文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172221
中文引用格式： 孫靈芳，張召鵬. 基于Mie散射低濃度煙塵檢測系統設計[J].電子技術應用，2018，44(1)：72-75.
英文引用格式： Sun Lingfang，Zhang Zhaopeng. The design of low-concentration dust detection system based on Mie scattering theory[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：72-75.
0 引言
燃煤電廠發電過程中會產生大量的煙塵顆粒物，經過濾除塵后煙塵顆粒物的濃度低、粒徑小，在空氣中漂浮的時間長[1]，通過呼吸進入人體內，會對人的健康造成很大傷害，也會對無塵度要求較高的工業生產造成不良影響[2]。因此，設計一款性能穩定、能夠實時監測低濃度煙塵的系統具有重要意義。
系統以Mie散射為理論基礎，它表述了光在微小顆粒物表面發生散射的規律[3]。相比較其他原理的測量方法，基于光散射法的檢測設備具有自動化程度高、儀器體積小、可以直接獲得測量結果等優點[4]，本文結合激光調制、微弱信號處理以及嵌入式等技術，設計了一款能夠在線測量的低濃度煙塵檢測系統。
1 Mie散射檢測原理
經過濾除塵后，煙塵粒徑多數集中在0.2～10 μm之間，形狀多為球體[5]。此時粒子粒徑遠遠小于粒子間的距離，這樣就可以忽略粒子間的散射，把待測區的散射光強看成一個整體[6]，符合Rosin-Rammler分布，其分布函數為：
式中x和N是描述煙塵粒子分布的特征參數，x表示為粒徑大于x的粒子數占粒子體積的36.8%，N大小反映了粒子粒徑的分布程度；N越大表示粒子粒徑越集中[7]；d為粒子直徑，T是分布函數，其導數的意義表示粒徑為d的煙塵顆粒在整個煙塵顆粒群中的比例，公式為：
若待測區的體積為V，煙塵質量濃度為A mg/m3，密度為ρ，煙塵顆?？傮w積為V煙塵，則關系式如下：
對于確定的煙塵排放源，σ中的各參數為已知量，則可由式(6)得出總散射光強I總與煙塵濃度A為一次線性關系，這也是本檢測系統的理論依據。
2 系統設計方案
本系統主要由四部分組成：激光發射單元、信號接收單元、STM32數據處理單元以及上位機軟件。激光器在調制信號驅動下發出調制激光，通過擴束鏡照射到待測煙塵區發生散射，散射光通過聚光鏡匯集到光電探測器轉換為電信號，電信號經過放大濾波、A/D轉換進入STM32處理單元進行數據處理，最后通過串口送入上位機進行實時顯示并存儲。系統設計方案如圖1所示。
2.1 激光發射單元
激光發射單元主要包括：LD激光器、基準電壓源電路、信號調制電路、激光器電流驅動電路。
系統選用波長為650 nm的LD激光器作為激光光源，此時激光波長和煙塵粒徑大小為同一數量級，滿足Mie散射的理論要求[8]?；鶞试催x用LM399高精度基準電壓源[9]，基準電壓為6.95 V，通過電位器分壓和低通濾波器消噪，獲得3 V直流偏置電壓。信號調制選用高頻精密函數信號發生器MAX038，產生200 Hz頻率的正弦信號[10]，經濾波后輸出2 V調制電壓。電路中的AR1和AR2為LM393電壓跟隨器，用于提高電路的輸入阻抗以及防止前后級的互相影響。直流偏置電壓Vb和信號調制電壓Vm通過低噪聲、零漂移的OPA188運放芯片疊加，產生5 V激光調制電壓信號。恒流源電路是由運放AR4和AR5組成的負反饋電路，電路中利用NPN型三極管的電流放大特性進行擴流輸出，最終獲得40 mA激光驅動電流。驅動電路如圖2所示。
2.2 信號接收單元
信號接收單元主要包括：光電探測器、I-V轉換放大電路、濾波電路。
系統選用型號為S1787-12高速響應硅光電二極管（PIN）作為探測器，在波長為650 nm時感光靈敏度可達最高值0.4 A/W。經過光電探測器轉換的電信號十分微弱，對此信號的處理不能只是簡單地放大，而是在放大有用信號的同時能夠具備抑制噪聲的能力。前置I-V轉換電路的設計是為了方便對檢測信號進行處理，但轉換中會產生一定的噪聲和偏置電流，可能導致后續放大電路產生誤差，為了消除這種影響，電路采用T型反饋網絡，轉換芯片選用高精度OPA277運算放大器。微弱信號放大部分，設計二級放大電路，放大倍數可達100×10倍。但實際上放大器本身也存在一定的噪聲，所以放大電路可通過可調電阻R21根據實際測量靈敏度來確定最合適的放大倍數。偏置調節的作用是通過減法器給交流信號疊加直流偏移。電路如圖3所示。
濾波電路對提高整個信號檢測單元的信噪比起著決定性的作用，設計二級二階無限增益多路負反饋帶通濾波電路，第一級電路中心頻率為202 Hz，第二級電路通過R29調整為200 Hz，運算放大器選用噪聲低、穩定性好的AD8039芯片，采用反相接法，反相輸入端的開環增益無限大，可視為虛地，輸出端由電阻和電容構成兩條反饋支路，理論上該電路的品質因數Q可以達到理想值。電路如圖4所示。
2.3 STM32數據處理單元
STM32數據處理單元主要包括：STM32F103、供電電路、JTAG程序接口、A/D轉換輸入接口、串口模塊、數據存儲模塊。
處理器選用的是STM32F103ZET6芯片，此芯片具有高速嵌入式存儲器以及先進的通信接口[11]。供電電源選用AX1117-3.3 V芯片；JTAG程序下載接口用于系統硬件仿真及在線調制功能；串口模塊選用RS232芯片實現單片機與上位機的通信；數據存儲模塊選用的是電可擦除存儲芯片FM24C02，可以實現數據存儲和壓縮，以便后續分析及處理。結構框圖如圖5所示。
2.4 上位機軟件設計
本系統上位機利用LabVIEW軟件開發，上位機界面中設計了數據波形與數值顯示窗口、串口調試窗口以及數據存儲控鍵。顯示界面如圖6所示。
圖中曲線表示未加入煙塵的檢測結果，為了便于觀察輸入電壓量的變化，縱坐標的量程大小設置為可調，量程范圍0～3.3 V。
3 實驗結果
為了驗證低濃度煙塵檢測裝置的靈敏度與準確性，本文進行了靈敏度及曲線標定實驗。實驗選用鍋爐燃燒產生的粉煤灰顆粒，實驗環境為自制的圓柱形模擬煙道，煙道的體積為0.785 m3，可以通過加入不同質量的粉煤灰顆粒物求出煙道內的粉煤灰濃度，作為標準濃度，利用標準濃度和實際測量值進行比較計算誤差。
3.1 靈敏度實驗
安裝實驗裝置，通過煙道頂端小口向內散落少量粉煤灰顆粒物，經過激光光束時會產生散射，實驗結果如圖7所示。
從圖中可以看到，當粉煤灰經過激光光束時，探測器接收電信號會有明顯的變大，隨著粉煤灰的下落，電信號又逐漸恢復到初始值，說明系統對低濃度粉煤灰顆粒物的后向散射信號敏感性較好，可以用于低濃度煙塵測量。
3.2 曲線標定實驗
為了檢驗系統的準確性以及驗證光散射產生的模擬電壓量與粉煤灰濃度成一次線性關系，設計兩組不同遞增量的測量實驗。粉煤灰質量在0～250 mg范圍內遞增量設定為25 mg，在250～750 mg范圍內遞增量設定為50 mg，每組質量測量時間為200 s，每秒記錄一個數據，計算200個數據的平均值，每次實驗后要對模擬煙道進行清理再進行下次實驗。實驗結果如表1所示。
對表1中粉煤灰濃度與輸出電壓平均值進行線性擬合，擬合標定曲線如圖8所示。從圖中可以看出，粉煤灰濃度與電壓平均值有著明顯的一次線性關系，設線性方程為y=kx+b，通過線性最小二乘法計算可得曲線標定方程為：
式中，y表示煙塵濃度值(mg/m3)，x表示輸出電壓值(mV)。
首先對表中每組200個測量值計算平均誤差，可得誤差范圍為0.31%~1.26%，變化范圍較小，則系統重復性良好；再通過標定曲線計算測量濃度與標準濃度之間的誤差為4.42%。產生誤差的主要原因有：(1)人為因素造成，每次測量結束后清洗過程不仔細造成顆粒物殘留；(2)每次加入的粉煤灰質量一定，但顆粒物粒徑大小是在一定范圍內變化的，這樣也會影響輸出的電壓值。
4 結論
本文以Mie散射理論為基礎，設計一款可以用于低濃度煙塵檢測的系統。通過實驗驗證了此系統在低濃度情況下有良好的靈敏度和重復性，利用虛擬儀器技術設計了上位機顯示界面，能夠實時監測煙塵濃度變化。實驗結果表明：煙塵濃度與輸出電壓量呈明顯的線性關系，測量濃度與標準濃度的偏差為4.42%，在國際標準誤差規定的范圍內，可以應用于燃煤電廠低濃度煙塵排放的測量。
參考文獻
[1] 賀晉瑜，燕麗，雷宇，等.我國燃煤電廠顆粒物排放特征[J].環境科學研究，2015，28(2)：862-868.
[2] 梁秀進，陳劍，孟瑩，等.4個典型煤種的可吸入顆粒物排放研究[J].中國電機工程學報，2013，33(30)：117-121.
[3] 張偉，路遠，杜石明，等.球形粒子Mie散射特性分析[J].光學技術，2010，36(6)：936-939.
[4] 葉超，孟睿，葛寶臻.基于光散射的粒子測量方法綜述[J].激光與紅外，2015，45(4)：344-347.
[5] 張軍，鄭成航，張涌新，等.某1000MV燃煤機組超低排放電廠煙氣污染物排放測試及其特性分析[J].中國電機工程學報，2016，36(5)：1310-1314.
[6] 吳玉渠.基于光散射的煙塵濃度檢測裝置及實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013.
[7] GONZALEZ-TELLO P，CAMACHO F，VICARIA J M，et al.A modified Nukiyama–Tanasawa distribution function and a Rosin-Rammler model for the particle-size-distribution analysis[J].Power Technology，2008，186(3)：278-281.
[8] 楊穎，黃竹青，曹小玲.偏振狀態下微粒的Mie散射特性研究[J].激光與紅外，2013，43(12)：1376-1379.
[9] 陳太洪.基于LM399的高精密度穩壓電源[J].工礦自動化，2006，42(3)：42-44.
[10] 黃慶彩，祖靜，裴東興.基于MAX038的函數信號發生器的設計[J].儀器儀表學報，2004，25(4)：321-322.
[11] 王晨輝，吳悅，楊凱.基于STM32的多通道數據采集系統[J].電子技術應用，2016，42(1)：51-53.