肖韶榮，汪 坤，劉 娟

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京210044;2.國電南京自動化股份有限公司工藝結(jié)構(gòu)研究所，江蘇南京210003)

1 引言

隨著工業(yè)化進程的加快，大氣環(huán)境污染日益嚴重，特別是近幾十年來，由燃燒產(chǎn)生的煙霧和土地開墾引起的風濁等使大氣中的氣溶膠迅速增加，對人類的健康和生活環(huán)境產(chǎn)生了諸多不利影響。例如氣溶膠影響地氣系統(tǒng)的反射率，改變了大氣輻射的收支情況，可能引起全球性的氣候變化［1］?？梢?，無論是應對氣候變化，還是控制環(huán)境污染，都需要對大氣中氣溶膠的濃度進行監(jiān)測［2-3］。測量氣溶膠濃度的常用方法有濾膜稱重法、壓電振動法、光散射法和光透射法［4］。目前，我國環(huán)保部門大多使用濾膜稱重法測量氣溶膠濃度，該方法通過測量采集一定體積空氣后濾膜重量的變化來得到空氣中的氣溶膠濃度。這種方法不僅耗時而且測量過程復雜，不利于實時測量。

隨著光信息技術(shù)的發(fā)展，光散射法及光透射法測量氣溶膠濃度得到了很大的發(fā)展。散射法是通過測量大氣氣溶膠受光照射后的散射光強度來測量其濃度，適合于低濃度氣溶膠測量。例如美國SKC公司研制的Epam-5000環(huán)境空氣質(zhì)量檢測儀，一般在被測氣溶膠濃度較低時，才可以得到滿意的測量效果。透射法是利用光通過介質(zhì)時，氣溶膠對光的散射和吸收作用使光強發(fā)生衰減的原理來測量氣溶膠的濃度，如我國煤炭科學研究總院重慶分院研制的BFC-1型便攜式氣溶膠濃度測量儀。但由于樣品池光程長度所限，透射法測量儀器只適合于測量濃度較高的氣溶膠氣體［5］。雖然這兩種方法都適合實時測量，并可通過網(wǎng)絡將各監(jiān)測點在線數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控分析中心，實現(xiàn)環(huán)保監(jiān)測的在線化及網(wǎng)絡化［6］，但都只能適合某一種較小濃度分布范圍的情況，擴展氣溶膠測量儀器的測量范圍，才可準確獲得氣溶膠濃度大小。

本文研制的氣溶膠濃度檢測裝置采用了光散射法及光透射法，不僅提高了濃度的測量范圍，而且提高了測量精度。

2 工作原理

當LD光源發(fā)出強度為I0的光通過待測氣體時，由于氣體中氣溶膠的吸收和散射作用，使穿過氣體的透射光強度下降到IT，由朗伯-比耳定律(Lambert-Beer Law)得透射光強度IT為：

其中：τ為衰減系數(shù)，L為光程。

氣溶膠粒子的直徑多在0.01～10 μm，由氣溶膠散射原理可知，散射光強IS為：

式中：K為微粒個數(shù)，與濃度成正比;ε為與散射函數(shù)有關(guān)的系數(shù);l為散射光程。

由此可得散射光強與透射光強比為：

但是，由于不同的光電二極管的檢測靈敏度不同，設(shè)兩光電管的檢測靈敏度為S1及S2，則式(3)改寫為：

由此可見，與透射法相比，傳統(tǒng)的單光束散射雖然能消除光源不穩(wěn)定所帶來的影響，但卻無法消除光電二極管檢測靈敏度不同所帶來的誤差，因此只有在兩探測器的檢測靈敏度相同時上述方法才能奏效。

本設(shè)計采用雙探測器四光束測量，LD發(fā)出的光經(jīng)半透半反鏡后，分成兩束光，遮光板周期性地遮住其中一束光，光電二極管周期性地檢測未經(jīng)遮掩的光所經(jīng)過氣體的透射光及散射光。

如圖1所示，該系統(tǒng)通過周期性控制遮板1和遮板2的運動實現(xiàn)對光路的控制。當工作于方式1時，遮板2起作用，遮住經(jīng)分光鏡作用下的透射光，經(jīng)分光鏡作用下的反射光能順利進入待測氣體，此時檢測器1測量透射光，檢測器2測量散射光強;當工作于方式2時，遮板1起作用，遮住經(jīng)分光鏡作用下的反射光，經(jīng)分光鏡作用下的透射光能順利進入待測氣體，此時檢測器1測量散射光，檢測器2測量透射光。由于被測氣體置于規(guī)則的圓柱體測量裝置中，所以兩種方式下的透射光光程及散射光光程相等。

圖1 光路設(shè)計圖Fig.1 Design diagram of optical path

設(shè)I1、I2為方式1下測得的透射光強及散射光強，I3、I4為方式2下測得的透射光強及散射光強，有：

由式(5)～(8)可得：

由此可見，系統(tǒng)能消除LD光源不穩(wěn)定和光電檢測靈敏度對測量結(jié)果的影響，提高測量精度。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 LD驅(qū)動電路

硬件系統(tǒng)由MSP430單片機模塊、電源模塊、LD驅(qū)動及溫控模塊、光電檢測及信號處理模塊及LCD顯示模塊組成。

激光器的驅(qū)動電路采用射極偏置電路，如圖2所示，它是交流放大電路中最常見的一種基本電路。在該電路中，C1接MSP430單片機，由單片機輸出頻率為1 000 Hz的矩形脈沖，經(jīng)C1輸入至驅(qū)動電路，由于R4的反饋控制，使IC基本穩(wěn)定，有較為穩(wěn)定的工作點。實際電路參數(shù)設(shè)定為：C1=47 μF，R1=15 kΩ，R2=60 Ω，R3=18 kΩ，R4=100 Ω。

圖2 LD驅(qū)動電路Fig.2 Diagram of LD driving circuit

設(shè)計驅(qū)動電路時應注意如下幾點：

(1)當在脈沖信號下工作時，LD的脈沖電流必須完全處于LD的閾值電流之上。

(2)電路的最大電流不應超過LD所能承受的最大電流值。

3.2 LD溫控電路

圖3為激光器溫控電路，采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集元件，測量溫度為-55～125℃，測溫精度可達0.1℃，工作電壓為3～5 V/DC。溫度控制器件選用的是半導體制冷器(TEC)，是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。

圖3 溫控電路Fig.3 Diagram of temperature control circuit

由DS18B20采集半導體激光管的溫度，并將數(shù)據(jù)送入MSP430單片機，與單片機內(nèi)程序設(shè)定的溫度進行比較，若溫度高于設(shè)定溫度，則單片機P1.0口將輸出高電平，其高于RL上設(shè)定好的電壓，LM258輸出高電平，達林頓管Q1導通，TEC與半導體激光管貼近的一面開始吸熱，使半導體激光管管內(nèi)溫度降低;當溫度傳感器接收到的溫度低于程序設(shè)定溫度，P1.0口輸出低電平，LM258輸出低電平，達林頓管Q2導通，TEC開始加熱，使半導體激光管管內(nèi)溫度升高。

需要注意的是：TEC夾在LD與散熱片之間，二者皆與TEC有良好的熱傳遞，但二者之間不得有任何形式熱傳遞，否則會因熱量回流使效率降低。

3.3 光電信號檢測電路

光電檢測電路中包括PIN光電二極管和一個前置放大器。光電二極管可以產(chǎn)生與照度成正比的小電流，在經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換后，能夠?qū)⒐怆娏餍盘栟D(zhuǎn)換成相應的電壓信號。系統(tǒng)選用了低功耗低噪聲集成運放OP07，它是一種高精度單片運算放大器，具有很低的輸入失調(diào)電壓和漂移。OP07的優(yōu)良特性使它特別適合作為前級放大器來放大微弱信號［7］。如圖4所示，前置放大器的輸出電壓在1.0 V以下時，運算放大器工作在良好的線性區(qū)。為防止自激振蕩，在反饋電阻上并聯(lián)電容Cf，取Cf=47 pF。

圖4 前置放大電路Fig.4 Diagram of pre-amplifier circuit

3.4 有源濾波電路

考慮雜散光的影響，光電系統(tǒng)采用濾波器從范圍較寬的信號中選出所需頻率范圍的信號。由于系統(tǒng)在驅(qū)動LD時已經(jīng)對光強進行了調(diào)制，調(diào)制頻率為 1 000 Hz，因此，采用中心頻率為1 000 Hz的窄帶濾波器來有效地去除噪聲，得到可用的光強信號。圖5所示有源濾波電路用于實現(xiàn)帶通濾波。

圖5 有源濾波電路Fig.5 Diagram of active filter circuit

根據(jù)給定的技術(shù)參數(shù)，考慮運算放大器外接電阻的平衡條件，選定濾波器元件參數(shù)值分別為R1=160 kΩ，R2=12 kΩ，R3=22 kΩ，R4=R5=47 kΩ，電容C1=C2=10 nF，增益約為 2。

3.5 真值轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理

信號經(jīng)過帶通濾波器后，輸出1 000 Hz左右的正弦波信號，其真有效值即為對應的檢測光信號的強度。為了便于單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，將此正弦波信號作真值轉(zhuǎn)換。AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器，其主要特點是準確度高、靈敏性好(滿量程為200 mV)、測量速率快、頻率特性好、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低(最大電源工作電流為200 μA)，用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過 ±0.3%［8］。

從AD736真有效值轉(zhuǎn)換輸出的信號最大只有200 mV，對于后續(xù)單片機A/D轉(zhuǎn)換時的基準電壓來說比較小，如果直接進行A/D轉(zhuǎn)換并利用軟件算法作運算，會使動態(tài)范圍比較小，精度不高，同時也不能體現(xiàn)出后面采用12 bit A/D轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)勢。所以，設(shè)計時在AD736真有效值轉(zhuǎn)換后加了一級放大電路。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分采用美國TI公司生產(chǎn)的MSP430F149微處理器，它是一種16 bit超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)，由于它具有精簡的指令集，使得程序開發(fā)和移植簡單快捷［9］。該單片機內(nèi)部裝有12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，可滿足系統(tǒng)的精度要求，無需再另外設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換電路，并且它可以直接驅(qū)動液晶顯示器，節(jié)省開發(fā)成本。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與誤差分析

采用蘇州華宇公司生產(chǎn)的氣溶膠發(fā)生器實驗裝置測量氣溶膠濃度，對每組數(shù)據(jù)進行10次以上的測量，當氣溶膠氣體濃度成倍數(shù)上升時，運用MSP430F149處理芯片，通過周期性測量方式1及方式2兩種情況下的散射光及透射光，運用式(9)進行運算，可得圖6所示曲線，該曲線具有較好的線性，當實驗裝置發(fā)出的氣溶膠氣體濃度由1倍慢慢向6倍上升時，相應的散射透射比值也以直線的規(guī)律上升，且符合得較好。

圖6 線性回歸圖Fig.6 Diagram of linear regression

考慮函數(shù)Y=aX+b，記Ei=Yi-(aXi+B)，它反映了用直線Y=aX+b來描述X=Xi及Y=Yi時，計算值Y與實際值Yi的偏差，要求偏差越小越好。根據(jù)測試結(jié)果采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進行線性擬合，回歸方程為Y=0.017 7X+0.037 5，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.976 5。

本測量裝置的系統(tǒng)誤差主要為背景光影響、光吸收誤差、光電管誤差、電子元器件誤差、ADC采樣誤差等。

對于光吸收誤差，由于空氣中的水蒸氣能吸收部分光強，且其占測量氣體的濃度越大對測量結(jié)果影響越大，但由于測量光程較短，所以該誤差可以忽略;干擾光主要包括自然光及人工光，一般以背景光的形式出現(xiàn)，也可能包括緩慢變化的脈沖信號，對于這些干擾光，系統(tǒng)中有源濾波電路能有效濾除干擾光對測量結(jié)果的影響。此外，利用激光波長為定值的特點，使用截止濾光片及窄帶干涉濾光片濾光也能起到很好的效果［10］;測量系統(tǒng)采用直流電源供電，要消除由電源帶入及由器件間的連線所產(chǎn)生的電干擾，可以通過在電路中增加旁路電容及去耦電容來實現(xiàn);由于系統(tǒng)是雙光路測量，理論上兩條電路上的各參數(shù)應該完全一致，但在實際應用中很難保證電子器件完全一致，這會對測量結(jié)果造成很大的影響，為盡量減小這種誤差，測量系統(tǒng)中需選用高精度的電阻、電容;光電二極管在輸入光強為零時也有輸出電流，即存在零點電壓，通過增加零點補償電路可以去除干擾;對于AD轉(zhuǎn)換誤差，系統(tǒng)選用430單片機內(nèi)部的12 bit ADC模塊，其分辨率為滿量程的0.0245%，所以本測量系統(tǒng)能夠分辨的輸入電壓變化的最小值約為0.6 mV。

由此可見，該測量裝置能很大程度地消除光源老化不穩(wěn)定及探測器靈敏度不同對測量結(jié)果的影響，測量系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

本文提出了雙通道交替探測透射和散射的氣溶膠濃度檢測裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、靈敏度高等特點，能有效消除光源老化及探測器靈敏度不同對測量結(jié)果的影響，并可實現(xiàn)對氣溶膠濃度實時、準確的測量，檢測結(jié)果的線性度較好，線性相關(guān)系數(shù)為0.976 5。采用TI公司的MSP430系列單片機進行脈沖發(fā)生、溫度控制、AD采樣、數(shù)據(jù)處理及顯示，能使測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于將此裝置智能化與微型化。

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