室内颗粒污染物浓度光散射传感器研究

论文总字数：18274字

摘 要

随着全球工业的发展，人类对健康的诉求也越来越高。环境污染已是不可回避的课题，室内空气污染更是与人体健康密切相关。实现室内颗粒物污染浓度的定性测量已是大势所趋。本文针对室内颗粒污染物浓度低，粒径小的特点设计了基于角散射颗粒计数原理的室内颗粒污染物浓度测量系统。

通过总结国内外学者对颗粒浓度测量的研究方法与发展现状，介绍Mie理论以及角散射法颗粒计数测量技术，为研究光散射传感器提供理论基础。本文详细介绍了光散射传感器的机械设计，光电传感器设计，数据采集系统设计。机械设计建立光路模型，是实现理论设想的基础。光电传感器设计部分给出了实验原理图以及实验元器件包括光电探测器、LM393运放等元件介绍。利用本系统进行了室内浓度测量实验，证实了测量系统的可行性。针对单一角度接收散射光信号不稳定性的缺点，提出多角度接收信号，并利用其对应关系建立数学模型的未来工作方向。

关键词：颗粒浓度，角散射，粒子计数原理，在线监测

The research on the Light Scattering Sensor to Measure Indoor Particle Pollutant Concentration

Abstract

With the industrial development in the world, humans are increasing more demands for health. Environmental pollution is already an unavoidable topic. Especially the indoor air pollution is closely related to human health. The realization of qualitative measurement of indoor particle pollutant concentration is the general trend. The paper designed a system which is based on the counting principle of angle scattering to measure indoor particle pollutant concentration on account of the characteristics of indoor particle pollutant (low concentration, small particle size).

The paper summarized research methods and development condition made by domestic and overseas scholar. It also introduced Mie theory and the technology of angle scattering particle counting measurement, in order to provide theory for the study of light scattering sensors. This paper described the mechanical design of light scattering sensor, photoelectric sensors, data acquisition system. Using mechanical design to build optical model is the basis of theoretical ideas. The part of the photoelectric sensor design showed the test schematics, as well as experimental components including photodetector, LM393 operational amplifiers and other components. The paper used the system to carry out measuring indoor concentrations, and confirmed the feasibility of measuring systems. Due to the instability of the signal generated by receiving scattered light in single angle, the paper presented the idea of receiving signal in several angle, and used the correspondence to build a mathematical model for the future study.

Keywords：Dust concentration，Light scattering，Particle counting principle，In-situ Measurement

目录

摘要 III

Abstract III

目录 III

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 颗粒污染物浓度研究现状 1

1.3 测试颗粒浓度的常用方法 3

1.3.1 手工测量 3

1.3.2 实时在线测量 4

1.3.3 分析总结 6

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 7

1.4.1 课题的提出 7

1.4.2 本文的主要内容 8

第二章 光散射理论 9

2.1 光散射理论概述 9

2.1.1 光散射的类型 9

2.1.2 不相关散射和相关散射 9

2.1.3 单散射和复散射 10

2.2 Mie散射理论 10

2.2.1 Mie理论推导公式 10

2.2.2 Mie数值算法 12

2.3 角散射式颗粒计数器（OPC） 15

2.4 本章小结 16

第三章 室内颗粒物浓度光散射测量系统 17

3.1 系统机械设计 17

3.1.1 基本光路原理 17

3.1.2 防治窗口污染的方式 17

3.2 光电传感器系统设计 18

3.2.1 光电传感器基本原理 18

3.2.2 光电传感器电路设计 18

3.3 实验数据的处理与分析 20

3.4 本章小结 23

第四章 结论 24

4.1 课题总结 24

4.2 展望 24

致谢 26

参考文献 27

第一章 绪 论

1.1 引言

随着工业的发展，空气污染已成为现代城市居民所关注的环境问题之一。就室外而言，雾霾所导致的健康，出行等问题十分显著。但同样不能忽略的是室内空气污染对人类健康存在的潜在威胁。事实上，人类有80%以上的时间在室内度过，老人、婴幼儿则更久[^[1]]。1952年，英国雾霾事件导致了很大的人员伤亡，因此英国出台了环境保护法。1970年左右, 发达国家环境和卫生学家开始认识到室内空气污染对人体健康的影响，此后开始重视室内空气污染的监测, 并取得大量数据, 发现某些室内污染物的浓度比室外还高，一般是室外的2到5倍，在某些特殊情况下甚至达到室外污染物浓度几十倍。室内空气颗粒污染物主要包括燃煤产生的烟尘，烟草燃烧产物以及烹饪产生的油烟等。被动吸烟对婴幼儿造成的危害已得到工公认，燃煤对儿童同样会带来健康方面的隐患。秦钰慧[^[2]]等就室内燃烧对儿童健康的影响进行了调查。结果表面，在采样的四个城市中，燃煤家庭的儿童比燃气家庭的儿童呼吸系统发病率要高。

国际环保界近十年来对室内空气品质（即IAQ[^[3]]）十分关注，它指在某个具体环境中，室内中某些要素对生活工作的适宜程度，包括了温度，湿度，空气新鲜度以及洁净程度。其中洁净程度就包括本文主要讨论的，室内颗粒污染物浓度。室内颗粒污染物浓度监测是治理室内空气污染的首要任务和实践基础。光学法属于非扰动测量方法，特点是快速、分辨率高、信息量大。光学法适用性广，可以测量固体颗粒、液滴、气泡等多种多相流浓度。因此开发新的室内颗粒污染物浓度光散射传感器具有很重要的科学意义和应用前景。

1.2 颗粒污染物浓度研究现状

国外在颗粒浓度测量方面的研究非常多样化，装置类型也很多。1983年，C. E. Bohren和D. R. Huffman[^[4]]研究了颗粒的光散射特性和吸收特性。1997年，意大利Napoli大学的S. diSTASlo[^[5]]研究了同时接受散射光和透射光的探测装置，对产生瑞利散射的单分散烟灰聚合物进行粒径及浓度测量。1998年，Anatoli P. Nefedov[^[6]][^[7]]在研究了颗粒粒径、浓度和相对折射率对光散射传输模型影响的基础上，通过修正前向小角内多重散射影响，反演了粒径与颗粒数密度。2000年，M. Giglio[^[8]][^[9]][^[10]]将近场光学引入到光散射法测粒技术当中，在以后的几年中，提出了外差式近场光学理论及各种装置，无需去除中心透射光。2007年，荷兰D. MARTIN KNOTTER[^[11]]等人，采用光散射法监测工业流体中的颗粒物浓度，同时发现不同颗粒的相对折射率会造成颗粒计数的较大误差。Lucian Blaga大学，D. Chicea[^[12]]利用某一前向散射立体角下的远场散斑图像，测得低浓度颗粒的浓度值。2008年，德国Karlsruhe大学的Dr. H. Umhauer[^[13]]等人将光散射式单颗粒计数器成功应用在600℃和16个大气压的环境中进行颗粒的粒径及浓度测量。2009年，伊朗的石油工业研究院利用动态光散射法进行了聚苯乙烯小球的浓度测量。Y. C. Agrawal[^[14]]设计了一种特定形状的光电探测器，可以同时测量颗粒浓度、粒径和多种平均粒径。2012年，S. Buaprathoom[^[15]]利用多个角度的散射光研究了多重散射条件下的颗粒浓度与散射光强值的关系。德国Meike Hofmann[^[16]]等人，将栅格条纹干涉图像引入颗粒浓度测量技术中，主要对前向小角内的散射光和透射光进行探测。E. Tamborini[^[17]]设计了一种散射角可达0.5～25°的散射光强探测装置，可同时满足动态光散射法和静态散射法的测量需要。

国内在颗粒浓度测量技术方面发展较晚，多数以颗粒计数法或光度计法为主要测量手段。哈尔滨工业大学开展了一些后向散射法[^[18]]烟尘浓度测量技术方面的研究，东南大学在前向小角光散射法[^[19]]测量颗粒浓度方面有较大的贡献，台湾元培科技大学利用光散射法测量可吸入颗粒浓度[^[20]]。其他院校如上海理工大学，天津大学，南京理工大学，重庆大学等也都开展了光散射法颗粒浓度测量技术的研究。产品方面我国发展较慢，至今还是以取样测量为主。取样测量的缺点在前文中提到，包括不能实时测量以及会干扰流体。以上所述光散射方法中，都需预知粒径分布或者某一平均粒径，才能进行颗粒浓度的测量。在实际的烟尘或者其他粉尘产生的工作场所中，其粒径分布和平均粒径都随时间进行随机变化或长时间内的改变，为了确保每一次浓度测量值的准确性，粒径测量与浓度测量都需进行实时监测。针对此问题，东南大学王式民教授的课题组在研究了颗粒粒径分布与散射光强角分布的关系基础上，提出了一种无需预知粒径分布的颗粒浓度光散射测量方法，即散射积分法。散射积分法作为光散射法颗粒浓度测量方法之一，通过对颗粒群的散射光强进行探测，并对全散射角范围内的散光光强进行角度积分，即可获得颗粒浓度值。

室内空气颗粒污染物浓度测量与常规工业测量相比较，具有一定的特殊性。在利用散射法测量空气污染物浓度时，工业测量中例如烟道颗粒物浓度测量，颗粒有相对固定的流动路径，而室内空气流动速度小，且方向不固定，局部颗粒污染物浓度差别较大，会影响测量的准确性。因此在本文的传感器设计中，决定利用加热电阻加热空气，利用空气密度差形成较为固定的上升气流，从而测得室内空气的颗粒污染物浓度。另一方面，本课题中传感器的设计主要用于家用空气净化器的定性标识，相比定量分析有其特殊性。

1.3 测试颗粒浓度的常用方法

颗粒浓度测量的研究已有几十年的历史，到目前为止，国内外的科学工作者们已经基于不同的原理设计出多种测量方法和测量系统。这些方法根据测量样本和数据反馈大致可以分为两类：手工测量和实时在线测量。

1.3.1 手工测量

手工监测法分为林格曼黑度法和采样法。林格曼黑度法[^[21]][^[22]]是以视觉对烟气黑度（浓度）进行评价的一种方法。操作人员观察某一排放源，并将所观察到的烟尘黑度与林格曼黑度表比较后确定烟尘的浓度值。此方法受观察人员的主观意识影响较大，且只能给出一个相对大小的估值，精度比较低。一般只在需要定性测量燃煤烟尘排放浓度时才使用。采样法[^[23]]顾名思义，是通过抽取样本，测量样本浓度，从而估测总体浓度。样本的抽取是按照等速原则，即相同速度下通过烟气通道的颗粒质量被认为是一样的。排放源的粉尘排放浓度就等于样本中的固体颗粒物重量除以采样气体的体积。此方法原理简单，但在实际测量中无法保证等速，因而会导致了测量结果的偏差。由于它不能进行连续的测量，当烟气浓度变化较大时此方法实用性会大大降低。

1.3.2 实时在线测量

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