0 引言

燃煤電廠發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量的煙塵顆粒物，經(jīng)過濾除塵后煙塵顆粒物的濃度低、粒徑小，在空氣中漂浮的時間長[1]，通過呼吸進(jìn)入人體內(nèi)，會對人的健康造成很大傷害，也會對無塵度要求較高的工業(yè)生產(chǎn)造成不良影響[2]。因此，設(shè)計一款性能穩(wěn)定、能夠?qū)崟r監(jiān)測低濃度煙塵的系統(tǒng)具有重要意義。

系統(tǒng)以Mie散射為理論基礎(chǔ)，它表述了光在微小顆粒物表面發(fā)生散射的規(guī)律[3]。相比較其他原理的測量方法，基于光散射法的檢測設(shè)備具有自動化程度高、儀器體積小、可以直接獲得測量結(jié)果等優(yōu)點[4]，本文結(jié)合激光調(diào)制、微弱信號處理以及嵌入式等技術(shù)，設(shè)計了一款能夠在線測量的低濃度煙塵檢測系統(tǒng)。

1 Mie散射檢測原理

經(jīng)過濾除塵后，煙塵粒徑多數(shù)集中在0.2～10 μm之間，形狀多為球體[5]。此時粒子粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粒子間的距離，這樣就可以忽略粒子間的散射，把待測區(qū)的散射光強(qiáng)看成一個整體[6]，符合Rosin-Rammler分布，其分布函數(shù)為：

式中x和N是描述煙塵粒子分布的特征參數(shù)，x表示為粒徑大于x的粒子數(shù)占粒子體積的36.8%，N大小反映了粒子粒徑的分布程度；N越大表示粒子粒徑越集中[7]；d為粒子直徑，T是分布函數(shù)，其導(dǎo)數(shù)的意義表示粒徑為d的煙塵顆粒在整個煙塵顆粒群中的比例，公式為：

若待測區(qū)的體積為V，煙塵質(zhì)量濃度為A mg/m3，密度為ρ，煙塵顆粒總體積為V煙塵，則關(guān)系式如下：

對于確定的煙塵排放源，σ中的各參數(shù)為已知量，則可由式(6)得出總散射光強(qiáng)I總與煙塵濃度A為一次線性關(guān)系，這也是本檢測系統(tǒng)的理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由四部分組成：激光發(fā)射單元、信號接收單元、STM32數(shù)據(jù)處理單元以及上位機(jī)軟件。激光器在調(diào)制信號驅(qū)動下發(fā)出調(diào)制激光，通過擴(kuò)束鏡照射到待測煙塵區(qū)發(fā)生散射，散射光通過聚光鏡匯集到光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入STM32處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過串口送入上位機(jī)進(jìn)行實時顯示并存儲。系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

2.1 激光發(fā)射單元

激光發(fā)射單元主要包括：LD激光器、基準(zhǔn)電壓源電路、信號調(diào)制電路、激光器電流驅(qū)動電路。

系統(tǒng)選用波長為650 nm的LD激光器作為激光光源，此時激光波長和煙塵粒徑大小為同一數(shù)量級，滿足Mie散射的理論要求[8]。基準(zhǔn)源選用LM399高精度基準(zhǔn)電壓源[9]，基準(zhǔn)電壓為6.95 V，通過電位器分壓和低通濾波器消噪，獲得3 V直流偏置電壓。信號調(diào)制選用高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器MAX038，產(chǎn)生200 Hz頻率的正弦信號[10]，經(jīng)濾波后輸出2 V調(diào)制電壓。電路中的AR1和AR2為LM393電壓跟隨器，用于提高電路的輸入阻抗以及防止前后級的互相影響。直流偏置電壓Vb和信號調(diào)制電壓Vm通過低噪聲、零漂移的OPA188運(yùn)放芯片疊加，產(chǎn)生5 V激光調(diào)制電壓信號。恒流源電路是由運(yùn)放AR4和AR5組成的負(fù)反饋電路，電路中利用NPN型三極管的電流放大特性進(jìn)行擴(kuò)流輸出，最終獲得40 mA激光驅(qū)動電流。驅(qū)動電路如圖2所示。

2.2 信號接收單元

信號接收單元主要包括：光電探測器、I-V轉(zhuǎn)換放大電路、濾波電路。

系統(tǒng)選用型號為S1787-12高速響應(yīng)硅光電二極管（PIN）作為探測器，在波長為650 nm時感光靈敏度可達(dá)最高值0.4 A/W。經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換的電信號十分微弱，對此信號的處理不能只是簡單地放大，而是在放大有用信號的同時能夠具備抑制噪聲的能力。前置I-V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計是為了方便對檢測信號進(jìn)行處理，但轉(zhuǎn)換中會產(chǎn)生一定的噪聲和偏置電流，可能導(dǎo)致后續(xù)放大電路產(chǎn)生誤差，為了消除這種影響，電路采用T型反饋網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)換芯片選用高精度OPA277運(yùn)算放大器。微弱信號放大部分，設(shè)計二級放大電路，放大倍數(shù)可達(dá)100×10倍。但實際上放大器本身也存在一定的噪聲，所以放大電路可通過可調(diào)電阻R21根據(jù)實際測量靈敏度來確定最合適的放大倍數(shù)。偏置調(diào)節(jié)的作用是通過減法器給交流信號疊加直流偏移。電路如圖3所示。

濾波電路對提高整個信號檢測單元的信噪比起著決定性的作用，設(shè)計二級二階無限增益多路負(fù)反饋帶通濾波電路，第一級電路中心頻率為202 Hz，第二級電路通過R29調(diào)整為200 Hz，運(yùn)算放大器選用噪聲低、穩(wěn)定性好的AD8039芯片，采用反相接法，反相輸入端的開環(huán)增益無限大，可視為虛地，輸出端由電阻和電容構(gòu)成兩條反饋支路，理論上該電路的品質(zhì)因數(shù)Q可以達(dá)到理想值。電路如圖4所示。

2.3 STM32數(shù)據(jù)處理單元

STM32數(shù)據(jù)處理單元主要包括：STM32F103、供電電路、JTAG程序接口、A/D轉(zhuǎn)換輸入接口、串口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊。

處理器選用的是STM32F103ZET6芯片，此芯片具有高速嵌入式存儲器以及先進(jìn)的通信接口[11]。供電電源選用AX1117-3.3 V芯片；JTAG程序下載接口用于系統(tǒng)硬件仿真及在線調(diào)制功能；串口模塊選用RS232芯片實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信；數(shù)據(jù)存儲模塊選用的是電可擦除存儲芯片F(xiàn)M24C02，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和壓縮，以便后續(xù)分析及處理。結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2.4 上位機(jī)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)上位機(jī)利用LabVIEW軟件開發(fā)，上位機(jī)界面中設(shè)計了數(shù)據(jù)波形與數(shù)值顯示窗口、串口調(diào)試窗口以及數(shù)據(jù)存儲控鍵。顯示界面如圖6所示。

圖中曲線表示未加入煙塵的檢測結(jié)果，為了便于觀察輸入電壓量的變化，縱坐標(biāo)的量程大小設(shè)置為可調(diào)，量程范圍0～3.3 V。

3 實驗結(jié)果

為了驗證低濃度煙塵檢測裝置的靈敏度與準(zhǔn)確性，本文進(jìn)行了靈敏度及曲線標(biāo)定實驗。實驗選用鍋爐燃燒產(chǎn)生的粉煤灰顆粒，實驗環(huán)境為自制的圓柱形模擬煙道，煙道的體積為0.785 m3，可以通過加入不同質(zhì)量的粉煤灰顆粒物求出煙道內(nèi)的粉煤灰濃度，作為標(biāo)準(zhǔn)濃度，利用標(biāo)準(zhǔn)濃度和實際測量值進(jìn)行比較計算誤差。

3.1 靈敏度實驗

安裝實驗裝置，通過煙道頂端小口向內(nèi)散落少量粉煤灰顆粒物，經(jīng)過激光光束時會產(chǎn)生散射，實驗結(jié)果如圖7所示。

從圖中可以看到，當(dāng)粉煤灰經(jīng)過激光光束時，探測器接收電信號會有明顯的變大，隨著粉煤灰的下落，電信號又逐漸恢復(fù)到初始值，說明系統(tǒng)對低濃度粉煤灰顆粒物的后向散射信號敏感性較好，可以用于低濃度煙塵測量。

3.2 曲線標(biāo)定實驗

為了檢驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確性以及驗證光散射產(chǎn)生的模擬電壓量與粉煤灰濃度成一次線性關(guān)系，設(shè)計兩組不同遞增量的測量實驗。粉煤灰質(zhì)量在0～250 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為25 mg，在250～750 mg范圍內(nèi)遞增量設(shè)定為50 mg，每組質(zhì)量測量時間為200 s，每秒記錄一個數(shù)據(jù)，計算200個數(shù)據(jù)的平均值，每次實驗后要對模擬煙道進(jìn)行清理再進(jìn)行下次實驗。實驗結(jié)果如表1所示。

對表1中粉煤灰濃度與輸出電壓平均值進(jìn)行線性擬合，擬合標(biāo)定曲線如圖8所示。從圖中可以看出，粉煤灰濃度與電壓平均值有著明顯的一次線性關(guān)系，設(shè)線性方程為y=kx+b，通過線性最小二乘法計算可得曲線標(biāo)定方程為：

式中，y表示煙塵濃度值(mg/m3)，x表示輸出電壓值(mV)。

首先對表中每組200個測量值計算平均誤差，可得誤差范圍為0.31%~1.26%，變化范圍較小，則系統(tǒng)重復(fù)性良好；再通過標(biāo)定曲線計算測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度之間的誤差為4.42%。產(chǎn)生誤差的主要原因有：(1)人為因素造成，每次測量結(jié)束后清洗過程不仔細(xì)造成顆粒物殘留；(2)每次加入的粉煤灰質(zhì)量一定，但顆粒物粒徑大小是在一定范圍內(nèi)變化的，這樣也會影響輸出的電壓值。

4 結(jié)論

本文以Mie散射理論為基礎(chǔ)，設(shè)計一款可以用于低濃度煙塵檢測的系統(tǒng)。通過實驗驗證了此系統(tǒng)在低濃度情況下有良好的靈敏度和重復(fù)性，利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了上位機(jī)顯示界面，能夠?qū)崟r監(jiān)測煙塵濃度變化。實驗結(jié)果表明：煙塵濃度與輸出電壓量呈明顯的線性關(guān)系，測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的偏差為4.42%，在國際標(biāo)準(zhǔn)誤差規(guī)定的范圍內(nèi)，可以應(yīng)用于燃煤電廠低濃度煙塵排放的測量。