随着工农业的发展,大气中悬浮物的污染越来越严重,极度危害着大气环境质量和人类健康。因此,悬浮物质量浓度的测量在环境保护、工业生产和科学研究等领域有着十分重要的意义^[1]。

目前,国内外对于粉尘质量浓度检测技术的研究越来越重视,经过对悬浮物质量浓度检测技术的多年研究,可将其质量浓度的检测方法分为两大类:非光学分析法和光学分析法。其中非光学分析法主要有黑度法、超声波技术、气敏法、热催化法等;光学分析法主要有光干涉法、差分吸收光谱技术、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术和拉曼散射激光雷达技术等^[2]。非光学分析法已经在这一领域得到了广泛的应用,但由于检测设备响应速度慢,处理复杂,难于对悬浮物浓度进行实时监测,也无法进行遥感监测,其应用范围受到限制。

相比较于非光学分析法,基于光学分析的气体浓度检测技术具有探测灵敏度高、选择性强、可探测的气体种类多、响应速度快等特点,适合现场实时监测,成本较低,必将成为未来悬浮物质量浓度检测的理想工具。光干涉法是利用光的折射率与被测气体的含量来检测气体体积分数,测量环境,如温度、湿度、压力等会对测量结果产生较大影响。差分吸收光谱技术是根据大气中衡量气体成分在紫外和可见光谱波段的特征吸收性质来反演其种类和质量浓度^{[3, 4]}。差分技术可消除大气湍流对信号的影响,不同污染物之间的干扰和湿度、气溶胶的干扰,能够满足连续监测的要求,但是该方法要根据吸收光谱的变化快慢对光谱进行分解,只适用于具有窄带吸收结构的气体,对不同的气体监测需要安装不同的光程和接收装置,操作过于复杂^[5]。可调谐激光二极管激光吸收光谱技术是最近发展起来的一种高灵敏、高分辨率的大气衡量气体吸收光谱检测技术,但是该方法调谐范围有限,限制了可探测的气体种类。拉曼散射激光雷达是根据激光拉曼散射光频率相对于入射光频率发生变化,产生拉曼频移,其频移量取决于大气中的气体成分而实现测量的,该方法的检测精度、线性度和信噪比还有待进一步提高。

为了能够实现对悬浮物的实时探测,使相对误差控制在15%之内,根据悬浮物颗粒对光的散射信息来测量散射颗粒的质量浓度、大小及尺寸分布情况^{[6, 7]},提出一种基于激光差分探测的悬浮物质量浓度测量方法,采用光散射的方法进行差分检测,将单光源分为双光路既可消除检测时光强等的干扰,又避免了使用双光源检测而引入的差异,同时考虑在适当的散射模型中改变激光频率大小来观察测试结果的变化,以改善对悬浮物质量浓度的测量精度。

一束光强为I₀的激光束通过不均匀介质以后,光强会发生散射,使激光传播方向偏离,激光能量衰减^[8]。根据朗伯比尔定律,光强按照下式衰减

在光散射过程中,通常可将烟雾颗粒等效为球形颗粒,且各个颗粒的光散射满足不相关的单散射,N个粒径为D,迎光面积为a的单分散颗粒系,由于光散射和吸收而引起的浊度为

将式(2)代入式(1)后可得

实际情况下,被测颗粒大多不是单分散颗粒系,而是具有一定尺寸分布范围的多分散颗粒系,此时该介质的浊度为

图 1

Fig. 1

图 1 光散射测量原理 Fig. 1 Measurement principle of light scattering

将式(4)代入式(1)后可得

由式(3)或式(5)可知,测得出射光与入射光强度的比值I/I₀后,如果已知入射光波长λ,光程l以及被测烟雾颗粒折射率m(待测烟雾颗粒折射率为1.42,且由于光电探测器在散射角为零的位置进行前向散射的检测,因此可认为折射率为实折射率),就可以得到待测颗粒的尺寸分布函数N(D)和体积分数,体积分数可表示为

根据激光在悬浮物颗粒中传播的散射原理,当光通过不均匀介质以后,光强要发生衰减。当一束单色平行光照射到悬浮物颗粒中并传播一定长度的距离时,由于微粒的散射作用,出射光强会有一定程度的衰减,由朗伯-比尔(Lambert-Beer)光透射定律可得到出射光强与入射光强的关系。

系统总体方案如图 2所示,采用双光路差分探测方法。该悬浮物浓度检测系统包括光源稳定控制模块、半导体激光器、λ/2波片、偏振分束器、反光镜、光电差分探测器、滤波电路、A/D转换模块、单片机等。除探测光光路暴露于测试环境之中,整个悬浮物质量浓度检测装置位于一个密闭腔体之内。半导体激光器用于产生功率稳定的线偏振激光输出。λ/2波片用于调整激光的偏振方向,使之以适当的偏振角入射到偏振分束器上。偏振分束器将偏振光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光,配合λ/2波片,可以得到功率完全相等的两束激光。一束激光作为参考光送入差分探测器的一个光电传感器上,另一束光作为探测光经过待测环境中的悬浮物后照射到差分探测器的另一个光电传感器上^{[9, 10]}。

图 2

Fig. 2

图 2 系统总体方案设计 Fig. 2 The system design

探测光光强经过测试环境中的悬浮物时会发生衰减,与未经过测试环境的参考光光强产生差分信号。光电差分探测器接收到这两路光信号后输出相应电压信号,经过放大、滤波、采样后,获得悬浮物质量浓度的观测数据。

在物质扩散之前,首先对大气环境进行测量,通过调节半波片使差分探测器输出信号为零。再在此基础上将待测物质释放并进行测量,从而可以获得悬浮物的实际质量浓度。

参考光路的作用是补偿大气环境与探测光路参数不对称、温度变化对测量精度的影响。一方面用来作为未衰减光束的参考标准,另一方面可以消除激光器输出功率波动造成的测量误差。

图 3所示的是三运放高共模抑制比光电差分放大电路,经过此电路可将光电转换后得到的两路电压信号进行差分放大,使其达到可检测范围。它由五个集成运算放大器组成,其中AR21、AR22为性能一致(主要指输入阻抗、共模抑制比和增益)的同相输入的通用集成运放器,构成平衡对称差动放大输入级,AR23构成双端输入单端输出的输出级,用来进一步抑制AR21、AR22的共模信号。由于该电路具有高共模抑制比,所以差分电路对温漂具有很强的抑制能力,测量结果准确度较高。电路中光电二极管输出电流约为几毫安,为了便于观测,将光电差分放大电路的放大倍数设定为500倍,其中光电转换模块放大50倍,差分放大模块放大10倍。

图 3

Fig. 3

图 3 光电差分放大电路原理图 Fig. 3 The circuit of photoelectric differential amplifier

在放大电路中带宽是其性能优劣的重要指标之一,本设计需满足包含信号90%能量的带宽。光电转换模块中激光脉冲信号随时间变化的数学表达式为

由于激光器脉宽可调,实验中所采用的调制频率为100 Hz,即激光信号脉冲宽度最小为10 ms,由式(6)可得放大电路带宽应大于89 Hz。光电转换电路中AR21、AR22单位增益带宽为1.6 MHz,为了获得50倍的闭环增益,则运放在理论上可处理矩形脉冲信号的最大频率为1.6 MHz/50=32 kHz。又由于差分放大模块中AR23增益带宽为0.5 MHz,因此放大电路的设计满足带宽限制。

当AR21、AR22性能一致时,输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压相关,而其共模输出、失调及漂移均在R205两端相互抵消,因此电路具有良好的共模抑制能力,同时不要求外部电阻匹配。为了消除AR21、AR22偏置电流等的影响,通常取R201=R2011。另外,本电路还具有增益调节功能,调节R205可以改变增益而不影响电路的对称性。通过Multisim对光电差分放大电路进行仿真,仿真结果如图 4~6所示。

图 4

Fig. 4

图 4 V1out输出信号 Fig. 4 V1out output signal

图 5

Fig. 5

图 5 V2out输出信号 Fig. 5 V2out output signal

图 6

Fig. 6

图 6 差分放大电路输出信号 Fig. 6 Output signal of amplified differential signals

由仿真结果可知V1out处电压脉冲值为76.6 mV,V2out处电压脉冲值为153.1 mV,经过差分放大后输出电压脉冲值为1.515 V,则认为光电差分放大电路可实现对差分光路的探测。

为了便于在示波器中观测并有利于后续电路处理,对半导体激光器的频率进行调制,使其输出方波信号,即利用信号发生器产生的调制信号去改变激光器的振荡参数,从而改变其输出特性。

在待测悬浮物颗粒质量浓度一定的情况下,随着激光光源调制频率的变化,会引起光信号接收装置(光电差分探测器)接收到的光信号改变,从而使光电差分探测器输出的电压信号发生变化。为了得到理想的探测信号,在实验之前,首先需要确定激光光源的调制频率。分析激光光源频率与光电差分探测器输出信号之间关系时,将探测光完全遮挡,通过改变激光光源的输出频率,得到光电差分探测器电压输出信号与频率的关系如图 7所示。

图 7

Fig. 7

图 7 不同激光频率下的输出电信号 Fig. 7 The output electrical signal under different laser frequencies

由图可知,随着激光光源频率的升高,光电差分探测器输出信号会逐渐降低,在0~50 kHz范围内输出信号与光源频率呈线性关系,当激光频率达到50 kHz或者更大时,光电差分探测器输出的电信号发生骤降,因此50 kHz认为是探测器所能检测到激光信号的截止频率。最终实验中选择调制频率为100 Hz。

图 8为BPX65光电二极管光谱响应曲线。BPX65作为光电探测器,具有光谱灵敏度高,响应速度快,频响范围宽的特点。为了获得较高的检测灵敏度,提高检测精度,分别针对405 nm、658 nm、780 nm这三种波长的可调制半导体激光器输出光通过物质后的散射特性做了测试。由于在绝大多数情况下,实验产生烟雾粒度成分及大小与实际测量时的烟雾颗粒成分及大小都是不相同的。不过一些典型应用场合下的烟雾颗粒成分及大小都会表现出共同的特征,因此可针对这些典型应用场合,分别进行标定,并将标定结果预置于测量电路之中。实验时选择对粒径为0.1~2 μm的烟雾粒子进行标定,经过后续检测可得出激光通过烟雾后所显现的共同特征。测试中物质的标准质量浓度由质量浓度标定仪给出。标定仪测量范围为0~500 mg/m³,测量精度为±1%。经过对烟雾质量浓度检测,分别得到了输出电压随质量浓度变化的关系,并对测试结果做了非线性拟合,如图 9所示。

图 8

Fig. 8

图 8 BPX65的响应曲线 Fig. 8 The response curve of BPX65

图 9

Fig. 9

图 9 不同波长下输出电压信号随标准浓度的变化关系拟合曲线 Fig. 9 The fitting curves of output voltage signals with the standard concentration under the different input wavelengths

对图 9分析计算可知,测试点实测值与拟合曲线间的均方误差对于λ=405 nm激光器为37.53%,658 nm为6.45%,780 nm为13.78%。将图 6中三种拟合曲线对标准质量浓度求导,根据求导结果可得到不同光源下的检测灵敏度。对拟合曲线求导后分别得到

将拟合曲线的求导结果进行归一化处理,如图 10所示,直观反映了当光源选用不同波长时,检测系统具有不同的灵敏度。

图 10

Fig. 10

图 10 不同波长对应相同标准浓度时的灵敏度 Fig. 10 Sensitivity corresponding to the same standard concentration under the different input wavelengths

由图 5所示的光电探测器响应曲线可知,BPX65的响应度随着波长增加而升高,当在红外波段时达到峰值。可是在测试过程中,由于探测光路经过悬浮颗粒时会产生散射,并且波长越短,散射越强,对探测光的衰减就越大,从而使得参考光与探测光在光电差分放大后得到的信号灵敏度就会越高。结合BPX65的响应曲线可知最终将在红光波段附近获得最佳响应度。

综上所述,当选用λ=658 nm激光器作为光源时具有较高的测试精度以及灵敏度,因此在测量系统中选用λ=658 nm可调半导体激光器作为光源。

比较标定后激光差分探测系统的输出结果与标定仪器的输出结果,如图 11所示,可以看到在较小质量浓度条件下,两曲线有明显偏离,而标准浓度超过6.95 mg/m³后,实测值与参考值非常接近。对于较小质量浓度条件下的偏离,应是较稀薄质量浓度与较高质量浓度对激光的不同散射规律所致。

图 11

Fig. 11

图 11 标定后实际测试结果与标定仪器测试结果比较 Fig. 11 The actual test results after calibration and the test results of calibrated instrument

其中,实线对应激光差分探测系统标定后的实测拟合结果,圆点对应标定仪器的结果以作参考。标准质量浓度超过6.95 mg/m³之后,激光差分探测系统输出相对于标定探测仪器输出的相对误差,如图 12所示。

图 12

Fig. 12

图 12 悬浮物浓度测试误差 Fig. 12 The test error of suspended matter concentration

由实验结果可知,将粉尘仪测得的质量浓度值作为标准值,由光电差分探测器输出信号计算得到的质量浓度值作为实际测量值,实测质量浓度值与标准质量浓度值的相对误差可维持在12%之内。

因此,经过标定之后,激光差分探测系统可以对超过30 mg/m³的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现相对误差在12%以内的质量浓度测量。

本文提出了一种基于激光差分探测技术的悬浮物质量浓度测量方法。通过对激光在悬浮物颗粒中传播时衰减原理的研究,获取了悬浮物颗粒质量浓度与光强衰减的关系,激光光源频率与响应度的关系以及激光器波长与探测器响应度的关系。通过标准气溶胶质量浓度测试仪对系统进行了标定,并以人工方式产生烟雾为实验媒质使用该系统进行悬浮物质量浓度测量,对超过30 mg/m³的较高质量浓度的烟雾类气溶胶悬浮物实现了相对误差在12%以内的质量浓度测量。经过适当的改进,该测量系统可用于烟雾、粉尘等空气悬浮颗粒含量的实时测量。