中国计量学院硕士学位论文
对较好。具有吸收系数为非零的颗粒与吸收系数为零的颗粒相比较，在颗粒直径相同的情况下，吸收系数为非零的颗粒光通量较大。同时随着颗粒物相对折射率m值的增加，F-D曲线的斜率相应的会增大。
2.4 本章小结
本章介绍了Mie散射理论，并且在此基础上通过编写MATLAB程序，研究无因次参数x和相对折射率m对光强分布的影响。然后推导出单球形颗粒的光通量计算公式。并且通过建模将不同形状的颗粒通过光通量直径D的方式统一成等效光通量直径的形式，从而推导出颗粒物质量浓度与光通量大小成线性关系的理论基础。在上述工作基础上，编写MATLAB程序对采光中心角，采光立体角以及相对折射率进行仿真。
18
中国计量学院硕士学位论文
3 颗粒物传感器的结构设计
颗粒物浓度传感器的结构设计包括传感器的光学结构设计、传感器的装配两部分。这两部分的主要依据上一章的仿真结果和相关的文献参考资料，从而确定传感器的各型参数。
3.1 颗粒物浓度传感器的光学结构设计
颗粒物浓度传感器的光学结构主要由光源发射系统，散射光接收系统，气路系统以及光电式传感器光电探测器组成。其中光源发射系统包括红外发射光源，光阑，发射透镜；对应的光源接收系统包括接收透镜，光陷阱以及光电接收二极管。
图3.1 颗粒物浓度传感器的结构示意图
3.1.1 光源和透镜的选择
最初研究人员采用白炽灯发射的白光作为散射光的发光源，由于当时的技
术条件限制，白光发光的强度不稳定，光谱很宽，并且不易于调制。20世纪中期以来，随着半导体技术的发展，红外发光二极管的发射光谱很窄，发射的光强度稳定，发射光的定向性较好。更重要的，它具备二级管易于调制的特点，发射功率不高，能够通过控制器进行控制调制频率。
综合上述，如图3.2所示本文采用夏普公司生产的红外发光二极管GL480，其发射中心波长950nm，波长在940nm-960nm之间，发射光强度在 80%以上。
19
中国计量学院硕士学位论文
因此具有较窄的发射光谱。侧面发光，这是此发光二极管的另一重要优点，从SHARP公司提供技术支持资料可知，其发光角度集中在正负10°之间，具有较好的单向性。同时其价格较低，性价比高。聚焦透镜选择根据采光立体角的大小，光敏区，聚焦透镜以及光电二级管之间的距离确定透镜曲率和大小。
图3.2 GL480红外发光二极管 图3.3 聚焦透镜
3.1.2 光阑组设计
光阑组主要作用为限制红外光以外的杂光进入光敏区中。此外，红外发光二极管发出的红外光有小部分有一定发散角度，光阑还能够去除小部分发散的红外光，经过光阑之后红外光有较好的平行性[21]。如图3.4光阑组主要分为第一光阑、第二光阑、第三光阑，其中红外光从第一光阑进入，杂光和非平行红外光被第一次衰减，然后射向第二光阑后被第二次衰减。安装于透镜卡槽中的透镜将经过衰减红外光聚焦于光敏区。
第一光阑 第三光阑 透镜卡槽 第二光阑
图3.4 光阑的三维立体图
3.1.3 采光中心角大小选取
现有的光散射测量仪器主要分为前向角散射、侧向角散射和后向角散射三种方法。首先进行三种方法的比较，如图2.3所示的无因次参数x与光强分布之间的关系，MATLAB仿真结果表明当无因次参数x在小于1时，散射光强分布
20
中国计量学院硕士学位论文
呈现出前向角和后向角近似对称分布，随着无因次参数x值的增大，散射光强趋势性的向前向角集中，当x值达到10时，散射光强基本集中于30°以内。
为此，可得出的结论是：前向角散射相对于侧向角散射和后向角散射它所能探测的范围粒径范围更大。而侧向角散射和后相角散射主要探测的是无因次参数x小于1的颗粒。采用前向角散射会增大粒径探测范围之后，同时它所带来的问题是从红外光源中产生的杂散光会增加其背景噪声干扰的基底值。本文探测的颗粒群目标尺寸在0.1-10um之间。而采用的光源波长为950nm。为此，本文采用采光中心角小于90°的前向角散射方法测量。
如图2.6采光中心角与F-D曲线之间的关系图，当采光中心角Φ从30°到90°变化时，MATLAB仿真结果表明当Φ在45°到90°时，F-D之间具有较好的单调性。为增大探测范围需要尽可能小的减少探测角度，为能够较好地体现F-D之间的单调性，需要尽可能的增大探测角度，这里根据MATLAB仿真结果取折中方案采光中心角取为45°。 3.1.4 采光立体角大小选取
前向角光散射收集系统能够比较好的拓展探测粒径范围大小。本文的前向角收集系统主要由聚焦透镜、光阑组和光电二极管组成。采光立体角的大小由聚焦透镜的曲率大小、光敏区、光电二级管三者之间的空间相对位置所决定的。其中为降低成本，上述聚焦透镜为标准采购元件，曲率为标准曲率。所以实际设计采光立体角大小时，主要通过调整光敏区、聚焦透镜、光电二极管三者之间的距离从而确定采光立体角大小。采光立体角大小主要有以下三个要求：一、增大探测器光通量收集量，从而确保探测颗粒粒径的尺寸最小。二、提高颗粒物质量浓度的探测范围。三、最低探测浓度值。
如图2.7所示MATLAB采光立体角与F-D之间关系仿真图，随着采光立体角?增大，F-D的斜率也随之增大。由此可知当采光立体角不变的情况下，增大采光立体角?，可以减少颗粒的探测最小粒径。同时为提高最大颗粒浓度的探测范围，只有降低相对应的每个颗粒的光通量值，为此需要减少采光立体角?大小。然而为获得最低探测浓度值的大小，又需要增大采光立体角。本文需要的探测粒径范围为0.1um到10um值之间，考虑到国外成熟产品所选的?值和传感器尺寸的限制，探测器的?值得大小取25°到35°之间，这里取值为30°。
21
中国计量学院硕士学位论文
3.1.5 光陷阱
光陷阱的主要作用是从红外光源发射的光束经过光阑之后，一部分在光敏区与颗粒物发生散射，另一部分没有发生散射的红外光透过颗粒群之后，需要经过一个能够将剩余的红外光吸收的结构。为此需要设置一个光陷阱。光陷阱的主要原理是通过增大反射次数和采用吸光材料黑色POM材料。其工作原理如图3.5所示，入射光线经过B1、B2、B3、C1、C2之后反射回来。在每个反射点之后光强都会被大幅度的衰减。由图3.5可知、经过的衰减反射点越多，光陷阱的效果越好。
CC2B3C1BB2A出射光线B1入射光线 图3.5 光陷阱示意图
3.1.6 光敏区大小选取
光敏区是发生颗粒散射的主要区域。光敏区的位置为红外光源光束前进方向上，红外光束、光敏区和光陷阱位于一条直线上，这样子决定光敏区是相对开放腔体，它连通进气管、出气管。光敏区大小主要取决于选取的进气管和出气管大小以及红外光源光束的大小。
本文探测的出气进气管(近光敏区端)直径为9mm，光源的光束宽度为8mm。为此光敏区是以进气管为中心的圆形区域。考虑到当气泵以5L/min的速率将包含颗粒群的气体流送入通过光敏区时，由于流体颗粒群从一个周围受约束的管道，进入相对开放的空间，颗粒会产生扩散现象[22?24]。扩散现象会导致颗粒的浓度降低和气体流絮乱。为此，如图3.6所示的流体颗粒群在进入光敏区时，先通过略窄的进气管，这样子颗粒群的密度会略有提高。然后进入光敏区，流体颗粒群发生扩散现象，然后浓度会略有下降。本文把这个过程命名为“预失真”，这样子只能相当程度解决扩散问题。在文献中为解决这个问题，最好采用“清洁空气保护靴”。进气管分为内管和外管，内管为颗粒群流体，外管为清洁空气流体，外管比内管的气体流速率快10%。当它们通过光敏区时，外面气体流
22