基于前向散射的粉尘浓度传感器的研究

姜勇

(重庆川仪软件有限公司,重庆401121)

中国作为产煤大国,随着经济的高速发展,煤矿产业规模的不断扩大升级和煤炭使用量的逐步攀升,粉尘污染越来越严重,所引起的环境问题越来越受到人们的普遍关注[1]。在煤矿生产及以煤为原料的各种生产过程中,生产性粉尘的产生不可避免。生产性粉尘是在生产过程中产生的能够较长时间漂浮在生产环境中的固体颗粒物,是污染环境、损害人体健康的重要职业性因素[2]。当人体吸入粉尘,即对身体健康埋下了隐患,对人体造成极大的伤害。因此,为了减少煤矿粉尘的排放,必须采取正确措施加大粉尘的综合治理,其中至关重要的就是粉尘浓度的精确测量。通过粉尘浓度的精确测量,然后采取有效措施,使粉尘等污染物达到超低排放标准。因此,粉尘浓度传感器的研发,具有非常重要的意义。

1 粉尘的特点及危害

粉尘是一种气溶胶,长时间悬浮在空气中,是在燃烧、合成、分解以及机械加工过程中所产生的气体中的固体颗粒物[3]。粉尘已经成为一种严重影响人类健康的污染物。人们在呼吸时,每次要吸入大约50万个粉尘微粒,微粒越小,悬浮在空气中的时间就越长,进入到人体呼吸系统停留在肺部、气管以及支气管中的概率就越大,危害也越大。据资料介绍,小于0.1 μm的粉尘能在空气中随机运动,进入肺部并附着在肺泡中,还可能被血液吸收;0.1～0.5 μm的粉尘能够深入肺部粘附于肺叶表面的黏液中,可被绒毛清除;大于5 μm的粉尘会在鼻咽部被阻止,不能够进入呼吸道;大于10 μm的粉尘可以排出体外[4]。

2 粉尘浓度测量方法

目前,国内粉尘浓度测量主要有以下几种方法: 滤膜称重法、光散射法和β射线吸收法,后两种方法是将粉尘浓度信号转化成电信号,通过特定算法可以实现粉尘浓度的实时监测[5]。

2.1 滤膜称重法

用粉尘采样器采集待测环境一定体积的空气后,样气中包含的颗粒物逐步沉积至滤膜上,利用分析天平对采样前后滤膜的质量进行称重,质量浓度即滤膜质量差与样气体积的比值,为绝对质量浓度,比较准确,受外界干扰很小。

2.2 β射线吸收法

β射线吸收法是基于β射线通过介质后射线强度会发生衰减的原理,衰减程度取决于介质层的质量和体积,一般不易受颗粒物大小等物理性质的影响,在一定范围内服从指数规律。β射线吸收法是通过内置采样泵把待测环境的空气抽入样气收集管中,样气穿透滤膜时,将颗粒物截留在滤膜上,β射线照射滤膜,射线强度衰减,强度衰减的程度与质量浓度存在一定的比例关系,就可以通过计算衰减程度从而计算得出质量浓度。

2.3 光散射法

光散射法是通过光源发出光束后,照射到待测样气中,部分光束被散射,光电探测器将接收到的散射光信号转换为电信号,由于粉尘浓度与散射光信号之间存在一定的比例关系,通过特定算法能够计算出相应的粉尘浓度,具有测量快速并支持连续测量等优点,被广泛应用到粉尘测量中。根据理论和实践研究表明,光散射可分为弹性光散射和非弹性光散射两大类[5]。当散射光频率与入射光频率相同时,称为弹性散射,如瑞利散射;当散射光频率与入射光频率不同时,称为非弹性散射,如拉曼散射。

每个颗粒物周围光散射强度在空间具有三维特征分布类型,如果颗粒物是各向同性的,则其散射光线分布形式围绕光线入射方向是对称的。散射光线分布形式很大程度上依赖于颗粒物尺寸与入射光波长的比值。通过理论和实践表明,当颗粒物为小微粒时,其直径与光波长相当,向前和向后散射基本相等,呈对称分布,即为瑞利散射;当颗粒物为大颗粒时,其直径大于光波长的0.03倍[4],则散射集中于前向。对于更大的颗粒物,其散射绝大部分集中于后向。

本文重点研究基于前向散射的粉尘浓度传感器。传感器采用激光二极管发光,通过一个非球准直平凸透镜进行准直。当激光准直光线通过粉尘颗粒物时,光会产生散射[6]。颗粒物的散射光方向与入射光方向夹角小于90°称为前向散射,夹角大于90°称为后向散射。该传感器测量的粉尘颗粒的大小一般为0.1～10 μm,入射光波长为650 nm单色激光,适用前向散射理论。对不同的散射需采取不同的处理方法。

3 前向粉尘浓度传感器系统设计

3.1 总体方案

前向散射粉尘浓度传感器系统包括光学单元、气路单元、光电转换与信号处理单元、电源单元等。光学单元由激光光源、光阑、非球面平凸透镜、会聚平凸透镜、光陷阱、光纤头等组成;气路单元由进出气管道、测量气室、抽气泵、样气采集器、前处理系统等组成;光电转换与信号处理单元由光电二极管、前置放大器、主放大器、A/D转换器、数据采集与接口电路等组成。前向散射粉尘浓度传感器结构如图1所示。

图1 前向散射粉尘浓度传感器结构示意

该传感器充分利用前向散射理论,在特定角度上设置了一散射光会聚平凸透镜,并将光纤头置于透镜的焦点位置,收集散射光,然后通过光电转换与信号处理系统,通过计算得到粉尘浓度值。

3.2 关键部件设计

3.2.1 激光二极管

由于激光二极管具有工作性能稳定、结构简单、成本低、微型化、单色性好、发光效率高、适应性广等优势[7],所以大多用于粉尘浓度测量的光源。激光二极管通过调制电路处理发射出一束调制激光。该激光二极管波长典型值为650 nm,功率为7 mW,阈值电流为20 mA,弧矢方向上峰值半宽发散角典型值为9°,子矢方向上峰值半宽发散角典型值为28°。该激光二极管具有良好的温度特性,操作温度范围为-10～70 ℃,存储温度范围为-40～85 ℃,能够满足大多数环境的温度要求。

3.2.2 非球平凸透镜

激光二极管出射光线具有2个发散角且存在像差。一般情况下,子矢方向上峰值半宽发散角为24°～32°,弧矢方向上峰值半宽发散角为5°～12°,这种非对称性严重制约了激光二极管的使用。激光二极管光线呈高斯分布,为了获得均匀性很好的激光光束,通常需要对激光光束进行整形[8]。以前在激光光束整形时,需要对光束进行扩束,然后通过光阑获得均匀分布的激光光束,该方法比较简单,但是会受到光学元件对光束强度的影响,能量损失比较大。因此,国外学者Rieden于20世纪60年代提出一种基于非球面平凸透镜组的激光光束整形方法,非球面平凸透镜可以很好地消除会聚平凸透镜容易产生的像差,该方法不仅可获得均匀分布的光束,而且当激光光束通过光学元件时,能量损失较小,这是目前大量采用的光束整形方法。

该传感器的激光光源采用了一款非球面平凸透镜。当激光二极管被驱动后,光线通过非球面平凸透镜进行准直,产生一束直径约2～3 mm的激光光束。该透镜主要用于激光光形准直,它的直径为6.35 mm,焦距为10 mm,材质为L-BAL42,设计波长为786.5 nm,数值孔径为0.27,净孔径为5.45 mm,中心厚度为3 mm,工作距离为8.26 mm。该透镜具有良好的准直效果,能够解决球面透镜的球差带来光学上的缺陷,修正球面透镜在准直和聚焦系统中所带来的球差。通过调整透镜曲面常数和非球面系数,让远轴光线和近轴光线所形成的焦点位置尽量重合,从而最大限度地消除球差,获得良好的准直光线。

3.2.3 光电转换与信号处理单元

该传感器的光电转换与信号处理单元采用STM32F407VET6芯片,当激光光束与粉尘颗粒物相遇后产生前向散射,由于前向散射光的强度与粉尘浓度存在一定的比例关系,通过采集前向散射光的强度来测量相应的粉尘浓度。将光电二极管安装在某一个特定散射角处,散射光由平凸透镜接收后,经过超高灵敏度光电信号转换和信号放大电路后,送到微处理器进行数字信号处理。散射光信号转变成与颗粒物浓度成正比的电信号,经过特定的算法,输出颗粒物的浓度值。通过检测散射光强度的连续变化,经过实时计算及滤波算法,就可以连续输出粉尘质量浓度的测量信号。该传感器具有灵敏度高,适用于测量超低质量浓度粉尘的环境。

3.2.4 测量气室

该传感器的测量气室采用石英玻璃制成,石英玻璃具有优良的物理和化学性能,被广泛用于光学镜头、光通信等领域[8]。用石英玻璃做成的测量气室,具有较高的光透过性,能够减少前向散射光强度的衰减。由于被测样气长时间处于测量气室中,粉尘颗粒物会在测量气室的管壁上沉积,导致测量精确度下降,零点发生偏移,需要定期清洗测量气室。而普通铝合金材质或者不锈钢做成的测量气室,存在不易清洗的问题,石英玻璃测量气室可很好地解决该问题,并且能够确保清洗前后零点的一致。

4 测试数据

根据该传感器设计方案,某公司试制了1台实验样机。样气经过前处理后通过气管进入到测量气室,由于该气室为石英玻璃制成,具有较高的光透过性,能够减少前向散射光强度的衰减,且方便清洗,便于维护。经过7 d漂移测试,该样机的零点和量程均能够满足设计要求。

4.1 7天零点漂移测试

散射光强是在有粉尘和无粉尘的情况下,光电接收器接收到的能量相对值。7 d零点漂移测试结果如图2所示,通过数据计算分析,散射光强最大为99,最小为79,平均值为89.79。通过计算可知: 零点上漂0.8%,零点下漂-0.9%,漂移在±3%以内,满足设计要求。图2中,纵坐标为散射光强SL,SL为一相对值,通过称重法进行标定。

图2 7 d零点漂移测试结果示意

4.2 7天量程漂移测试

7 d量程漂移测试结果如图3所示,由图3可知,散射光强最大为1 411.01,最小为1 344.77,平均值为1 382.85。所以,量程上漂2.1%,量程下漂-2.7%,漂移在±3%以内,满足设计要求。

图3 7 d量程漂移测试结果示意

5 结束语

该传感器采用前向散射原理对粉尘浓度进行连续实时测量,与前期粉尘浓度测量装置相比更加小型化,操作更简便。随着国内相关部门对环境污染提出了更高的近零排放要求,检出下限也越来越低,高精度、高速度、微型化的粉尘浓度传感器具有广阔的市场前景。