关于基于Mie散射低浓度烟尘检测系统的设计.doc
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1、关于基于Mie散射低浓度烟尘检测系统的设计0 引言燃煤电厂发电过程中会产生大量的烟尘颗粒物,经过滤除尘后烟尘颗粒物的浓度低、粒径小,在空气中漂浮的时间长1,通过呼吸进入人体内,会对人的健康造成很大伤害,也会对无尘度要求较高的工业生产造成不良影响2。因此,设计一款性能稳定、能够实时监测低浓度烟尘的系统具有重要意义。系统以Mie散射为理论基础,它表述了光在微小颗粒物表面发生散射的规律3。相比较其他原理的测量方法,基于光散射法的检测设备具有自动化程度高、仪器体积小、可以直接获得测量结果等优点4,本文结合激光调制、微弱信号处理以及嵌入式等技术,设计了一款能够在线测量的低浓度烟尘检测系统。1 Mie散射
2、检测原理经过滤除尘后,烟尘粒径多数集中在0.210 m之间,形状多为球体5。此时粒子粒径远远小于粒子间的距离,这样就可以忽略粒子间的散射,把待测区的散射光强看成一个整体6,符合Rosin-Rammler分布,其分布函数为:式中x和N是描述烟尘粒子分布的特征参数,x表示为粒径大于x的粒子数占粒子体积的36.8%,N大小反映了粒子粒径的分布程度;N越大表示粒子粒径越集中7;d为粒子直径,T是分布函数,其导数的意义表示粒径为d的烟尘颗粒在整个烟尘颗粒群中的比例,公式为:若待测区的体积为V,烟尘质量浓度为A mg/m3,密度为,烟尘颗粒总体积为V烟尘,则关系式如下:对于确定的烟尘排放源,中的各参数为已
3、知量,则可由式(6)得出总散射光强I总与烟尘浓度A为一次线性关系,这也是本检测系统的理论依据。2 系统设计方案本系统主要由四部分组成:激光发射单元、信号接收单元、STM32数据处理单元以及上位机软件。激光器在调制信号驱动下发出调制激光,通过扩束镜照射到待测烟尘区发生散射,散射光通过聚光镜汇集到光电探测器转换为电信号,电信号经过放大滤波、A/D转换进入STM32处理单元进行数据处理,最后通过串口送入上位机进行实时显示并存储。系统设计方案如图1所示。2.1 激光发射单元激光发射单元主要包括:LD激光器、基准电压源电路、信号调制电路、激光器电流驱动电路。系统选用波长为650 nm的LD激光器作为激光
4、光源,此时激光波长和烟尘粒径大小为同一数量级,满足Mie散射的理论要求8。基准源选用LM399高精度基准电压源9,基准电压为6.95 V,通过电位器分压和低通滤波器消噪,获得3 V直流偏置电压。信号调制选用高频精密函数信号发生器MAX038,产生200 Hz频率的正弦信号10,经滤波后输出2 V调制电压。电路中的AR1和AR2为LM393电压跟随器,用于提高电路的输入阻抗以及防止前后级的互相影响。直流偏置电压Vb和信号调制电压Vm通过低噪声、零漂移的OPA188运放芯片叠加,产生5 V激光调制电压信号。恒流源电路是由运放AR4和AR5组成的负反馈电路,电路中利用NPN型三极管的电流放大特性进行
5、扩流输出,最终获得40 mA激光驱动电流。驱动电路如图2所示。2.2 信号接收单元信号接收单元主要包括:光电探测器、I-V转换放大电路、滤波电路。系统选用型号为S1787-12高速响应硅光电二极管(PIN)作为探测器,在波长为650 nm时感光灵敏度可达最高值0.4 A/W。经过光电探测器转换的电信号十分微弱,对此信号的处理不能只是简单地放大,而是在放大有用信号的同时能够具备抑制噪声的能力。前置I-V转换电路的设计是为了方便对检测信号进行处理,但转换中会产生一定的噪声和偏置电流,可能导致后续放大电路产生误差,为了消除这种影响,电路采用T型反馈网络,转换芯片选用高精度OPA277运算放大器。微弱
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