主要内容 本文在对国内外相关文献充分调研的基础上，结合前期对粉尘质量浓度测量仪的 研究，从理论和实验两个方面对提高光度计法粉尘质量浓度测量仪的精度展开了深入 研究，从而提出了更合理有效的设计方案。根据新方案研制的可吸入颗粒物质量浓度 测量仪，经过长期大量的实验测量，其与标准参考仪器闻的相对误差在4 - 1 0 之内。 8 硕士论文提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 该可吸入颗粒物质量浓度测量仪符合j j g 8 4 6 1 9 9 3 光散射式数字粉尘测试仪检定规 程所规定的精度要求。 本文主要由以下几个方面组成： 第一章说明了颗粒物质量浓度检测的意义，进而详细地介绍了几种颗粒物质量浓 度的测量方法以及国内外在光度计法测量粉尘质量浓度方面的研究现状。 第二章以m i e 散射理论基础，详细介绍了光度计法测量颗粒物质量浓度的基本原 理。 第三章首先介绍了可吸入颗粒物浓度测量样机的光电传感器、信号采集处理系 统、外围功能系统的设计方案，并且通过实验对测量样机进行精度检验。对样机存在 的非线性和零点漂移问题进行研究分析，提出改进方案并通过实验验证了方案的合理 性和有效性，根据改进方案重新开发了可吸入颗粒物质量浓度测量仪。 第四章主要介绍了仪器的精度检测工作。用标准参考测量仪a m5 1 0 进行标定对 可吸入颗粒物质量浓度测量仪，并且通过了上海市计量技术研究院用标准粒子进行的 标定检测。经测试仪器精度和稳定性完全国家规定标准。 第五章对本论文所做的工作进行了几点总结。 9 2 光度计法颗粒物质量浓度测量原理 硕士论文 2 光度计法颗粒物质量浓度测量原理 光散射法因具有测量速度快、精度高、重复性好及适用于在线非接触测量等优点 在颗粒物质量浓度测量领域得到广泛的应用。本章主要介绍一下光散射理论，m i e 散 射理论，以及光度计法的工作原理。 2 1 光散射理论概述 在真空以及均匀介质中，光是沿直线传播的。当光线在某一介质中传播时，如果 入射光的一部分偏离其原始方向，而散射到所有其它方向上去，即这种光束通过不均 匀介质所产生的偏离原来的传播方向，向四周散射的现象，就是光的散射现象。所谓 介质不均匀，指的是气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、尘埃，液体中混入小微 粒，晶体中存在缺陷等。光散射现象普遍存在于人们的日常生活中，我们之所以能看 到任何非光源的物体，都是这些物体对可见光散射的结果。 2 1 1 光散射现象的分类 通常根据散射光的波矢k 和波长名的变化与否，将散射分为两大类：一类散射 是散射光波矢变化但波长不变化，属于这种散射的有瑞利散射、米氏( m i e ) 散射、衍 射散射和分子散射；另一类是散射光波矢和波长均变化，属于这种散射的有拉曼散射， 布里渊散射等。 也可以根据散射粒子的大小将散射分为如下两种：一种是散射粒子大小在 1 5 a 1 1 0 2 以下，称为分子散射或瑞利散射；另一种是散射粒子大小和光波波长允同 量级或者更大，称为大粒子散射或米氏散射( m i es c a t t e r i n g ) 。以上两种散射都有一共 同特点，都是只改变入射光传播方向及相位的散射，散射光的频率等于入射光的频率， 散射时没有产生新频率的光，这类散射称为线性散射或弹性散射。除此之外，还有所 谓非线性t 2 3 1 或非弹性散射散射。非线性散射的特点是除改变入射光的传播方向和相位 外还改变入射光的频率，即在散射光中除了入射光的频率或谱线之外还有新频率的光 或新谱线产生。拉曼散射和布里渊散射不属于非线性散射。 描述光散射的严格理论是经典的m i e 光散射理论，它是m a x w e l l 方程组在一定约 束条件下经过严格的数学推导而得到的关于颗粒散射的精确解，具有通用性。 2 1 2 光散射理论的发展 光散射理论的系统研究最早是从1 9 世纪的7 0 年代开始的。 1 8 7 1 年，科学家r a y l e i g h 研究发现，颗粒的散射光强度与波长的四次方成反比， 并且在9 0 0 方向散射光几乎是全偏振的，这就是著名的r a y l e i g h 散射定律。瑞利散射 1 0 硕士论文提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 定律的适用条件是散射体的尺寸要比光波波长小。 1 9 0 8 年，米l 无( o u s t a vm i e ) 深入地研究了颗粒对光的散射行为，并从求解电磁波 的m a x w e h 方程出发，研究了均匀介质中任意粒径的各向同性的小球的光散射规律， 给出了光散射的严格数学解，建立了微粒的光散射理论m i e 理论【1 9 1 。 1 9 5 7 年荷兰科学家v a nd eh u l s t 出版了关于微小粒子光散射现象的专著，总结了 粒子散射的普遍规律，这本书被认为是光散射理论领域的经典文献【2 0 】。 1 9 6 9 年，k e r k e rm 系统论述了光及电磁波的一般规律，促进了散射理论的进一 步发展【z l j 。 1 9 8 3 年，b o h r e nc e 和h u f f m a nd 综合了前人的成果，发表了关于微小粒子 的光散射及吸收的一般规律，更全面地解释了光的各种散射现象圈。至此散射理论 的体系完全建立起来了。 随着散射理论的发展与完善，基于光散射的浓度测量技术也在逐渐形成。 2 2m i e 散射理论概述 目前，各种光散射颗粒浓度测量技术基本原理主要是基于经典的m i e 光散射理 论。根据m i e 散射理论，介质中的微小颗粒对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大 小及其相对折射率有关，反映其散射特性的物理量有强度函数、散射系数、吸收系数 及消光系数等。各种光散射浓度测量仪器正是根据对颗粒散射光的不同物理量进行测 量而计算出颗粒的大小、分布及浓度等参数。在本论文里，着重要测量的是颗粒物的 质量浓度，其值与散射光强有关。 2 2 1m i e 散射理论基础 m i e 理论主要是由德国科学家g u s t a vm i e ( 1 9 0 8 年) 在研究胶体金属粒子的散射 时建立的，他以经典的波动光学理论，从求解电磁波的麦克斯韦方程组出发，加上适 当的边界条件，给出了对处于均匀介质中的各向均匀同性的单个球形介质在单色平行 光照射下的麦克思韦方程边界条件的严格数学解。m i e 散射理论适用于一切均质球形 颗粒，均质球形颗粒的散射是散射规律的普遍情况。下面对球形颗粒物的m i e 散射理 论作个简单的介绍。 球形颗粒的m i e 散射如图2 2 1 所示，坐标原点处有一个折射率为朋，直径为d 的各项同性的球形颗粒，强度为厶的单色平行光照射，使它向空间任意方向发出散射 光。其中散射光的方向和入射光的方向所构成的平面为散射面，点p 为观察点，为 散射点与观察点p 的距离，p 为散射角，为入射光振动面与散射面之间的夹角，即 方位角。 2 光度计法颗粒物质量浓度测量原理硕士论文 入射光乘 图2 2 1m i e 散射示意图 根据m i e 理论【2 1 ，2 3 】，入射光场和散射光场的振幅关系为： 鼢妄他t o 纵乏) 旺2 i i = 一o lii ，lj 凡夕溏墨八乩j 一“7 易，、凡表示散射光强的平行分量和垂直分量，岛，、乩表示入射光强的平行 分量和垂直分量，墨、是是散射光的振幅函数，是由多项式无穷级数组成。影响散 射光的因素数很多，如颗粒的折射率、颗粒尺寸、散射角、方位角及入射光波的特性 等因数。 在自然光入射的情况下，颗粒的散射光强表达式为： “( 啪) 2 筹叭叭堋) 】 ( 2 2 2 ) 在平面偏振光入射的情况下，散射光强为： = j ( ，秒，) 2 匆地( 刃s i l l 2 + i 2 ( a ) s i n 2 纠 ( 2 2 3 ) 上式中i ( o ) 、毛( 功为散射光的强度函数： ( d = s ( m ，0 ，x ) s ( 朋，0 ，x ) = i s ( 肌，0 ，x ) l z ( 2 2 4 ) 之( 口) = 最( 肌，0 ，功最( 历，幺x ) = l 岛( 聊，o , x ) 1 2 ( 2 2 5 ) 墨、是分别是s 、是的共轭复数，x 为球形颗粒的无因次参量( x = x e , 乏) ； m = 一切1 2 为颗粒相对周围介质的折射率；s 、岛是散射光的振幅函数，是由 b e s s e l 函数和l e g e n d r e 函数组成的无穷级数，其表达式为： 墨= 喜耥死毗) ( 2 2 6 ) 岛= 喜蒜( 榭 ( 2 2 7 ) 硕士论文提高光度计法可吸入颗粒物质量浓度测量系统的精度研究 式中q 、6 靠称为m i e 系数，是胁和x 的函数；而、l 与散射角口有关，分别 由下列表达式表示： ：虹业粤尘型掌巡 磊( 曲虮( r a x ) - 刀嚷 ) 坝( 开) 屯：型盟掣堕塑喾型 屿( 功( m x ) 一点( x ) ( ) 死= 百p ( c o s8 ) = _ d p ”丽( c o 矿s o ) 一d p ：( c o s d 厶2 历一 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 2 1 0 ) ( 2 2 1 1 ) 上式中p 。( c o s o ) 和p 2 ( c o s o ) 是关于c o s o 的l e g e n d r e 函数和一阶缔合l e g e n d r e 函数，各函数中的上标刀表示对该函数求导；( 力和厶( 功是关于半整数阶阮g 卵z 函数和第二类h a n k e l 函数的函数： 姒加詈 ( 2 2 1 2 ) 磊( 功：( 争m 日( 2 ) l ( 功 ( 2 2 1 3 ) 二 ”j 这样我们就建立起散射光强l 与颗粒直径d ，折射率m 以及散射角秒之间的数值 关系。若需要求解颗粒散射的结果，只要先必须求出散射系数q 和气，就可计算出 球形颗粒的散射光强。 由于m i e 散射理论的计算比较复杂，许多情况下都用其近似方法来计算颗粒的散 射特性。一般地，当满足x “l ，且x l 肌一l l “1 时，颗粒散射特性可以用r a y l e i g h 散 射描述；当满足i 肌一1 i “1 ，且x l m - l l 1 ，且f 肌一l l 1 时，颗粒散射特 性可以用夫琅和费衍射来描述口q ；当满足x 1 ，且h 一1 i “1 时，颗粒散射特性可 以用反常衍射来描述口让阳；当满足x l ，且x i m 一1 l 1 时，颗粒散射特性可以用几 2 光度计法颗粒物质量浓度测量原理硕士论文 何光学来描述。m i e 散射理论给出了球形颗粒散射光强的理论分析和表达式，为下面 球形颗粒散射光通量的计算和悬浮颗粒物质量浓度的计算提供了理论基础。 2 2 2 颗粒群的m i e 光散射 在2 2 1 节中给出的m i e 散射光强的计算公式是单个粒子光散射情况下的m i e 散 射光强。本文中所要研究的是颗粒物的质量浓度，在测量环境中一般不可能只存在单 个粒子，往往都会有多个粒子同时出现，因此就需要研究一下多个粒子情况下的m i e 散射光强。下面简单推算一下多粒子的散射光强。 根据m i e 散射理论，当光波长为a ，强度为厶的平行光束入射到颗粒粒径为d 的球形粒子上时，则在空间与散射粒子距离为厂处的散射光强j ，可表示为【2 9 】： t 】2 7 五2 专每晴o ，m ，o + 之( x ，朋，d 】= 7 1 0 仃 ( 2 2 1 4 ) 式( 2 2 1 4 ) 为单个颗粒的散射光强，式中仃为单颗粒的散射系数。本文要研究 的并不是单个粒子的散射，而是由这些单个粒子所组成的散射颗粒群的散射。由于 要检测的环境大多本身是对空气质量的要求较高，而且一般都是一个局部范围内的 环境，因此其中粉尘颗粒的粒径比较均匀，而且粒子浓度比较低。当粒子的浓度都 较低时，对于一个散射颗粒群来说，粒子之间的间距都数倍于粒子半径，这时我们 就可以认为每个粒子都是独立于其它粒子来散射的。由于散射体中粒子随机的空间 分