图清单
图 1.1 空气中PM2.5颗粒物对人体危害 ........................................................ 1 图 1.2 DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪 ....................................... 3 图 2.1 单球形颗粒的光散射图 ........................................................................ 7 图 2.2 MATLAB的数值计算流程图 ............................................................. 10 图 2.3 无因次参数值x对单球形颗粒散射光强度分布的影响图 ............... 11 图 2.4 颗粒相对折射率m对散射光强的影响 .............................................. 12 图 2.5 光散射法测量颗粒物质量浓度的光路图 .......................................... 13 图 2.6 采光中心角与F-D关系的曲线仿真图 .............................................. 16 图 2.7 采光立体角与F-D关系的曲线仿真图 .............................................. 17 图 2.8 颗粒相对于周围介质的折射率m与F-D曲线之间关系 ................. 17 图 3.1 颗粒物浓度传感器的结构示意图 ...................................................... 19 图 3.2 GL480红外发光二极管 ...................................................................... 20 图 3.3 聚焦透镜 .............................................................................................. 20 图 3.4 光阑的三维立体图 .............................................................................. 20 图 3.5 光陷阱示意图 ...................................................................................... 22 图 3.6 进气管工作原理示意图 ...................................................................... 23 图 3.7 装配后传感器结构实物图 .................................................................. 24 图 3.8 传感器结构的三维爆炸图 .................................................................. 23 图 4.1 硬件电路框图 ...................................................................................... 26 图 4.2 锁相放大器实物图 .............................................................................. 27 图 4.3 锁相放大器建模方框图 ...................................................................... 28 图 4.4 前置放大电路图 .................................................................................. 29 图 4.5 二阶多重反馈型滤波器 ...................................................................... 30 图 4.6 二阶带通滤波器幅频特性 .................................................................. 30 图 4.7 方波乘法器电路图 .............................................................................. 31 图 4.8 方波乘法器输出波形图 ...................................................................... 32 图 4.9 锁相环建模方框图 .............................................................................. 32 图 4.10 74HC4046的CMOS简化方框图..................................................... 33 图 4.11 控制电压和震荡频率特性 ................................................................. 34 图 4.12 鉴相器、压控振荡器与分频器的幅频特性 .................................... 35 图 4.13 鉴相器、压控振荡器与分频器的相频特性 .................................... 35 图 4.14 超前滞后滤波器的相频特性图 ........................................................ 36 图 4.15 滞后滤波器的相频特性图 ................................................................ 36 图 4.16 使用滞后滤波器闭环PLL幅频特性仿真图 ................................... 37 图 4.17 使用超前滞后滤波器闭环PLL幅频特性仿真图 ........................... 37 图 4.18 PNP管的光源调制电路 .................................................................... 38 图 4.19 光耦隔离电路 .................................................................................... 39
VIII
图 4.20 控制器实物图 .................................................................................... 39 图 4.21 STM32103RBT6微处理器 ............................................................... 40 图 4.22 调零电路设计 .................................................................................... 41 图 4.23 存储电路设计 .................................................................................... 41 图 4.24 触摸屏电路接口 ................................................................................ 42 图 5.1 STM32控制器软件流程框图 ............................................................. 43 图 5.2 上位机软件流程框图 .......................................................................... 44 图 5.3 上位机主界面 ...................................................................................... 45 图 5.4 数据采集模块程序框图 ...................................................................... 45 图 5.5 数据显示模块程序框图 ...................................................................... 46 图 5.6 数据存储模块程序框图 ...................................................................... 46 图 6.1 蚊香颗粒粒径分布图 .......................................................................... 48 图 6.2 颗粒物浓度检测装置图 ...................................................................... 49 图 6.3 蚊香的长度与标准仪器TSI8532所测得质量浓度之间的关系 ...... 50 图 6.4 传感器的零点值和温度之间对应关系 .............................................. 52 图 6.5 补偿之后的零点值和温度之间对应关系 .......................................... 53 图 6.6 第一次传感器信号输出值 .................................................................. 55 图 6.7 第一次线性区拟合曲线 ...................................................................... 56 图 6.8 第一次非线性区拟合曲线 .................................................................. 56 图 6.9 第二次传感器信号输出值 .................................................................. 57 图 6.10 第二次线性区拟合曲线 .................................................................... 58 图 6.11 传感器所测颗粒物质量浓度的绝对误差分布曲线 ......................... 59 图 6.12 传感器所测颗粒物质量浓度的相对误差分布曲线 ........................ 60
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表清单
表 1.1 国外先进光散射法颗粒质量浓度检测仪 ........................................... 4 表 6.1 蚊香长度与标准仪器TSI所测质量浓度之间的关系 ..................... 49 表 6.2 传感器零点值和温度之间对应关系表 ............................................. 51 表 6.3 补偿之后零点值和温度之间对应关系 ............................................. 52 表 6.4 第一次传感器信号输出值 ................................................................. 54 表 6.5 重复性测试数据 ................................................................................. 61
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中国计量学院硕士学位论文
1 绪论
1.1 引言
随着我国工业化进程日益推进，环境中污染物对人们健康威胁越来越成为困扰我国经济社会发展的重大问题。其中环境中颗粒物污染是比较重要的国际污染指标。特别是在我国煤燃烧比重还是很高的现实境况下，燃烧煤所排放颗粒物。为此，检测空气和特定环境中颗粒物浓度成为现在研究的重点之一。
空气中颗粒是一种体积微小并且能够悬浮于空气的固体颗粒或者液体颗粒。由很多颗粒在空间中按一定规律分布的颗粒群称为颗粒系。颗粒既可以是在天然条件下形成的，也可以是在工业生产生活中排放产生的。对于现代人们来说，工业生产和人类活动中产生的颗粒物排放是最主要的来源。其中汽车尾气排放的占有相当大的比重，特别是在城市中，汽车尾气污染已经成为城市最重要的污染源。随着汽车尾气排放控制技术的发展，颗粒物排放的数量增加得到一定程度地遏制[1?2]。如图1.1所示空气中PM2.5颗粒物对人体危害。
图1.1 空气中PM2.5颗粒物对人体危害
颗粒物种类可按照浓度范围分为：第一类，0.01um-1um为呼吸性尘埃；第二类，0.01um-10um为飘尘；第三类，10um-100um为降尘[3]。颗粒物直径当小于2.5um，对人体的危害最大，当吸入人体之后这些颗粒物很可能会沉积于人体的肺部之中，并以气体交换方式进入毛细血管。同时大气尘埃是多种污染物的载体，它包含有多种有机化合物、金属化合物以及硝酸盐。
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中国计量学院硕士学位论文
1.2 空气中颗粒物质量浓度的测量方法
空气中颗粒物质量浓度定义为在空气中单位体积内所包含的颗粒物质量大小。测量方法一般分为以下两种方法：一种是在单位体积内测定空气中颗粒物数目的多少；另一种是在单位体积重测量颗粒的质量大小；其中目前广泛采用第二种方法。
现有的颗粒物质量浓度测定技术方法[4?7]主要分为以下几种：
一、滤膜称重法颗粒物质量浓度检测方法。当一定体积V颗粒物气体流持续通过已知重量待测滤膜M1时，颗粒物附着于待测滤膜M2上，通过测量滤膜前后的质量差M2-M1，然后除以采集的空气体积V，从而得到空气中颗粒物的质量浓度g。
二、?射线吸收法。当恒定强度的?射线照射向待测颗粒物群，颗粒物群对?射线会有一定程度的衰减，并且射线的吸收量和颗粒物质量浓度成正比。通过对比?射线的吸收量大小即可确定颗粒物质量浓度的大小。
三、超声波法。即将超声波通过被测的颗粒物浓度之后，超声波会有一定程度地衰减来确定颗粒物浓度的大小。
四、压电晶体振荡法。主要工作原理为当颗粒物流体群以恒定速率通过由高压放电针头和压电晶体构成的静电发生器，针头放电之后，颗粒物会附着于压电晶体的表面。附着于压电晶体表面的颗粒物质量浓度大小变化会导致压电晶体振荡频率发生相应改变。通过频率计数的方法从而确定颗粒物质量浓度大小。
五、光散射法。主要分为颗粒计数法和颗粒群光散射法。颗粒计数法，主要指单颗粒通过传感器的光敏区时，产生相应光脉冲，光脉冲的大小对应于颗粒直径大小，光脉冲数目对应于颗粒物数目的大小，通过统计总的光脉冲，从而计算出质量浓度的大小[8?10]。颗粒群光散射法，它的基本原理是通过光敏区的颗粒群质量浓度与光通量探测器的光通量平均值成线性关系，通过检测光通量探测器的光通量大小确定颗粒群质量浓度大小。本文主要研究此颗粒群光散射法，并将其应用于颗粒物检测系统的研究和开发。
1.3 国外先进的颗粒物检测技术
随着颗粒物浓度检测的不断进步，现代颗粒物检测方法正在向瞬时检测，超细微颗粒检测以及在线检测发展。
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