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一、美国Sensor公司的颗粒物检测技术。该公司采用压电振动法开发的SEMTECH QCM颗粒物质量检测仪器，主要用来测试发动机中排放的颗粒物浓度。QCM创新性的将静电沉积技术应用到取样后级系统中，当一定体积空气中的颗粒物附着于晶体表面，这些颗粒物浓度变化会引起晶体震荡频率的改变，通过测试震荡频率从而计算出颗粒物的质量浓度。QCM采样时间短，通常在几十秒内完成整个测量过程，具有很好的实时特性。
二、荷兰Detaki公司的颗粒物检测技术。荷兰Detaki公司研究开发综合利用空气动力学原理开发的低压冲击撞击RIPI质量浓度检测仪。该技术不仅能够测量总的颗粒物质量浓度，而且能够将7nm到10um之间颗粒群分为13个等级，并且按颗粒物直径尺寸，能够对每一级的颗粒物浓度和粒子尺寸进行瞬态测量。测量过程如下：含有颗粒物的空气首先被加热稀释，然后通过静电室后，颗粒物通过静电室放电产生的离子而带电荷，带电颗粒物由于自身尺寸大小而具有不同惯性，在定向流动过程中被13个撞击级收集，根据这13个撞击级电流信号大小测量出每一级中颗粒物质量浓度的大小，并通过计算得到总的颗粒群质量浓度大小。
三、美国TSI公司的颗粒物测试技术。美国TSI粒子技术上是全球公司领导者，TSI公司的产品包括粒径测量仪器、粒子颗粒浓度测量仪器、气溶胶发生器等系列产品，TSI在颗粒物测试技术上得到全球客户的青睐。粒子颗粒浓度测量仪的系列产品，包括DUSTTRAKTM DRX 8530/8532/8533 粉尘浓度监测仪，水基凝聚核粒子计数器以及凝聚核粒子计数器等，其中上述DUSTTRAKTM DRX 8530/8532/8533 粉尘浓度监测仪采用90°光散射法进行测量。如图1.2所示DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪。
图1.2 DUSTTRAKTM DRX系列粉尘浓度监测仪
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首先采用气泵将待测颗粒群吸入光敏区内，激光发射器所发出激光通过消光光阑之后，在光敏区内与颗粒群相遇并发生散射，散射的光被聚焦透镜收集之后，聚焦于光电探测器。通过测量光电探测器的光电流大小，从而颗粒群质量颗浓度的大小。
1.4 光散射法测量颗粒物质量浓度国内外研究现状
光散射法具备测量精度高、在线测试、响应速度快、安全性好、无损检测等众多优点，近些年来在颗粒检测中的应用越来越多。它的物理原理是Mie散射理论，Gustav Mie通过研究标准球形颗粒与光之间的散射现象，从电磁波的Maxwell方程的波动理论出发，研究了在同一均匀介质内不同粒径的球形颗粒光散射物理规律，推导出光散射的数学解析解，从而建立了标准球形颗粒的Mie理论。Bohren C.F.和 Huffillan D.R.综合总结前人的研究成果，发表了关于标球颗粒光散射和吸收规律的一般物理解，从而从理论上全面地阐释了光的各种散射物理规律。基于光散射测量物质浓度测量技术正式基于上述理论的发展而发展起来的，欧洲和美国等国家很早就开始探索利用光散射法测量气溶胶质量浓度，现有产品已经智能化、自校准以及选择测量粒子的浓度和粒径大小，开始向超细颗粒、超高精度发展。
我国在光散射领域的发展较晚，从二十世纪八十年代开始光散射技术应用研究并得到快速发展，并且相继研发出几款气溶胶质量浓度测试仪，并将它们应用于工矿企业的粉尘在线实时监测、空气质量检测、过程控制终端传感器等领域。如表1.1所示具有代表性的国外气溶胶质量浓度检测仪及其主要参数。
表 1.1 国外先进光散射法颗粒质量浓度检测仪
公司：美国TSI
产品：DUSTTRAKTM DRX 8532
90°散射 0.01~150mg/m3 0.01mg/m3 Min D :0.1μm 3.0±5%L/min
公司：美国SKC
参数
产品：HAZ-DUST Ⅳ Particulate Monitor
测量原理 浓度范围 分辨率 粒径范围 采样流量
前向散射 0.01~200mg/m3 0.001mg/m3 0.1um-10um 1.0~3.3L/min
公司：英国CASELLA 产品：Microdust Pro Particulate Monitor 12°~20°前向散射 0.001~2500mg/m3 0.001mg/m3 TSP，PM10，PM2.5
1.0~4.0L/min
国内也有多个厂商生产光散射法颗粒物浓度测量系统，但是在测量方面，
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测量精度以及稳定性方面与国外先进技术差距比较大，为此，本文在光散射法颗粒物质量浓度研究具有较大的研究价值和意义。
1.5 本文主要研究内容
颗粒物污染问题越来越成为人们关注的问题，然而研究如何快速准确检测颗粒物质量浓度已成为研究的热点。传统的滤膜称重法和?射线吸收法等有很多局限性无法满足快速准确的要求。光散射法测量颗粒质量浓度是一种非接触式颗粒物质量浓度检测方法。本文研究内容包括光散射法的理论研究和光学数值仿真研究，传感器的光学结构研究设计，基于锁相放大器的微弱信号放大电路电路设计以及传感器实验结果数据研究和分析等。具体包括以下几部分：
第一章：绪论。本章主要是介绍了本课题的研究背景，现有的各种颗粒物检测技术的现状和发展趋势以及国内外光散射法检测颗粒物质量浓度研究和应用情况。
第二章：光散射颗粒物质量浓度测试理论研究和光学仿真。本章首先介绍了单球形颗粒Mie散射理论。并且通过MATLAB数值仿真对单球形颗粒的散射理论中各个物理参数进行研究和分析。然后通过依次研究分析了无因次参数x和相对于周围介质的相对折射率m对光强分布的影响。之后在单球形颗粒的散射理论基础上推导出单球形颗粒光通量的数值计算公式。在单球形颗粒数值计算公式的基础上对颗粒群光散射的光通量数值计算方法进行建模从而得到质量浓度和光通量数学表达式。最后在上述工作基础上，通过MATLAB光学仿真对采光立体角、采光中心角、颗粒折射率因素对光通量大小的影响进行研究。
第三章：颗粒物浓度检测装置的结构设计。本章主要是秉承第二章的光散射的理论仿真研究，并且在上述仿真的基础上对传感器进行设计和参数整定。主要包括光源和接收光电二极管的型号选择，透镜组选定，光阑结构设计，采光中心角大小的参数整定，采光立体角大小的确定以及光陷阱的设计和光敏区的大小选取等，最后将传感器各个光学结构进行组装。
第四章：基于锁相放大器硬件电路设计。首先对电路的总体结构设计进行介绍，并且对锁相放大器的基本原理进行电路建模。然后根据电路的各个参数要求，分别设计：前置I/V放大电路、四阶巴斯通带通滤波器（中心频率为调制频率），差分放大电路，方波乘法器以及锁相环的解调电路。在完成信号板的设计之后，设计以ARM为核心的控制板，控制板上设有调零电路和RS232通信电路将数据发送到Labview的上位机上。
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第五章：颗粒物质量浓度传感器的软件设计。主要包括STM32底层程序设计和上位机软件设计两部分。STM32底层程序主要完成对颗粒物质量浓度和温度信号的采集。之后通过温度补偿程序和颗粒物质量浓度转换程序完成对采集数据的处理。处理器通过LCD显示屏实时显示浓度数据并将数据发送到上位机。上位机接收到下位机的信号之后对数据进行动态显示和存储。
第六章：实验数据处理和传感器性能研究。首先完成实验装置的组装，完成组装后对颗粒物发生器进行测试，然后对传感器进行温度补偿，在这些工作的基础上，通过标准仪器TSI8532标定和对比分析，求得质量浓度转换系数K,最小测量浓度，最小有效浓度分辨率，最大测量范围，线性度以及在此基础上的绝对误差分析和相对误差分析。
第七章：总结和展望。总结上述章节的工作，指出本课题存在不足之处，然后归纳本课题对此领域研究所做出的贡献。最后对颗粒物质量浓度传感器进行展望。
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2 光散射颗粒物质量浓度测量理论的研究
本章先研究了Mie散射理论并将Mie散射理论应用到颗粒物质量浓度测量领域。在这些工作基础上建立等效光通量散射模型并进行颗粒群散射光通量的研究，然后通过MTALAB仿真研究了各种Mie散射参数对散射光强分布和散射光通量分布影响。
2.1 Mie散射理论
2.1.1 单球形颗粒Mie散射理论
单球形颗粒的散射现象通过图2.1表示，先建立一个坐标系，在上述坐标系中心放置一个球形颗粒， 给定此球形颗粒折射率为m，直径为D，前方有一束强度为I0的单色光平行的照射进来，与上述单球形颗粒相遇并发生散射。这里设定以散射光的方向和入射光的方向为散射面，这里选定P点为观测点，设散射点与观察点之间相距的长度为r,设定散射角大小为θ，设入射光振动面与散射面之间构成的方位角为Φ。
Zrθ球形颗粒入射平面PoφX入射光束Y 图2.1 单球形颗粒的光散射图
根据Mie散射理论[11?14]得到，当入射光I0为自然非偏振光时，单球形颗粒的散射光强表达式为：
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