許方華

（成都派斯光科技有限公司，四川 成都 610200）

0 引言

民用家居環(huán)境的粉塵測量，不同于工業(yè)環(huán)境的測試，需要成本價格極低、體積小，同時還要滿足一定的測量精度要求，符合家居生活體驗。一般而言，高精度的粉塵測量需要有較為復雜的光學系統(tǒng)，加上其他測量系統(tǒng)部分，其體積、成本價格均難以滿足民用家居領域的普遍要求。鑒于此，筆者根據(jù)光角散射的基本原理，研究以激光發(fā)射管作為光源的粉塵質(zhì)量濃度的測量技術，該技術樣品具有體積小、成本低的特征，通過對樣品的測試與驗證，其精度達到±10%以內(nèi)的高精度水平[1]。

1 測量原理

角散射法測量原理如圖1所示。來自激光管的光束經(jīng)透鏡聚焦形成一細小明亮的束腰，在束腰中定義一測量區(qū)，測量區(qū)的容積要足夠小，使得每一瞬間只有一個顆粒流過。被測介質(zhì)(液體或氣體)由一進樣系統(tǒng)送入流經(jīng)測量區(qū)[2]。當存在于介質(zhì)中的顆粒經(jīng)過測量區(qū)時，被入射激光照射產(chǎn)生散射光，某個(或幾個)角度下的散射光由光學系統(tǒng)采集，經(jīng)光電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電信號。根據(jù)Mie理論可知，顆粒的散射光分布與粒徑相關，粒徑不同時，散射光的分布就不同。因此，根據(jù)光學系統(tǒng)所采集到的散射光信號可以確定顆粒的粒徑大小。當顆粒流出測量區(qū)后，或某一瞬間流過測量區(qū)的介質(zhì)中沒有顆粒時，散射光以及相應的電信號為零。待下一個顆粒流過測量區(qū)時，光電系統(tǒng)又給出一個與其粒徑相應的電信號。因此，測量到的是一個又一個的電脈沖，脈沖數(shù)就是顆粒數(shù)。測得顆粒物的粒徑及數(shù)量后，根據(jù)物質(zhì)的密度參數(shù)可計得得出粉塵質(zhì)量濃度[3]。

圖1 角散射顆粒測量的光學原理

在實際應用中，若完全按此原理，設計出的測量系統(tǒng)固然可獲得極高的測量精度，但其成本、體積顯然不低。筆者根據(jù)角散射的基本原理及其測量優(yōu)點，對上述光學測量腔進行一定的改造，大幅度地縮小體積、降低成本，而在測量精度方面，通過優(yōu)化改進電路設計、提高微處理器的信號智能處理能力（研究信號處理算法）來提高信號識別與粉塵質(zhì)量濃度計算能力[4]。

2 測量技術研究

測量樣品（傳感器）的構(gòu)成如圖2，主要包括氣路部分、光路部分與電路部分。氣路部分主要由微型風扇、光學測量腔、風道組成；光路部分主要在光學測量腔內(nèi)實現(xiàn)，由激光組件（由激光管與透鏡組成）、光敏管等元器件組成；電路部分主要實現(xiàn)氣路流量穩(wěn)定控制、信號采集與算法分析處理，主要包括微風扇驅(qū)動、信號處理電路、微處理器（MCU）等部分。

圖2 測量系統(tǒng)組成

研究的主要目標：低成本、小體積、高精度。采用以下方案：①采用微型風扇。問題點：流量低，難以將風道做到很小，使粒子一個個排列經(jīng)過束腰測量區(qū)的。解決對策：風道做大，同一時間將會有大量粒子經(jīng)過光學測量區(qū)，但這樣做又帶來粒子計數(shù)困難的問題，這可以通過軟件算法彌補；②選用激光低功率器件。問題點：散射光較弱，處理辦法：在充分避免干擾光的情況下光敏管盡可能地靠近激光束。由于信號十分微弱，需采用高靈敏、高信噪比的微弱信號放大電路，將光敏管接收到的散射光信號進行不失真放大[5]。

激光管是間歇式周期性工作的。信號波形如上圖所示，MCU在進行信號處理前，首先需要確定信號噪聲線ur，信號噪聲線是在激光關閉時間內(nèi)動態(tài)檢測的，即在激光管關閉的過程中，信號電平就是噪聲線。在激光開啟時間內(nèi)，噪聲水平ur以上，視為有效信號。理論上，一個完整的脈沖代表一個粒子，實際測試中，由于受制于激光功率、光敏管接收角度、光敏管的感光性能等因素制約，部分粒子的信號并不能采集到，對于這點表面上看是一個嚴重的問題點，而事實上正是這樣的特點，使得在高濃度環(huán)境中測試信號脈沖不重疊，這樣便于MCU進行信號識別與處理計算。另外，從概率上講，由于數(shù)據(jù)基數(shù)大，單位時間內(nèi)采集到的信號量與粒子濃度是正相關的，因此，采集到的信號量只要“足夠”，是完全能滿足測量精度要求的[6]。

3 實施與驗證

單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)量n計算方法是：當信號電壓上升到大于Ur時，作為一個有效信號的起點，當信號電壓下降到小于或等于urur時，作為一個有效信號的結(jié)束點，以此在單位時間內(nèi)進行計數(shù)。

計算質(zhì)量濃度，采用單位時間內(nèi)的信號積分量E，具體如下：

圖3中單個脈沖信號的積分量Ei為：

圖3 信號波形圖

式中，uj-某個脈沖第j個采樣點的電壓值（可用AD值表示），k-脈沖的最后一個采樣點序號，T0-采樣時間間隔。則單位時間T內(nèi)的有用信號積分E為：

運用最小二乘法作直線擬合,構(gòu)建PM-E的線性關系，詳細的擬合過程這里不贅述。根據(jù)擬合關系對樣品進行擬合，擬合后選擇一濃度點進行標定。在密閉測試房內(nèi)進行各濃度點的穩(wěn)態(tài)測試，測試的PM2.5曲線圖及誤差如圖4、圖5所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)測試PM2.5 曲線

圖5 穩(wěn)態(tài)測試時各濃度點的誤差

4 結(jié)論

小批量制作了10pcs樣品，參考標準儀器對各方面性能進行了評測，結(jié)論如下：①微型風扇處于5000rpm、溫度為（25±5）℃、濕度（40～60）%RH、用焦油量為8mg的香煙測試時，在PM2.5值在0～1000ug/m3范圍內(nèi)，測量精度可達到±10%。②風扇轉(zhuǎn)速、溫濕度不變的條件下，換用其他粉塵，如干燥煤粉、ISO 12103-1 A1等粉塵進行試驗，其一致性在0～1000ug/m3范圍內(nèi)可達到±10%。③達成了低成本、小體積、在0～1000ug/m3量程內(nèi)高精度的測試需求。