矿井内粉尘浓度测量仪设计.doc

矿井内粉尘浓度测量仪设计The Design of Powder Concentration Measuring Instrument摘 要目前，煤炭生产中的粉尘问题越来越受到人们的重视，因此粉尘浓度的检测技术发展非常迅速。其中透射式光学测量方法以其测量周期短、不干扰测量场、易于实现在线测量等优点被日益广泛应用。本文在分析了透射式粉尘浓度测量原理的基础上，对测量系统的光路和电路进行了设计，并且分析了一些对测量结果可能产生影响的因素。本文表明：用透射法测量粉尘浓度的方案是切实可行的，它具有广阔的实际应用前景。关键词：粉尘浓度 透射式测量 双光路AbstractNowadays, people have increasingly paid much attention to the powder problem in coal production, so the monitoring technology of powder concentration is developing rapidly. The transmission-model optical measurement has a wide range of applications , because this method has a short measurement period, does not interfere the measuring field, and is easy to realize online monitor. On the basis of analyzing the principle of the transmission-model optical online monitor ,this paper make a design of optical path and circuit, and analyze various kinds of factors that may bring errors to the result of measuring . This paper showed that the transmission. model optical measurement is feasible, and I believe that it will be applied widely.Keywords: Powder-Concentration Transmission-Model-Measurement Dual-Optical-Path目 录第一章 绪 论11.1粉尘浓度测量的意义11.2目前国内外粉尘浓度的测试方法21.3任务的提出71.4本章小结7第二章 测量原理及方法82.1粉尘浓度测量原理82.2透射式粉尘浓度测量的特点132.3本章小结13第三章 仪器的设计143.1光路设计143.2电路设计183.3仪器参数的标定243.4本章小结24第四章 影响仪器精度的因素254.1光源波动254.2杂散光254.3大气温度的变化254.4测量窗口染尘264.5光源的对准264.6本章小结26总 结27参考文献28致 谢29I第一章 绪 论改革开放以来，随着现代工业和科学技术的迅速发展，在众多的工业部门中都会遇到各式各样的粉尘浓度测量问题，粉尘浓度的测量已经显得越来越重要。特别是在煤矿作业中，需要测量生产环境中的粉尘浓度用以防止粉尘的各种危害，而且空气中粉尘浓度的测量在环境保护消防安全以及工业生产和科学实验领域都有重要的意义。我国现有的粉尘监测手段还比较落后，主要采用取样法以及非取样法中的黑度法，其它监测仪器也有一些发展，主要是一些光电检测的方法。本文将详细分析用光透射的方法来测量粉尘的浓度。1.1粉尘浓度测量的意义我国是产煤大国，在总的能源构成中煤炭约占75%左右，这一状况在今后相当长的时间内不会有根本性的改变。煤矿井下各作业点在生产过程中会产生大量粉尘，煤矿粉尘的危害性很大，可导致煤尘燃烧和爆炸，同时也能诱发职业病尘肺病。粉尘对人体健康危害极大尤其以小粒径颗粒物为甚。因为小粒径颗粒物长时间飘浮于大气中难以沉降到地面，易进入人体呼吸道，且粒径越小在人体呼吸道中的沉降部位越深，危害就越大。采取有效措施防治粉尘，是煤矿安全生产的一项重要工作。检测井下各作业点的粉尘浓度，是正确评估粉尘防治措施的必不可少的手段。1另外大量煤炭直接燃烧后不可避免的要产生大量粉尘，决定了我国大气呈煤烟型污染，许多城市中的总颗粒悬浮物长期居高不下，燃煤电站和各种燃煤工业锅炉的排烟是大气污染的主要来源之一。为了有效地控制治理燃煤锅炉的粉尘污染，首先必须准确地测量粉尘的排放浓度。粉尘危害日益严重，大气中过大呼吸性粉尘粒子对人体的健康会造成不良的影响，除了呼吸性粉尘对人体的危害外，一些可燃粉尘还具有爆炸性，对粉尘浓度进行监控是防止粉尘爆炸的一项重要措施，也是研究粉尘爆炸规律时必须测定的参量，对粉尘浓度的测量十分的重要。为此，必须寻找一种简单高效实用而且适合工程应用的煤粉浓度测量的方法。综上所述，可以知道粉尘浓度的测量在微粒测试技术中占有十分重要的作用。近数十年来随着科学技术的不断发展，此类测量技术得到了较大的发展，这已经发展成为了一个专门的研究领域。目前，已经相继开发和生产了许多种基于不同工作原理的粉尘浓度测量仪器。1.2目前国内外粉尘浓度的测试方法经过多年来的研究开发，目前，国内外开发生产的各类测尘仪器及采用的测量方法各种各样，粉尘浓度的表示方法也不一定相同，但是它们大致可以分为两大类：取样法和非取样法。2图1.1列出了这些方法。图1.1粉尘浓度的测试方法1.2.1取样法取样法，即从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后的分析测量系统来测量粉尘的浓度方法。其基本工作原理是，从含尘区域采集一定体积的含尘试样，过滤或分离其中所含尘粒，根据集尘质量和体积等计算出气体的含尘浓度。同时将过滤下来的尘样利用各类粒度测量及其它分析测试一起进行测量分析，便可进一步获得尘粒的平均粒径，粒径分布及其物理特性和化学组成等。取样法从原理上将无疑是最基本和最简单的，这种方法的关键在于所取尘样是否具有代表性。在使用良好的情况下，可以得到比较可靠的结果，因此在一些国家它至今尚被作为标准方法。但是它的缺点是需要手工进行操作，影响测量精度的因素较多，且操作程序繁杂、占用房间和设备较多、采样时间较长、仪器维修量大、花费成本较高等等。并且自动化程度低，因而只能定期进行监测，很难用于在线监测。为了弥补这个缺陷，国外发展了自动等速取样装置，并己有商品化仪器面市。目前国内生产的粉尘采样器的采样头一般为撞击式、旋风式、向心式三种分离方式的采样头。3撞击式采样器工作时，粉尘颗粒随气流通过采样头，其中较大颗粒动能较大，直接撞击在吸尘板上分离出来，呼吸性粉尘则随气流经滤膜时被吸附，当粉尘浓度高或采样时间长收集的粉尘量超过采样头的容量时，吸附在吸尘板上的大颗粒粉尘可能掉落，被吸附面朝上的滤膜吸附，造成正偏差。而向心式采样器由于采样头中的撞击机收集器为一锥形管嘴，避免非呼吸性粉尘的掉落，结果更为可靠。采样的泵体也不外乎为三种，即薄膜泵、刮板泵、扇叶泵，在采样过程中如何来监控采样流量使其保持在一定水平是一个很实际的问题。薄膜单体泵耗电少、体积小、重量轻，但产生脉动使流量不稳定，而刮板泵与扇叶泵能弥补这种不足，但又使采样器的体积增大重量增加，又产生噪声等。诸如此类的实际问题是在采样工作中难以克服和避免的现实。(1)传统的取样测量法传统的取样测量法，又称过滤称重法。粉尘取样后传统的做法是对所取尘样进行过滤分离后再称重，并用现有的各类粒度分析仪器对所过滤（或分离）的尘样进行粒度分析，以获得尘粒的粒径大小与分布。称重法在我国被广泛认可。国家规定使用万分之一克天平称尘样。但是由于现场环境的温度、气流、衡器倾斜和基础振动等因素的影响，在粉尘检测中，不能将天平装在采样器上，也不能将天平拿到现场使用，否则误差将超出允许范围。目前国内外有很多厂家生产粉尘采样器如：武汉分析仪器厂FC.2 B型个体粉尘采样器、江苏省丹徒无线电厂生产的DF.3型双头粉尘采样器以及美国矿山安全设备公司生产的S型便携式采样器都是采用的这种测量方式。为了降低劳动强度，减少测量时间，提高测量过程的自动化程度，近年来国外研究入员开发了多种利用各种不同原理的非称重的方法，使之能实时显示测量结果，这些方法中目前应用得较多的有射线法、压电振动法和超声衰减法等，下面给予简单介绍。(2)射线法这种方法采用射线做信号发射源，它的测量原理是，当射线穿过尘粒介质时，由于介质的阻碍会使射线发生衰减，因此通过测量射线透过尘粒介质后的衰减程度即可测量粉尘质量，从而得到粉尘浓度的测量结果。(3)压电振动法这种方法是利用压电材料由于附上尘样介质后质量改变引起压电振动频率改变的原理来测量粉尘浓度，即用石英晶体作传感器来测量。射线法和压电振动法能测量粉尘的绝对质量浓度，测量结果也较为可靠。但基于射线测量粉尘浓度的仪器中使用了发射性同位素，测量受人员素质和心理作用的影响。而且它们都需先对粉尘进行过滤，然后再进行检测，因而结构较为复杂。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使用并被作为标准方法。4(2)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，这点对于环境保护，保障人民身体健康是十分重要的。取样法的缺点是：(1)对采样操作要求高，如果不能做到等速采样就会给测量结果带来误差，即使满足了等速采样的条件，含尘气体在输送过程中也可能会发生损失，使测量结果不准确。5(2)测量费时费力自动化程度低很难用于在线监测。(3)由于取样法为点测量，每次只能采集某一点处的气样，因此为了获得整个含尘区域粉尘的平均浓度值，就需要采用在多点处进行测量并加以平均的做法，这样无疑会大大增加测量工作量。为了充分发挥取样法测量原理简单可靠的优点，弥补它测量时间长、自动化程度低、难以用于在线监测等缺点。虽然目前人们开发了自动取样装置，用以提高取样的自动化程度，同时还把射线、压电振动及超声衰减等新测试技术应用到取样后级测量系统中，提高了取样法测量的实时性，拓宽了它在工业上应用的前景。但是还是难克服要采样以及采样带来的费时费力、实时性差等各种不足。1.2.2非取样法非取样法就是测量时不用取样，而是利用粉尘的物理、光学等特性直接测量粉尘排放浓度及粒径大小的方法，6主要有：(1)黑度法此方法是十九世纪末林格曼提出来的，因此又叫林格曼黑度法。它是视觉观察煤烟，并将其黑度与林格曼黑度表相比较来确定烟气浓度。该表一般在纵14cm，横20cm的白纸上描成宽度分别为1.0、2.3、3.7、5.5、10.0mm的方格黑度图，就是使粉尘浓度划分成六个等级，矩形的白纸内黑色部分所占的面积大致为0、20、40、60、80、100%，自上而下称为0、1、2、3、4、5度。这种方法使用简单、方便，操作人员很容易掌握使用。但显然它的测量结果容易受诸如测量人员视力、判断力等人为因素及天气、周围环境等客观条件的影响较大，因此它的准确性有争议，而且很难用于自动在线监测。目前，国内己有人研制出烟度自动监测仪，为这种方法在工业上的推广应用提供了新的可能性。但总的来说，这种方法还是比较粗糙，精度比较低，它无法得知粉尘的绝对浓度与粒径大小。(2)散射法它是通过测量颗粒受光照射后所发出的散射光信号大小来测量被测空气的粉尘浓度，日本SIBATA公司生产的PS型便携式数字粉尘仪是利用了这种测量原理。这种仪器的优点是使用方便操作简单，但国内仪器还没有广泛采用。(3)光透射法（又称消光法）它是利用光线通过粉尘介质时由于微粒对光线的散射和吸收，使光强发生衰减的原理来测量粉尘浓度。目前国内也有个别厂家生产利用光透射法原理的光电透射式测尘仪，它由光电探测器、稳压电源、控制器和显示仪表四部分组成。例如：我国煤炭科学研究总院重庆分院开发生产的BFC.1型便携式高浓度测尘仪就是这种仪器，但是该测尘仪必须经过标定才能使用，而且每使用一个月后都应进行标定，以使误差值不超过15%，而且测量也仅限于较高浓度的粉尘。(4)MESA法MESA测量系统结合了透射法和压电振动法两种方法。其中测量粉尘浓度方面它借用了上述德国柏林工业大学的专利技术，利用压电振动法测量粉尘的质量浓度后，然后根据消光理论求得粉尘的浓度与平均粒径。MESA的不足之处在于采用了两套测量装置，因而结构复杂，使用不够方便，而且精度也不高，测量误差可能达到30%。综上可知，非取样法的主要优点是：能在线测量粉尘排放浓度，其中一些可以自动、连续监测粉尘排放，另一些并能同时给出粉尘的浓度与粒径。近年来，国外在非取样法方面己做了大量的工作，并研制出相应的商品化测量仪器。光电测量的方法具有不改变浮游粉尘的物理化学性质，能够实现自动连续监测空气中的含尘浓度等优点。但总的来说，它们各自都尚存在着一些不足之处：黑度法虽然使用简单，但它的测量结果可信性不高，受各种主客观因素影响较大。MESA测量装置由于结合了浊度法与压电振动法，故能同时测量粉尘的绝对浓度和平均粒径，但测量装置的结构复杂（基本上由两套测量装置组合而成）。另外，由于测量原理上的局限，其测量误差最大可能达到30%。1.3任务的提出国内一些生产厂家和研究单位进行了各种测量方法的研究，并己研制出相应的监测仪器，这些监测仪器在地质、化工、煤炭、劳保、军工等不同领域得到了一定的应用，但它们基本上都是处在仿制国外同类仪器的水平上，无论在原理上还是结构上都比较简单，与国外相比尚有一定的差距。从上述国内的发展情况来看，我国目前现有的各类监测仪器和手段中，除了取样法应用的较为普及，其余各种方法的仪器目前在这方面还停留在比较落后的水平上，难以满足日益增长的环境保护和安全生产在线监测的要求，从另一个侧面也反映出这方面研究工作的迫切性和重要性。本文针对以上情况研究用光透射的方法测量粉尘浓度。论文共分四章，其中第一章是介绍粉尘测量的意义和各种不同的测量方法，主要是对各种可能实用的方法进行理论上的比较；第二章介绍了基于朗伯.比尔光透射定律测粉尘浓度的原理；第三章对测尘仪器的设计进行了介绍；第四章分析了对仪器精度产生影响的因素。1.4本章小结随着环境质量标准的日趋严格和安全生产要求的日益提高，己有的监测技术不能满足形势发展的需求，人们迫切需要一种先进的粉尘监测技术和手段。然而我国现有的粉尘排放监测手段还比较落后，主要采用取样法，非取样法监测仪器也有一些发展，但基本上都是处在仿制国外同类仪器的水平上，无论在原理上、还是结构上都比较简单，与国外相比尚有相当的距离。因此本文的设计有相当大的实际意义。第二章 测量原理及方法2.1粉尘浓度测量原理2.1.1朗伯.比尔（Lambert.beer）定律当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用。光波一部分被介质吸收，转化为热能；一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过介质。7透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯比尔定律。透射式光学测尘仪就是以朗伯比尔定律为基础，通过测量入射光强与出射光强，经过计算得到粉尘浓度。原理图如图2.1所示。图2.1透射式光学测尘仪原理图朗伯.比尔定律的公式表述为： (2.1)式中：介质对光的吸收系数（m.1），它是个与光强无关的量。通过实验发现，光的吸收系数与粉尘浓度成正比。那么朗伯.比尔定律又可以写成： (2.2)这里c表示物质的浓度，为物质单位浓度的消光系数，该系数只与粉尘颗粒的性质（如尘粒的直径、尘粒物质的折射率）有关，而与粉尘浓度无关。式中0对应于位置=0处的光强；对应于位置为处的光强；表示光深入介质的厚度(m)，即光程。朗伯.比尔定律说明，入射光强随着它深入介质的厚度做指数衰减。若一定，则介质单位浓度的消光系数一定，那么入射光强将随介质的浓度c的变化而呈指数衰减。这就是透射式光学粉尘浓度监测的依据。实际测量过程中应用的关系是通过(2.2)式变换得到： (2.3)式中入射光强与出射光强通过测量得到，光程一般为固定值，而消光系数则需通过事先标定确定。2.1.2影响消光系数的因素分析在(2.1)式中，吸收因子为常数，它与吸收物质的化学特性和状态、入射光波长有关。国外的研究结果表明:消光系数因物质的密度、双折射率及粒度分布的不同而有差异，以粒度分布的影响最大。8为了研究粉尘消光系数与粉尘粒度分布的关系，选择2种粉尘:气煤和无烟煤。每一种粉尘研磨出5种不同粒度分布的粉尘进行试验。研磨粉尘一般都符合罗辛分布，测定出的粒度分布数据用最小二乘法进行回归拟合，计算出中位径d50、分布参数n和。9首先考察在确定粉尘粒径分布的情况下，粉尘浓度对消光系数的影响。实验结果见表2-1和图2.2、2.3。表2-1消光系数与粉尘质量浓度的关系图2.2无烟煤粉尘浓度与消光系数的关系图2.3气煤粉尘浓度与消光系数的关系从以上数据分析得知，当粉尘的粒径分布确定时，粉尘的消光系数并未因粉尘质量浓度的变化而出现规律性的变化，这就说明粉尘消光系数与粉尘质量浓度的大小无关。图中消光系数的分布基本在一条水平线附近摆动，可以验证消光系数是由粉尘的粒径分布确定的。然后分别利用5种不同粒径分布的无烟煤和气煤粉尘进行消光系数与粉尘粒度分布的关系实验，试验结果见表2-2和图2.4，2.5。表2-2消光系数与粉尘粒度分布的关系注:d50粉尘中位径，即粉尘累计质量(或颗数)占总粉尘质量(或颗数)50%处的粉尘粒径;n,罗辛分布中的常数，n粉尘的分散性，n越大表示粉尘粒径分布范围越窄;粉尘中细粉尘的多少，越大细粉尘越多。图2.4无烟煤粉尘中位径与消光系数的关系图2.5气煤粉尘中位径与消光系数的关系从图表中可以看出，粉尘的消光系数与粉尘中位径d50出现明显的规律性，中位径d50越小，粉尘粒子越细，粉尘的消光系数越大，它们之间成反比关系。运用数学回归方法将2种粉尘的消光系数与中位径之间的关系拟合成数学公式为: (气煤)， (无烟煤)。考虑到粉尘的颗粒密度对消光系数的影响，上式可进一步归纳为： (2.4)其中为实验常数，可以通过实验求得，该值主要和粉尘粒子的形状和测量系统有关。2.2透射式粉尘浓度测量的特点(1)光吸收法能够在测量过程完全自动化的条件下，无需取样，连续测量含尘气流中的粉尘浓度瞬时值，保证了测量结果的真实性提高了测量效率，节省了大量人力物力。(2)与预先沉积粉尘的方法相比，光吸收法不会给被测介质造成扰动，保证了测量结果的真实性。(3)可采取不同输出光强的的光源，实现大浓度范围粉尘的测量。通过对仪器参数的标定，即可适用于对不同工作环境和粉尘种类的测量。2.3本章小结本章介绍了透射式光学粉尘浓度测量仪的基本原理:Lambert.beer定理。通过利用无烟煤和气煤的研磨粉尘进行实验，从而得出粉尘浓度对消光系数没有影响的结论，并总结推导出了消光系数和粉尘的粒径及粉尘物质密度的关系:。同时指明了透射式光学粉尘浓度测量方法的优点。第三章 仪器的设计本文设计的粉尘浓度系统是一种基于光电转换的测量装置，它主要包含了以下几个部分：1、光学部分，2、后续电路及数据处理部分。见下面的框图3.1。图3.1系统框图3.1光路设计由于光源光强的起伏以及背景光的影响，如果采用单通道测量方法，将会产生很大的误差，所以一般采用双通道测量法，本文采用双光路差分法。10其原理如图3.2。图3.2双光路差分法原理图光源发出的光经过扩束准直处理后，由分束镜分为强度相等的两束:测量光束和参考光束。测量光束穿过粉尘区域的后入射光电接收装置；参考光束则直接由光电接受装置接收并转换为电信号。通过对两个电信号做差分运算，并由计算机运算，就能得到粉尘浓度值。因为测量光束和参考光束的光强相同，所以光源波动以及外界因素对测量的干扰在两束光波上的作用完全相同，经过差分运算，就能达到削弱干扰影响的作用。在实际操作中，保证测量光束和参考光束光强完全相等是很难实现的。因此，通过双光路差分方法并不能完全消除光源光强波动、温度变化等误差因素对监测结果的影响。下图3.3为本设计的光路。11图3.3光透射式测尘仪的光路图1.激光器 2.准直扩束系统 3.分光镜 4.测量窗口反射镜 5.聚焦透镜 6.滤光镜 7.光电传感器 8.信号传输线 9.粉尘管道10.信号处理系统 3.1.1光源的选择由于实际测量的工作条件复杂，故选择的光源具备发光光强高而集中、受外界环境影响小、且体积轻便易于组装。综合比较各种光源，半导体激光器无疑是理想的选择。半导体激光器体积小、寿命长、光功率密度高、可集成、调制简单且成本低廉。这些优点都是CO2激光器或者其他固体激光器所不能比拟的。123.1.2准直扩束系统由于半导体激光器的非对称激活通道，使发出的光束在相互垂直的两个平面内具有较大的发散角，远场平行和垂直于结平面方向的发散角分别约10左右和30左右，因此在半导体激光器的实际应用中,光束准直几乎是不可缺少的步骤。(1)高斯光束激光器出射的激光束既不是平面波，也不是球面波，是一种所谓高斯分布的光波。高斯光束具有以下三个基本性质：1、基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯函数exp. r2/ 2 ( z)所描述的规律从中心向外平滑降落。2、基模高斯光束的相移特性由相位因子所决定。它描述高斯光束在点(x，y，z)处相对于原点(0，0，0)处的相位滞后。3、定义在基模高斯光束强度的1/ e2点的远场发散角为1.128由以上性质我们可以大概了解高斯光束的图形，如图3.4所示。 图3.4高斯光束的图形(2)准直扩束系统的设计通常压缩高斯光束发散角的方法是利用倒置望远镜系统，如图3.5。图3.5倒置望远镜系统倒置望远镜系统作为一种传统的激光准直系统，应用于准直气体激光器(如He.Ne激光器)光束确实是有效的，但对于半导体激光器则不能采用。因为半导体激光器是所有激光器中光束发散角最大的一种，在实际应用中对准直度要求又很高，经常要求准直后的发散角是准直前的百分之几甚至千分之几，所以会使准直倍率M取值很大，将直接导致光学系统的某些结构参数过大，甚至不切实际，因此，半导体激光器光束准直系统不能采用传统的倒置望远镜系统。如图3.6所示，本文采用相互垂直的椭圆截面柱透镜组分别对两个方向进行准直，并让它们的间距取适当的值，最后可在远场形成圆形光斑。如图3.6(a)，垂直于结平面方向上的光束经第一个柱透镜后变成平行光，第二个柱透镜可看作平行玻璃板，不会改变发散角。图3.6(b)表示平行于结平面方向上的光束经第一个柱透镜时，光束仅发生偏移，发散角不会变化，然后经第二个透镜后发散角得到大大压缩。进过准直扩束系统后，激光束发散角会大大减小，从而可以获得高质量的光束。图3.6准直扩束系统3.1.3光电接收器件接收器也即是光电探测器，本光电转换系统中的原始信号是光信号，为了将它转换成电信号便于观察或进行实时处理，选择合适的光电探测器件是十分必要的。可以说，它是接收系统中的核心部件，接收系统的探测能力及探测精度，在很大程度上依赖于光电探测器的性能。衡量光电探测器主要性能的参数有两个：一个是响应时间，一个是暗电流。响应时间越短，说明探测器能测量的频率越高，暗电流越小，噪声也就越小，则探测器的性能越好。最常见的光电转换器件有半导体光电二极管、光电三极管、光电池和光电倍增管等。其中硅光电池是目前用得最广泛的一种器件。它是由本征硅材料掺入浓度约为10161019个/cm3杂质原子制成的。其特点是结构简单、光敏面积较大，易于实现光路，并且光电池已经广泛的应用于光电测量仪器中，所以本设计采用光电池作为光电探测器件。3.2电路设计仪器的电路设计主要包括稳压电源、光电转换、模拟信号处理、模数转换及计算机数据显示这几部分，如图3.7。图3.7电路处理流程图3.2.1稳压电源由于供电电压不稳或其他一些外界因素的干扰，会使光源的输出产生一定的波动，影响测量结果，上文中我们在设计光路时采用的双通道法，可以将以上所提到的影响减小，但是为了获得更好的测量结果，我们在仪器中需要配备稳压电源，用来克服由于供电电压不稳而对光源输出产生的误差。本文我们采用由W7800系列三端固定式集成稳压器所构成的稳压电源，如图3.8所示。图3.8稳压电源3.2.2光电转换光电转换的基本原理是利用光电转换器件将光信号转换成电信号。基本原理是当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，将光信号转化成电信号。前面已经介绍过，本文选用硅光电池来进行光电转换。3.2.3模拟信号处理模拟信号处理承接光电转换和数模转换这两部分，要将光电转换产生的微弱信号处理成适合A/D转换器的信号，所以该处理系统包括信号放大器、减法器和采样/保持电路。(1)放大器由于光电转换后得到的是电流信号，并且为了保证微弱信号不被环境和固有噪声所淹没，所以在模拟信号处理中需要使用运算放大器将电流信号转换成电压信号，并且实现对信号的斩波、检相、放大、滤波等处理。由于是微弱信号的放大信号很容易被噪声等淹没，因此尽量将最大放大增益放在第一级，即转换级。所以，级间安排是：第一级(转换级)106；第二级(增益调整级)2256。前面已经介绍过，因为被测对象是微弱电流信号，放大容易引起电压和电流的失调，以及零点漂移、自激干扰，所以第一级的电压电流转换放大选用自稳零斩波运算放大器ICL7650。ICL7650是MAXIM生产的自稳零斩波运算放大器，能自动稳零，性能稳定，体积小，是一种仪用IC，是便携式和其它用电池供电系统的理想器件。其连接电路如下图3.9。图3.9第一级放大电路对于第二级由于输入电压相对来说较大，所以电路采用了另一种高精度低漂移器件OP.07，OP.07芯片它是MAXIM公司生产的高精度低漂移运放集成器件，它具有极高的时间稳定性，电路如图3.10。图3.10第二级放大电路(2)减法器为了使控制系统得到两个光电信号的差分信号，需要将这两个从放大器中输出的信号输入到减法器中，该减法器使用课本中常见的减法电路，如图3.11。图3.11减法器(3)采样/保持电路在A/D转换器对模拟信号进行转换的过程中，需要有一定的稳定时间，这就是说，为了保持A/D转换的精度，在转换时间内信号应保持在采样时的幅度值不变。因此，在A/D转换器的前端应加入采样/保持电路。本文采用由LF398及LM3805构成的采样/保持电路，如图3.12所示，它具有采样速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。图3.12采样/保持电路3.2.4模数转换由模拟信号处理系统输出的信号是模拟量，而微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟量必须先通过A/D转换器转换成数字量，才能被计算机处理。本文采用ADC0809芯片作为A/D转换器，ADC0809是8路8位逐次比较式A/D转换器，它能分时对8路模拟量信号进行模数转换。16下图3.13为ADC0809与单片机8051的接口电路，以及控制程序。 图3.13ADC0809与单片机8051的接口电路控制程序： INTR1: PUSH DPL PUSH DPH PUSH A MOV DPTR , #0FEF8H MOVX A , DPTR MOV 30H , A MOV A , #00HMOVX DPTR, APOP APOP DPHPOP DPLRETI3.2.5显示电路为了显示测量结果，我们选择发光二极管显示器(LED)对将结果进行显示，接口电路和译码程序如下图3.14。图3.14显示接口电路译码程序： DIR: MOV R0 , #79HMOV R3 , #01HLD0: MOV P3 , R3MOV A , R0ADD A , #0CHMOVC A , A+PCMOV P1 , AACALL DL1INC R0MOV A , R3JB ACC.5 , LD1RL AMOV R3 , AAJMP LD0LD1 : RETDSEG: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DHDSEG1: DB 7DH,07H,7FH,67H,77H,7CHDSEG2: DB 39H,5EH,79H,71H,73H,3EHDSEG3: DB 31H,6EH,1CH,23H,40H,03HDSEG4: DB 18H,00H,00H,00HDL1: MOV R7 , #02HDL: MOV R6 , #0FFHDL6: DJNZ R6 , DL6DJNZ R7 , DLRET3.3仪器参数的标定按照上文所介绍的光路和电路，我们已经得到了所设计的仪器的硬件部分，在进行实际使用之前，我们需要对单片机中所需要的程序中的一些参数进行标定。先按照上文所示的光路图设置好光路，再连接好电路。然后在实验室创造实际工作的情况（用煤粉），设置不同的浓度的空气。将光路置入含有不同浓度的煤粉的空气中，并记录模数转换后的电压值。在进行该实验的同时用采样法测量不同的粉尘浓度，并与上面的电压值一一对应。运用采样法获得的浓度值和本文设计的仪器中数模转换后的电压值，我们就可以对单片机程序中参数进行修改，完成仪器的标定。3.4本章小结本章对仪器的光路和电路进行了详细的设计。电路上对放大器、采样器及模数转换器的作用等都作了介绍，并选择了合适的元件；最后介绍了对单片机程序中参数的标定。第四章 影响仪器精度的因素在仪器的设计和使用中，有很多因素可以影响到测量结果的精度，只有正确地认识它们，我们才能不断地对仪器进行改善，从而提高仪器的精度。4.1光源波动由于供电电压不稳或其他一些外界因素的干扰，会使光源的输出产生一定的波动，影响测量结果。本设计中已经为光源配备了稳压电源来克服供电电压不稳使光源输出产生的变化，并且采用了双光路差分法，从而尽可能的减少了光源波动引起的误差。但是具体应用中外界环境复杂，仍不能完全的消除光源波动对仪器精度的影响。4.2杂散光测量系统是处于自然环境中的，光路中会不可避免的混入一些杂散光，影响测量结果。本文中采用的双光路差分法能有效地避免杂散光对仪器精度的影响，并且在机械外形设计时，若使用一些特殊的结构对光路进行遮蔽，以防止杂散光的进入，同样可以减少杂散光的对仪器精度的影响。4.3大气温度的变化温度波动也会对测量结果会产生不利的影响。这种变化主要影响光电接收器输出信号的大小。当外界环境温度不同的情况下，当相同强度的光线入射时，光电接收器件内部光电转换单元产生的电子数目并不相等，从而在宏观上造成输出电流有强弱之分。因此温度变化光电接收器件的输出特性曲线发生变化。工业粉尘浓度监测仪大多采用半导体器件(硅光电池、光电二极管、光电三极管)作为光电接收器，这类半导体器件具有很高的温度系数。理想的办法当然是使光电接收装置处于恒温状态，但是这样做代价太高，不易实现。另一种消除温度影响的办法是采用适当的修正量进行自动校正测量结果的方法予以排除。双光路也对温度引起的误差有一定的减小作用。4.4测量窗口染尘测量窗口是测量光束进出送粉尘管道的窗口，以保护测尘仪不受污染。在测量过程中，由于测量窗口暴露在煤尘环境中，因此很容易在窗