高穩(wěn)定性光散射法顆粒物濃度傳感器

　　摘要我國針對環(huán)境空氣顆粒物污染治理的政策日益嚴格。為解決工業(yè)現(xiàn)場長期測量穩(wěn)定性的問題，國內外研究者提出采用鞘流結構制約顆粒物重疊和光強污染。本文從光腔結構、質量濃度計算方法和氣路結構三方面入手，對傳感器的測量精度和抗污染性進行優(yōu)化。基于光學追跡，對光腔結構進行模擬，以實現(xiàn)散射光的最佳收集效果;通過修正特征參數(shù)，降低傳感器的測量誤差;設計簡易內循環(huán)模式的鞘氣保護結構，降低由顆粒重疊導致的測量誤差并對光腔進行保護;研究以上結構下氣體流速對總塵濃度(TSP)，PMl0和
PM2.5檢測結果的影響，設置最優(yōu)的氣泵流量。實驗結果表明，得到了高穩(wěn)定性的氣溶膠濃度傳感器，可同時測量
TSP、PMl0和
PM2.5質量濃度，測量誤差小于±5%。

　　關鍵詞光散射法;顆粒物濃度傳感器;穩(wěn)定性;鞘氣保護;質量濃度計算方法

　　1引言

　　氣溶膠顆粒物產(chǎn)生于工業(yè)生產(chǎn)、車輛尾氣、臨床應用等各種各樣的環(huán)境，一直是影響產(chǎn)品質量、環(huán)境氣候以及人體健康的重要問題之一[1-2]。近年來，隨著科技高速發(fā)展以及對生活質量的高要求，各省市對空氣中顆粒物的監(jiān)測和治理越來越重視。多地政府要求定期停止土石方工程、黃標車禁行等;2015年，石家莊為應對嚴峻的空氣質量正式頒布揚塵污染綜合整治工作考核辦法;2018年，上海市啟動20182020年環(huán)境保護和建設三年行動計劃實施意見;2020年，濟南市持續(xù)開展揚塵污染綜合整治，制定頒布了整治攻堅工作方案。可見，我國針對環(huán)境空氣顆粒物污染治理的政策日益嚴格。目前顆粒物濃度檢測方法主要有微振蕩天平法、β射線法、稱重法、和光散射法[34]。

　　光散射法利用顆粒物對光產(chǎn)生散射的原理進行檢測，具有檢測速度快、可實時監(jiān)測、測量方便、成本低等優(yōu)點，已經(jīng)成為主要的顆粒物濃度監(jiān)測手段[57]。光散射法分為濁度法和顆粒計數(shù)法[8]：濁度法是根據(jù)檢測腔內所有粒子散射光強度的大小與顆粒濃度之間的關系進行檢測，靈敏度低，并且需要加上物理切割器預先濾除大于PM2或者PM10以上的粒子，才能實現(xiàn)PM2或者PM10的測量;光學顆粒計數(shù)法根據(jù)單個粒子的散射光大小測量粒子的粒徑，從而求出氣體采樣體積內顆粒物的大小和數(shù)量，可同時測量出大氣中TSP，PMl0和PM2.5的濃度。 測量穩(wěn)定性是氣溶膠濃度傳感器的重要指標，粉塵濃度檢定規(guī)程[9]中規(guī)定測量范圍內示值誤差不超過±20%。

　　但是，在高顆粒物濃度的惡劣環(huán)境下，傳感器的測量穩(wěn)定性很容易受到影響。因為空氣中顆粒進入光腔后很容易在光敏區(qū)發(fā)生重疊，使傳感器的檢測精度產(chǎn)生較大誤差;另外，高濃度顆粒物環(huán)境下大量顆粒物進入腔室并很快沉積，從而污染內部光學元件，使傳感器的穩(wěn)定性快速下降而大大縮短壽命。這些因素始終影響著傳感器在工業(yè)現(xiàn)場的長時間穩(wěn)定運行[1012]。為解決這一問題，借鑒液態(tài)物質測量原理，鞘流技術逐漸被用于氣體環(huán)境的顆粒物濃度檢測。

　　美國TSI公司在其專利[1314]中介紹了氣體鞘流器，但只在理論上介紹了鞘流器的作用，沒有詳細描述相關參數(shù)和結構。韓國科學技術院的Hyun團隊[15]從理論上對氣體鞘流器的參數(shù)進行了研究，還沒有應用到具體實例中。在國內，中科院大氣物理研究所的發(fā)明專利[16]公開了一種基于鞘氣繞流原理的氣溶膠粒子束噴射裝置來解決測量誤差。中科院上海光學精密機械研究所的魯晨陽等人[17]基于仿真分析設計了鞘流器，并在外循環(huán)氣路中驗證了該鞘流器對氣流的壓縮效果，但是此氣鞘保護系統(tǒng)獨立于進樣氣路，需要兩個氣泵提供系統(tǒng)動力，不適用于集成度高、低成本的氣溶膠傳感器。

　　隨后，江蘇天瑞公司[18]的劉召貴等人設計了一種單泵支持的內循環(huán)鞘流系統(tǒng)，該系統(tǒng)有多個鞘氣口對稱設置，并通過壓差控制裝置控制壓差解決鞘氣流量不穩(wěn)的問題。在此研究基礎上，本文提出一種高穩(wěn)定性氣溶膠傳感器，同時測量空氣中TSP，PMl0和PM2.5的濃度。通過修正特征參數(shù)，降低傳感器的測量誤差;設計簡易的內循環(huán)模式鞘氣保護結構，研究此結構對測量誤差的影響，以及此結構下氣體流速對TSP，PMl0和PM2.5檢測結果的影響，以期得到高穩(wěn)定性的氣溶膠濃度傳感器。

　　2基本原理

　　2.1粒子計數(shù)器測量系統(tǒng)

　　它由光學傳感模塊和信號采集處理模塊兩部分組成。在光學傳感器中，當單個顆粒通過光敏區(qū)時散射入射光，光電探測器接收散射光轉換成電信號，經(jīng)前置放大、多通道計數(shù)，最終得到顆粒物的電壓脈沖信號分布。扣除測量系統(tǒng)的本底噪聲，得到的電壓脈沖個數(shù)即為顆粒個數(shù)，電壓脈沖幅度則包含顆粒尺寸信息。電壓脈沖的幅度與脈沖數(shù)目之間的關系稱為顆粒物的信號幅度分布，用于計算顆粒物質量濃度。

　　2.2顆粒物質量濃度計算方法

　　顆粒物的質量濃度是指單位體積氣體中所有顆粒的總質量。在利用粒子計數(shù)器測量的信號幅度分布計算顆粒物的質量濃度中，基于Mie散射理論，散射光的電壓脈沖信號個數(shù)為被測顆粒的個數(shù)信息，脈沖信號的幅度分布包含了顆粒物的大小信息。

　　3系統(tǒng)裝置

　　3.1光電傳感設計

　　光電傳感模塊設計，650nm激光經(jīng)聚焦鏡在光敏區(qū)聚焦，當顆粒通過光敏區(qū)時散射入射的激光，只有很小一部分直接被探測器接收。為提高散射光率用率，在90°采光角方向放置一塊球面反射鏡收集散射光，并匯聚到探測器表面。由于散射光強度很弱，反射鏡和探測器之間的微小距離偏差即可對信號強度和集中度產(chǎn)生影響，所以設計過程中考慮到光腔結構加工誤差是必要的。因此，為得到二者之間的距離范圍，本文對該光學腔模塊進行了光學模擬。反射鏡口徑Φ=12.5mm，f=5mm，R=10mm，為增大散射光收集角度，設計采光立體角β=50°，反射鏡內頂點距離光敏區(qū)中心的距離7.4mm。

　　光敏區(qū)產(chǎn)生的部分散射光被90°位置反射鏡收集，再匯聚到探測器表面。在反射鏡與光敏區(qū)距離為7.4mm時，移動探測器的前后位置，觀察探測器接收面的散射光強度和聚集度。當探測器與反射鏡之間的距離在13.0mm14.5mm范圍內，探測器接收的散射光強度最強，且位置較集中;在此范圍之外，探測器接收的散射光強度逐漸變弱，且光束位置愈加分散。以上仿真結果，對光學腔結構設計達到最佳效果具有指導意義。

　　3.2氣鞘結構設計

　　不同于文獻中的外循環(huán)鞘氣結構[17]，考慮到傳感模塊的實用性，本文采用內循環(huán)模式結構，即用一個微型氣泵提供樣氣和鞘氣的動力。含有顆粒物的樣氣由進氣口進入光腔，在光敏區(qū)與激光發(fā)生散射后由光腔的出氣口流出，經(jīng)由過濾器進行粗過濾，對氣泵進行保護。經(jīng)過氣泵的氣流分為兩路，一路與外界大氣連通，排出過濾后的樣氣;另一路通過過濾器形成鞘氣，再連通鞘氣接口進入光腔，形成樣氣保護氣。

　　其中，過濾器能夠過濾0.1μm以上的粒子，確保鞘氣是干凈的氣流，不會對樣氣中的顆粒物濃度產(chǎn)生影響。不同于文獻[18]中采用壓差控制裝置解決氣流不穩(wěn)的方式，本文采用特定濾芯材質的高精過濾器，通過過濾器的阻力平衡進出氣壓差，解決了鞘流流量不穩(wěn)的問題。同時，在有限的氣泵流速下，確保了進氣口有較大的流量。

　　4實驗結果分析

　　本實驗首先采用無鞘氣保護結構系統(tǒng)進行顆粒物濃度測試，通過實驗測試和修正得到適合本系統(tǒng)的質量濃度特征參數(shù)，保證系統(tǒng)的正常運行和濃度計算。在此基礎上，加入鞘氣保護結構，并驗證此結構對減小測量誤差的作用;研究不同氣泵泵抽速度下，傳感器的測量穩(wěn)定性，為設置氣泵轉速參數(shù)提供實驗依據(jù)。測試過程中，采用氣溶膠濃度發(fā)生器對聚苯乙烯小球溶液或煙塵進行霧化，霧化氣由載氣帶入密封箱，通過氣流量控制氣溶膠濃度。

　　4.1質量濃度標定方法優(yōu)化

　　利用本文樣機對煙塵顆粒物進行測量，記錄本裝置電壓脈沖信號幅度分布Nv()和參考儀器(TSI8533)的質量濃度。在信號幅度分布統(tǒng)計過程中，將系統(tǒng)最大輸出電壓平均分為個通道，分別為0.25,0.5,0.75,1.0,1.25,1.5,1.75,2。

　　經(jīng)參考儀器標定，得到特征參數(shù)=1.5。利用此特征參數(shù)和個通道值，計算出質量濃度。圖為在1800μg/m濃度下，樣機和參考儀器的總塵濃度(TSP)測量結果。在整個測量過程中，樣機測量結果波動程度大，且顆粒物濃度越大，樣機越表現(xiàn)出低穩(wěn)定性。由質量濃度計算方法可知，參數(shù)作為電壓的指數(shù)對濃度值有很大影響，不合適的值會導致濃度結果過大或過小，大顆粒環(huán)境產(chǎn)生較大電壓，測量結果不穩(wěn)定性愈加嚴重。因此，需要對值進行修正。

　　空氣體積較小的顆粒占顆粒物的大多數(shù)，大顆粒因易沉降含量較低，信號幅度分布中小幅度信號占據(jù)多數(shù)，大幅度信號較少。所以，在修正過程中，為使小信號的提取量增加，設置電壓間隔為不等值且隨電壓的增大而逐漸增大，分別為0.2377,0.3196,0.4295,0.5772,0.7757,1.0425,1.4010,1.9515。經(jīng)同樣方法標定，修正后的特征參數(shù)為0.46。采用以上優(yōu)化后的參數(shù)，樣機和參考儀器在4000μg/m濃度范圍內對TSP進行測試。優(yōu)化后樣機測試結果與參考儀器一致性很高，測量精度和穩(wěn)定性都得到了很大提升。

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　　5結論

　　為實現(xiàn)高穩(wěn)定性顆粒物濃度測量，本文從光腔結構、質量濃度標定方法和氣路結構三方面入手，對傳感器的測量精度和抗污染性進行了研究。采用Tracepro對光腔結構進行了模擬，反射鏡與探測器距離在1314.5mm范圍內可避免加工誤差帶來的影響，保證信號強度。通過調整電壓間隔優(yōu)化質量濃度特征系數(shù)，得到關鍵參數(shù)為0.46。設計了簡易內循環(huán)鞘氣氣路結構，通過采用高阻濾芯過濾器平衡進出口氣壓以穩(wěn)定氣路，該氣路降低了高濃度顆粒物的測量誤差，并且對光腔污染具有較好緩解作用。同時，測量內循環(huán)鞘氣系統(tǒng)不同進氣流速下樣機的濃度值，結果表明進氣流速為500mL/min時測量結果比較穩(wěn)定�；�于以上三方面優(yōu)化，樣機可實現(xiàn)10mg/范圍內PM2.5、PM10和TSP的高穩(wěn)定性測量，測量誤差低于±5%。

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　　作者：侯春彩，賈日波，徐亞蛟，楊申昊，趙韋靜，楊凌，李鑫

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