单粒子光散射法测量悬浮颗粒物质量浓度的理论模型及应用

摘要

单粒子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而在颗粒测量领域得到了广泛应用。本文结合实验，对单粒子光散射法测量悬浮颗粒物质量浓度的理论进行了深入研究，取得的主要成果如下： 提出了与光散射信号计数通道对应的颗粒平均质量、等效球形颗粒数、单粒子光学等效直径概念，这些概念揭示了颗粒物散射光信号幅度分布与质量之间的内在规律，从而建立了悬浮颗粒物质量浓度的理论模型，为应用粒子计数器测量的颗粒物电压脉冲信号幅度分布反演质量浓度提供了理论基础。 结合单粒子光散射法悬浮颗粒物质量浓度的理论模型，进一步深入研究颗粒物散射光信号幅度分布与颗粒物形貌之间的关系，并考虑颗粒物的分形特征，提出了光散射等效截面分形维数的概念，给出了光散射信号计数通道中的颗粒平均质量与对应通道的电压信号幅度之间的关系，发现单粒子光散射法测量悬浮颗粒物质量浓度算法有两个待标定的特征参数：灵敏度系数k和光散射等效截面分形维数α。 本文从理论和实验两个方面对悬浮颗粒物质量浓度反演算法中特征参数的标定方法进行了深入研究。分析了颗粒物质量浓度反演精度与小样本颗粒物的光散射等效截面分形维数αl之间的关系，发现与反演误差极小值对应的小样本颗粒物的αl不能很好地反映整个颗粒物的光散射等效截面分形维数α特征。通过分析颗粒物的α与小样本的αl之间内在联系，提出小样本的αl交集点是颗粒物的α最佳值的观点，解决了特征参数的标定问题。实验结果表明，在0.001～5mg/m3质量浓度范围内，粒子计数器测量的质量浓度值与标准参照仪器的测量值十分吻合。 本文将信息熵用于评价粒子计数器计数通道的优化问题。提出了均匀和非均匀计数通道划分法，实验结果表明质量浓度反演精度稳定时非均匀划分法所需的计数通道较少。利用信息熵计算发现计数通道数相同时非均匀划分法提取的颗粒物电压脉冲信号幅度分布信息熵明显较大，表明信号幅度分布信息熵大小决定了颗粒物质量浓度反演精度的稳定速度。 本文建立了一个较为全面的利用单粒子光散射法测量悬浮颗粒物质量浓度的理论，并将该理论应用于实际测量，实证了它的正确性，该研究成果为单粒子光散射法的深入发展提供了有价值的参考。本文的单粒子光散射法可用于实现工业在线测量悬浮颗粒物质量浓度。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：注释表-符号定义

声明

1绪论

1.1悬浮颗粒物的种类、来源及危害

1.2我国大气环境特点及环境空气质量标准

1.3国内外悬浮颗粒物质量浓度的测试方法

1.3.1取样法

1.3.2非取样法

1.4光散射法测量悬浮颗粒物的质量浓度

1.4.1颗粒群光散射法

1.4.2单粒子光散射法

1.4.3单粒子光散射法测量颗粒物质量浓度存在的问题

1.5本文的主要工作

2颗粒物光学等效粒度分布反演质量浓度的理论模型

2.1颗粒粒径的表征

2.2颗粒物粒度分布的描述

2.3颗粒物光学等效粒度分布反演质量浓度的理论模型

2.3.1颗粒物的二元粒度分布

2.3.2基于平均质量的颗粒物质量浓度理论公式

2.3.3基于等效球形颗粒数的颗粒物质量浓度理论公式

2.4本章小结

3颗粒物电压脉冲信号幅度分布反演质量浓度的算法

3.1粒子计数器的基本工作原理

3.1.1粒子计数器的光学传感器

3.1.2光学传感器的光敏区

3.1.3粒子计数器的信号采集处理系统

3.2球形颗粒的光散射特性

3.2.1 Mie散射理论

3.2.2球形颗粒的散射光通量计算

3.3颗粒物电压脉冲信号幅度分布反演质量浓度的算法

3.3.1光敏区光强分布均匀时球形颗粒物的质量浓度计算公式

3.3.2光敏区光强分布不均匀时悬浮颗粒物的质量浓度计算公式

3.4本章小结

4悬浮颗粒物质量浓度算法中特征参数的标定方法

4.1实验装置

4.1.1智能防爆粉尘仪SIDEPAK AM510简介

4.1.2粒子计数器的相关测量与计算

4.2高斯-牛顿法标定特征参数

4.2.1高斯-牛顿法的基本思想

4.2.2高斯-牛顿法的实现与标定结果

4.2.3高斯-牛顿法标定特征参数存在的问题与讨论

4.3交集点标定法标定特征参数

4.3.1交集点标定法基本思想

4.3.2光散射等效截面分形维数α的标定

4.3.3灵敏度系数k的标定

4.3.4交集点标定法结果

4.4交集点标定法的特征参数用于实验测量结果

4.5本章小结

5粒子计数器计数通道的优化及信息熵的应用

5.1信息熵的概念

5.2粒子计数器计数通道的优化

5.2.1均匀划分法

5.2.2非均匀划分法

5.2.3两种划分方法下质量浓度的反演精度及稳定性

5.3颗粒物电压脉冲信号幅度分布信息熵的计算

5.4本章小结

6总结与展望

6.1论文总结

6.2创新点总结

6.3展望

攻博期间发表的论文

致 谢

参考文献

附录