双光路光学粉尘浓度监测系统研究与设计

摘要

粉尘污染问题日益加剧，备受世界各国关注。粉尘不仅对人们的身体健康造成损害，还严重污染着生态环境，制约着经济生产和生态文明的发展，对工农业、交通业等各个产业都有所影响，因而对粉尘浓度的监测在环境保护工作和保护人身安全方面都具有非常重要的意义。
　　在众多的检测方法中，光学检测法以其成本低廉、灵敏度高、操作方便及能连续在线监测等优点，被广泛应用在粉尘浓度监测的研究中。其中透射式光学检测法方法简单，测量周期较短，不会干扰到待测粉尘环境，并且方便实现在线监测。
　　针对大气中粉尘浓度的监测需求，开展了对粉尘颗粒的定量研究工作。基于双光路差分透射法和相关检测原理，建立了一套双光路透射式粉尘浓度探测装置。采用波长650nm的红色激光二极管作为测量光源，光源光强经过调制后由光分束镜一分为二，一路为参考光，另一路为测量光。测量光经光束扩束后经过粉尘样品池透射，被聚焦透镜汇聚收集并由光电二极管转换成电流信号，再经信号处理与相关检测后得到与透射光强成比例的电压信号。参考光经另一路光电转换、处理和相关检测电路得到与参考光强成比例的电压信号。对测量系统的光路和硬件电路设计进行了详细说明，利用烟尘颗粒进行试验，通过标定法结合最小二乘拟合得到烟尘颗粒的消光系数。对标定已知消光系数的烟尘颗粒实现了连续监测，由朗伯—比尔定律计算得出粉尘浓度值，并将计算结果与粉尘浓度检测仪测量结果进行了对比分析，发现两者结果相差5％以内，分析了产生这一误差的因素。
　　研究结果表明，结合相关检测原理的双光路差分监测方法能够准确地获得已知消光系数的粉尘颗粒浓度，可以有效减小杂散光、光源光强波动等因素对测量结果的影响。该测量装置能够实现对工业生产中粉尘浓度进行实时连续监测，为复杂环境粉尘浓度监测提供技术支撑。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 粉尘浓度检测方法

1．3．1 取样法

1．3．2 非取样法

1．4 主要研究内容

1．5 主要章节安排

2 粉尘浓度监测原理简介

2．1 粉尘颗粒的基本特性

2．1．1 颗粒的粒径

2．1．2 颗粒的密度

2．1．3 颗粒的折射率

2．2 粉尘浓度测量原理

2．2．1 辐射传输方程

2．2．2 朗伯-比尔定律

2．3 本章小结

3 系统测量误差产生因素与减小方法

3．1 产生测量误差的因素

3．1．1 光源的波动

3．1．4 光束输入输出窗口染尘

3．2 单光路差分法

3．3 双光路差分法

3．4 相关检测法

3．5 本章小结

4 测量装置总体设计方案

4．1 测量系统总体设计方案

4．2 测量装置中的光路设计

4．2．1 光源

4．2．2 透镜

4．2．3 光阑

4．2．4 分束镜

4．2．5 扩束镜

4．2．6 样品池

4．3 测量光路中的硬件电路设计

4．3．1 光电探测与处理电路

4．3．2 AD630相关检测电路

4．4 本章小结

5 实验及结果分析

5．1 实验准备

5．2 消光系数的标定

5．3 粉尘浓度的测量

5．4 粉尘测量结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介