基于前向散射的粉塵濃度傳感器的研究

姜勇

(重慶川儀軟件有限公司,重慶401121)

中國作為產煤大國,隨著經濟的高速發展,煤礦產業規模的不斷擴大升級和煤炭使用量的逐步攀升,粉塵污染越來越嚴重,所引起的環境問題越來越受到人們的普遍關注[1]。在煤礦生產及以煤為原料的各種生產過程中,生產性粉塵的產生不可避免。生產性粉塵是在生產過程中產生的能夠較長時間漂浮在生產環境中的固體顆粒物,是污染環境、損害人體健康的重要職業性因素[2]。當人體吸入粉塵,即對身體健康埋下了隱患,對人體造成極大的傷害。因此,為了減少煤礦粉塵的排放,必須采取正確措施加大粉塵的綜合治理,其中至關重要的就是粉塵濃度的精確測量。通過粉塵濃度的精確測量,然后采取有效措施,使粉塵等污染物達到超低排放標準。因此,粉塵濃度傳感器的研發,具有非常重要的意義。

1 粉塵的特點及危害

粉塵是一種氣溶膠,長時間懸浮在空氣中,是在燃燒、合成、分解以及機械加工過程中所產生的氣體中的固體顆粒物[3]。粉塵已經成為一種嚴重影響人類健康的污染物。人們在呼吸時,每次要吸入大約50萬個粉塵微粒,微粒越小,懸浮在空氣中的時間就越長,進入到人體呼吸系統停留在肺部、氣管以及支氣管中的概率就越大,危害也越大。據資料介紹,小于0.1 μm的粉塵能在空氣中隨機運動,進入肺部并附著在肺泡中,還可能被血液吸收;0.1～0.5 μm的粉塵能夠深入肺部粘附于肺葉表面的黏液中,可被絨毛清除;大于5 μm的粉塵會在鼻咽部被阻止,不能夠進入呼吸道;大于10 μm的粉塵可以排出體外[4]。

2 粉塵濃度測量方法

目前,國內粉塵濃度測量主要有以下幾種方法: 濾膜稱重法、光散射法和β射線吸收法,后兩種方法是將粉塵濃度信號轉化成電信號,通過特定算法可以實現粉塵濃度的實時監測[5]。

2.1 濾膜稱重法

用粉塵采樣器采集待測環境一定體積的空氣后,樣氣中包含的顆粒物逐步沉積至濾膜上,利用分析天平對采樣前后濾膜的質量進行稱重,質量濃度即濾膜質量差與樣氣體積的比值,為絕對質量濃度,比較準確,受外界干擾很小。

2.2 β射線吸收法

β射線吸收法是基于β射線通過介質后射線強度會發生衰減的原理,衰減程度取決于介質層的質量和體積,一般不易受顆粒物大小等物理性質的影響,在一定范圍內服從指數規律。β射線吸收法是通過內置采樣泵把待測環境的空氣抽入樣氣收集管中,樣氣穿透濾膜時,將顆粒物截留在濾膜上,β射線照射濾膜,射線強度衰減,強度衰減的程度與質量濃度存在一定的比例關系,就可以通過計算衰減程度從而計算得出質量濃度。

2.3 光散射法

光散射法是通過光源發出光束后,照射到待測樣氣中,部分光束被散射,光電探測器將接收到的散射光信號轉換為電信號,由于粉塵濃度與散射光信號之間存在一定的比例關系,通過特定算法能夠計算出相應的粉塵濃度,具有測量快速并支持連續測量等優點,被廣泛應用到粉塵測量中。根據理論和實踐研究表明,光散射可分為彈性光散射和非彈性光散射兩大類[5]。當散射光頻率與入射光頻率相同時,稱為彈性散射,如瑞利散射;當散射光頻率與入射光頻率不同時,稱為非彈性散射,如拉曼散射。

每個顆粒物周圍光散射強度在空間具有三維特征分布類型,如果顆粒物是各向同性的,則其散射光線分布形式圍繞光線入射方向是對稱的。散射光線分布形式很大程度上依賴于顆粒物尺寸與入射光波長的比值。通過理論和實踐表明,當顆粒物為小微粒時,其直徑與光波長相當,向前和向后散射基本相等,呈對稱分布,即為瑞利散射;當顆粒物為大顆粒時,其直徑大于光波長的0.03倍[4],則散射集中于前向。對于更大的顆粒物,其散射絕大部分集中于后向。

本文重點研究基于前向散射的粉塵濃度傳感器。傳感器采用激光二極管發光,通過一個非球準直平凸透鏡進行準直。當激光準直光線通過粉塵顆粒物時,光會產生散射[6]。顆粒物的散射光方向與入射光方向夾角小于90°稱為前向散射,夾角大于90°稱為后向散射。該傳感器測量的粉塵顆粒的大小一般為0.1～10 μm,入射光波長為650 nm單色激光,適用前向散射理論。對不同的散射需采取不同的處理方法。

3 前向粉塵濃度傳感器系統設計

3.1 總體方案

前向散射粉塵濃度傳感器系統包括光學單元、氣路單元、光電轉換與信號處理單元、電源單元等。光學單元由激光光源、光闌、非球面平凸透鏡、會聚平凸透鏡、光陷阱、光纖頭等組成;氣路單元由進出氣管道、測量氣室、抽氣泵、樣氣采集器、前處理系統等組成;光電轉換與信號處理單元由光電二極管、前置放大器、主放大器、A/D轉換器、數據采集與接口電路等組成。前向散射粉塵濃度傳感器結構如圖1所示。

圖1 前向散射粉塵濃度傳感器結構示意

該傳感器充分利用前向散射理論,在特定角度上設置了一散射光會聚平凸透鏡,并將光纖頭置于透鏡的焦點位置,收集散射光,然后通過光電轉換與信號處理系統,通過計算得到粉塵濃度值。

3.2 關鍵部件設計

3.2.1 激光二極管

由于激光二極管具有工作性能穩定、結構簡單、成本低、微型化、單色性好、發光效率高、適應性廣等優勢[7],所以大多用于粉塵濃度測量的光源。激光二極管通過調制電路處理發射出一束調制激光。該激光二極管波長典型值為650 nm,功率為7 mW,閾值電流為20 mA,弧矢方向上峰值半寬發散角典型值為9°,子矢方向上峰值半寬發散角典型值為28°。該激光二極管具有良好的溫度特性,操作溫度范圍為-10～70 ℃,存儲溫度范圍為-40～85 ℃,能夠滿足大多數環境的溫度要求。

3.2.2 非球平凸透鏡

激光二極管出射光線具有2個發散角且存在像差。一般情況下,子矢方向上峰值半寬發散角為24°～32°,弧矢方向上峰值半寬發散角為5°～12°,這種非對稱性嚴重制約了激光二極管的使用。激光二極管光線呈高斯分布,為了獲得均勻性很好的激光光束,通常需要對激光光束進行整形[8]。以前在激光光束整形時,需要對光束進行擴束,然后通過光闌獲得均勻分布的激光光束,該方法比較簡單,但是會受到光學元件對光束強度的影響,能量損失比較大。因此,國外學者Rieden于20世紀60年代提出一種基于非球面平凸透鏡組的激光光束整形方法,非球面平凸透鏡可以很好地消除會聚平凸透鏡容易產生的像差,該方法不僅可獲得均勻分布的光束,而且當激光光束通過光學元件時,能量損失較小,這是目前大量采用的光束整形方法。

該傳感器的激光光源采用了一款非球面平凸透鏡。當激光二極管被驅動后,光線通過非球面平凸透鏡進行準直,產生一束直徑約2～3 mm的激光光束。該透鏡主要用于激光光形準直,它的直徑為6.35 mm,焦距為10 mm,材質為L-BAL42,設計波長為786.5 nm,數值孔徑為0.27,凈孔徑為5.45 mm,中心厚度為3 mm,工作距離為8.26 mm。該透鏡具有良好的準直效果,能夠解決球面透鏡的球差帶來光學上的缺陷,修正球面透鏡在準直和聚焦系統中所帶來的球差。通過調整透鏡曲面常數和非球面系數,讓遠軸光線和近軸光線所形成的焦點位置盡量重合,從而最大限度地消除球差,獲得良好的準直光線。

3.2.3 光電轉換與信號處理單元

該傳感器的光電轉換與信號處理單元采用STM32F407VET6芯片,當激光光束與粉塵顆粒物相遇后產生前向散射,由于前向散射光的強度與粉塵濃度存在一定的比例關系,通過采集前向散射光的強度來測量相應的粉塵濃度。將光電二極管安裝在某一個特定散射角處,散射光由平凸透鏡接收后,經過超高靈敏度光電信號轉換和信號放大電路后,送到微處理器進行數字信號處理。散射光信號轉變成與顆粒物濃度成正比的電信號,經過特定的算法,輸出顆粒物的濃度值。通過檢測散射光強度的連續變化,經過實時計算及濾波算法,就可以連續輸出粉塵質量濃度的測量信號。該傳感器具有靈敏度高,適用于測量超低質量濃度粉塵的環境。

3.2.4 測量氣室

該傳感器的測量氣室采用石英玻璃制成,石英玻璃具有優良的物理和化學性能,被廣泛用于光學鏡頭、光通信等領域[8]。用石英玻璃做成的測量氣室,具有較高的光透過性,能夠減少前向散射光強度的衰減。由于被測樣氣長時間處于測量氣室中,粉塵顆粒物會在測量氣室的管壁上沉積,導致測量精確度下降,零點發生偏移,需要定期清洗測量氣室。而普通鋁合金材質或者不銹鋼做成的測量氣室,存在不易清洗的問題,石英玻璃測量氣室可很好地解決該問題,并且能夠確保清洗前后零點的一致。

4 測試數據

根據該傳感器設計方案,某公司試制了1臺實驗樣機。樣氣經過前處理后通過氣管進入到測量氣室,由于該氣室為石英玻璃制成,具有較高的光透過性,能夠減少前向散射光強度的衰減,且方便清洗,便于維護。經過7 d漂移測試,該樣機的零點和量程均能夠滿足設計要求。

4.1 7天零點漂移測試

散射光強是在有粉塵和無粉塵的情況下,光電接收器接收到的能量相對值。7 d零點漂移測試結果如圖2所示,通過數據計算分析,散射光強最大為99,最小為79,平均值為89.79。通過計算可知: 零點上漂0.8%,零點下漂-0.9%,漂移在±3%以內,滿足設計要求。圖2中,縱坐標為散射光強SL,SL為一相對值,通過稱重法進行標定。

圖2 7 d零點漂移測試結果示意

4.2 7天量程漂移測試

7 d量程漂移測試結果如圖3所示,由圖3可知,散射光強最大為1 411.01,最小為1 344.77,平均值為1 382.85。所以,量程上漂2.1%,量程下漂-2.7%,漂移在±3%以內,滿足設計要求。

圖3 7 d量程漂移測試結果示意

5 結束語

該傳感器采用前向散射原理對粉塵濃度進行連續實時測量,與前期粉塵濃度測量裝置相比更加小型化,操作更簡便。隨著國內相關部門對環境污染提出了更高的近零排放要求,檢出下限也越來越低,高精度、高速度、微型化的粉塵濃度傳感器具有廣闊的市場前景。