基于MIE散射理论的粉尘浓度测量研究

摘要

粉尘浓度的测量是根据光散射原理，即空气中聚集的粉尘粒子在一定强度的光照射下，向其周围空间散射出与其浓度成一定比例关系的散射光。粉尘浓度是衡量空气质量的一个重要指标，在环保、石化、煤炭、海洋、水利、冶金、建材、地质等多个领域内都有着广泛的应用。 本文首先分析了空气污染的危害，说明粉尘测试的必要性，然后介绍了光学粉尘测试的应用和发展概况，比较了几种常用的空气粉尘测试方法，在此基础上，阐述了Mie散射理论，为进一步理论推导奠定了基础。其次应用Mie散射理论，研究了粒径、折射率和入射光波长对散射光强度分布的影响，文献<'[1]>论述了瑞利散射与Mie散射相比其误差在1％以内的条件，即空气中悬浮颗粒物较小，浓度比较低，比较均匀，因此在瑞利散射公式的基础上推导出了一定条件下浓度测试的理论依据。根据该理论选用合适的传感器，设计了粉尘浓度测试系统，在实测中应用该系统测量了苏州大学物理实验中心外距地面约2米的空气中的粉尘相对浓度，连续测量36天，并与国家环保总局苏州地区每天预报的空气污染指数转换后的可吸入颗粒物(PM10)浓度值相比较，得出对应关系，运用MATLAB拟和直线对系统进行标定。经过标定表明实测结果与国家环保总局每天预报的空气污染指数转换后的可吸入颗粒物(PM10)浓度值有较好的一致性。最后对标定结果产生的误差进行了分析。 由于系统以半导体激光器为光源，以光电二极管作为光电接收器，以微机控制测量过程、处理测量结果，具有体积小、重量轻、操作简便、功耗低等优点。因此可广泛用于工矿企业、公共场所等环境空气中粉尘浓度的实时监测。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1粉尘污染的危害

1.2工业生产中粉尘测试的必要性

1.3粉尘测试的国内外基本情况及发展

本章小结

第二章粉尘浓度测试技术综述

2.1连续取样法

2.2差分吸收光谱法

2.3摩擦起电法

2.4闪烁法

2.5散射法

2.6课题主要研究内容

本章小结

第三章光的散射理论

3.1光的散射原理

3.2光散射的分类及其图形

3.2.1光散射的分类

3.2.2光散射的图形

3.3光散射理论的发展

3.4 Mie散射理论

3.4.1 Mie散射的理论基础及参数

3.4.2 Mie散射理论基本公式及强度函数

3.4.3微粒的角散射

3.4.4 Mie散射的近似

3.4.5 Mie散射的特点

3.4.6微粒的体角散射

3.4.7微粒的总散射

本章小结

第四章浓度测试的理论基础与测试系统总体设计

4.1单颗粒子散射光强度分布特性

4.1.1入射光波长对散射光分布的影响

4.1.2相对折射率对散射光分布的影响

4.1.3微球体颗粒半径对散射光分布的影响

4.2浓度测试的理论基础

4.3粉尘测试系统总体设计

4.3.1光学传感器

4.3.2电子信号处理系统

4.3.3微机控制与管理系统

4.4软件设计与流程

4.4.1数据采集程序设计

4.4.2数据滤波处理

本章小结

第五章系统数据测量标定与误差分析

5.1系统数据测量与标定

5.1.1系统数据测量

5.1.2空气污染指数标准与浓度转换关系

5.1.3 P值的标定以及误差分析

本章小结

结论

附录

参考文献

攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢