基于多角度光散射的微纳颗粒检测方法研究

摘要

PM2.5颗粒受到社会的广泛关注是由于它对人体健康的严重危害，而PM2.5的科学有效治理离不开及时精确的高分辨率监测。PM2.5质量浓度的快速准确检测是一个具有现实意义而又面临重大挑战的课题。光散射方法测量颗粒物这一技术从诞生以来就受到了产业界和学界的广泛关注，受颗粒粒径、折射率、成分等多重因素的复合影响，利用光散射方法测量颗粒物质量浓度的精度一直无法保证，相关的研究一度陷入停滞。
　　总的来说，光散射技术测量颗粒物质量浓度的研究存在三个方面的不足:在测量方案的设计方面，颗粒物信息的获取不够全面，单个角度的散射光无法有效辨识颗粒物各项参数的变化;在测量理论方面，没有完整的理论分析来针对不同的精度需求提供简洁适用的信号处理方案;在应对气象参数影响方面，没有通过颗粒散射光自身来校正测量结果的方案，导致仪器的复杂和低效。
　　针对以上三个问题，本文设计并研制一款新型的多角度光散射颗粒物浓度检测仪，在更全面地获取颗粒信息的基础上提出多种信号处理方案，同时通过颗粒散射光的变化来校正气象参数对颗粒物浓度检测结果的影响。
　　全文的研究内容及创新总结如下:
　　(1)深入剖析光散射方法的理论基础，从Mie散射理论出发，构建不同采光角和立体角时颗粒粒径与散射光的关系，创造性地选取40°、55°、140°三个角度用于设计多角度光散射颗粒物质量浓度传感器。这三个角度的光探测器分别用于收集颗粒物的折射率实部、折射率虚部以及颗粒形状信息。利用计算机辅助设计技术、3D打印技术、微弱信号检测技术制造了一台新型的多角度光散射颗粒物质量浓度传感器样机，随后在此基础上搭建了一套颗粒物质量浓度检测系统。
　　(2)研究了颗粒物折射率、粒径与散射光通量之间的关系，提出三种基于多角度光散射颗粒传感器的信号处理及数据融合方案。
　　基于真有效值检测的方案减少了大颗粒对传感器检测精度的影响，具有结构简单、性能优良、价格低廉等特点;通过结合夫琅禾费衍射和瑞利散射，提出一种简化的颗粒物传感器测量模型并对模型参数进行优化，该测量模型能够极大提高单角度光散射式颗粒物传感器的检测性能;根据三个角度采集颗粒信息的差异，提出一种基于多角度光散射颗粒物浓度传感器的数据融合模型，通过融合不同角度光探测器的信息而得到优于单个角度光探测器的颗粒物浓度值，具有数据融合模型简洁、性能优异等特点。三种信号处理方案满足了检测精度的不同需求。
　　(3)不同于常规地使用气象传感器或者除湿设备来修正或者减小相对湿度等气象参数对光散射式颗粒物浓度传感器检测结果的影响，提出一种利用两个前向角度光通量的比值作为气象因子来校正传感器检测结果的方法。在理论分析的基础上，通过对比实验验证了该校正方法的可行性和有效性。该方法具有可靠性高、易于实现等特点，能够有效应对外界气象参数尤其是相对湿度对颗粒物传感器测量结果的影响。
　　(4)在分析国内外研究学者工作的基础上，针对室内颗粒物成分变化剧烈，校正测量结果困难的状况，提出一种利用两个角度光通量比值来获取颗粒物质量中值直径，随后根据质量中值直径来对颗粒物进行初步分类并校正颗粒物浓度值的方法。通过扫描电镜观察并用多角度颗粒物浓度测量仪测量不同类型的室内颗粒物，验证了该方案的可行性。该方案拓展了多角度光散射式颗粒物浓度传感器的功能和使用范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 PM2．5 的研究背景

1．1．2 PM2．5 检测技术

1．1．3 空气质量监测网中的PM2．5

1．1．4 生产PM2．5 检测仪的主要企业与相关仪器

1．2 国内外研究进展

1．2．1 测量颗粒物浓度的技术路线

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 本文主要思路和结构

1．3．1 研究思路

1．3．2 主要内容

第二章 多角度颗粒物浓度检测传感器样机和实验平台设计

2．1 引言

2．2 光散射技术的理论基础

2．2．1 光与颗粒的相互作用

2．2．2 Mie散射理论

2．2．3 Rayleigh散射理论

2．2．4 Rayleigh-Debye-Gans散射理论

2．2．5 Fraunhofer衍射理论

2．3 多角度颗粒传感器结构设计仿真

2．3．1 颗粒仿真程序及软件

2．3．2 光探测器的采光角和立体角的确定

2．3．3 光探测器的数量及布设位置的确定

2．4 多角度光散射颗粒传感器的设计与制造

2．4．1 光源的选型

2．4．2 光探测器的选型

2．4．3 颗粒传感器壳体的设计与制造

2．4．4 颗粒传感器信号调理电路的设计与制造

2．4．5 供电电路的设计

2．5 基于多角度颗粒传感器的颗粒检测系统的的搭建

2．6 本章小结

第三章 多角度光散射颗粒物传感器的信号处理及数据融合

3．1 引言

3．2 基于真有效值检测的颗粒物质量浓度传感器

3．2．1 基于真有效值检测的信号处理流程

3．2．2 基于真有效值检测的原理

3．2．3 基于真有效值检测的性能

3．2．4 基于真有效值检测的结论

3．3 角散射式颗粒物浓度传感器测量模型的参数优化

3．3．1 测量模型的参数优化原理

3．3．2 测量模型的参数优化结果

3．3．3 测量模型参数优化的现场实验与讨论

3．3．4 测量模型的参数优化结论

3．4 多角度光散射颗粒物浓度传感器的数据融合

3．4．1 数据融合原理

3．4．2 数据融合仿真研究

3．4．3 数据融合实验验证及分析

3．4．4 数据融合结论

3．5 本章小结

第四章 基于多角度光散射信号修正气象参数对颗粒浓度仪检测结果的影响

4．1 引言

4．2 研究的意义

4．3 基于多角度光散射方法校正气象参数影响的原理

4．4 基于多角度光散射方法校正气象参数影响的实验验证

4．5 本章小结

第五章 基于光通量比值的室内颗粒物分类和浓度检测方法

5．1 引言

5．2 室内PM2．5 颗粒物分类和校正的原理

5．3 不同室内颗粒粒径及形态分析

5．3．1 室内颗粒粒径及形态分析方法

5．3．2 室内颗粒形态分析结果

5．4 检测不同类型室内颗粒的实验研究

5．4．1 实验地点及方法

5．4．2 实验结果与数据分析

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间主要研究成果

三、参加的主要科研项目