高稳定性光散射法颗粒物浓度传感器

　　摘要我国针对环境空气颗粒物污染治理的政策日益严格。为解决工业现场长期测量稳定性的问题，国内外研究者提出采用鞘流结构制约颗粒物重叠和光强污染。本文从光腔结构、质量浓度计算方法和气路结构三方面入手，对传感器的测量精度和抗污染性进行优化。基于光学追迹，对光腔结构进行模拟，以实现散射光的最佳收集效果;通过修正特征参数，降低传感器的测量误差;设计简易内循环模式的鞘气保护结构，降低由颗粒重叠导致的测量误差并对光腔进行保护;研究以上结构下气体流速对总尘浓度(TSP)，PMl0和
PM2.5检测结果的影响，设置最优的气泵流量。实验结果表明，得到了高稳定性的气溶胶浓度传感器，可同时测量
TSP、PMl0和
PM2.5质量浓度，测量误差小于±5%。

　　关键词光散射法;颗粒物浓度传感器;稳定性;鞘气保护;质量浓度计算方法

　　1引言

　　气溶胶颗粒物产生于工业生产、车辆尾气、临床应用等各种各样的环境，一直是影响产品质量、环境气候以及人体健康的重要问题之一[1-2]。近年来，随着科技高速发展以及对生活质量的高要求，各省市对空气中颗粒物的监测和治理越来越重视。多地政府要求定期停止土石方工程、黄标车禁行等;2015年，石家庄为应对严峻的空气质量正式颁布扬尘污染综合整治工作考核办法;2018年，上海市启动20182020年环境保护和建设三年行动计划实施意见;2020年，济南市持续开展扬尘污染综合整治，制定颁布了整治攻坚工作方案。可见，我国针对环境空气颗粒物污染治理的政策日益严格。目前颗粒物浓度检测方法主要有微振荡天平法、β射线法、称重法、和光散射法[34]。

　　光散射法利用颗粒物对光产生散射的原理进行检测，具有检测速度快、可实时监测、测量方便、成本低等优点，已经成为主要的颗粒物浓度监测手段[57]。光散射法分为浊度法和颗粒计数法[8]：浊度法是根据检测腔内所有粒子散射光强度的大小与颗粒浓度之间的关系进行检测，灵敏度低，并且需要加上物理切割器预先滤除大于PM2或者PM10以上的粒子，才能实现PM2或者PM10的测量;光学颗粒计数法根据单个粒子的散射光大小测量粒子的粒径，从而求出气体采样体积内颗粒物的大小和数量，可同时测量出大气中TSP，PMl0和PM2.5的浓度。 测量稳定性是气溶胶浓度传感器的重要指标，粉尘浓度检定规程[9]中规定测量范围内示值误差不超过±20%。

　　但是，在高颗粒物浓度的恶劣环境下，传感器的测量稳定性很容易受到影响。因为空气中颗粒进入光腔后很容易在光敏区发生重叠，使传感器的检测精度产生较大误差;另外，高浓度颗粒物环境下大量颗粒物进入腔室并很快沉积，从而污染内部光学元件，使传感器的稳定性快速下降而大大缩短寿命。这些因素始终影响着传感器在工业现场的长时间稳定运行[1012]。为解决这一问题，借鉴液态物质测量原理，鞘流技术逐渐被用于气体环境的颗粒物浓度检测。

　　美国TSI公司在其专利[1314]中介绍了气体鞘流器，但只在理论上介绍了鞘流器的作用，没有详细描述相关参数和结构。韩国科学技术院的Hyun团队[15]从理论上对气体鞘流器的参数进行了研究，还没有应用到具体实例中。在国内，中科院大气物理研究所的发明专利[16]公开了一种基于鞘气绕流原理的气溶胶粒子束喷射装置来解决测量误差。中科院上海光学精密机械研究所的鲁晨阳等人[17]基于仿真分析设计了鞘流器，并在外循环气路中验证了该鞘流器对气流的压缩效果，但是此气鞘保护系统独立于进样气路，需要两个气泵提供系统动力，不适用于集成度高、低成本的气溶胶传感器。

　　随后，江苏天瑞公司[18]的刘召贵等人设计了一种单泵支持的内循环鞘流系统，该系统有多个鞘气口对称设置，并通过压差控制装置控制压差解决鞘气流量不稳的问题。在此研究基础上，本文提出一种高稳定性气溶胶传感器，同时测量空气中TSP，PMl0和PM2.5的浓度。通过修正特征参数，降低传感器的测量误差;设计简易的内循环模式鞘气保护结构，研究此结构对测量误差的影响，以及此结构下气体流速对TSP，PMl0和PM2.5检测结果的影响，以期得到高稳定性的气溶胶浓度传感器。

　　2基本原理

　　2.1粒子计数器测量系统

　　它由光学传感模块和信号采集处理模块两部分组成。在光学传感器中，当单个颗粒通过光敏区时散射入射光，光电探测器接收散射光转换成电信号，经前置放大、多通道计数，最终得到颗粒物的电压脉冲信号分布。扣除测量系统的本底噪声，得到的电压脉冲个数即为颗粒个数，电压脉冲幅度则包含颗粒尺寸信息。电压脉冲的幅度与脉冲数目之间的关系称为颗粒物的信号幅度分布，用于计算颗粒物质量浓度。

　　2.2颗粒物质量浓度计算方法

　　颗粒物的质量浓度是指单位体积气体中所有颗粒的总质量。在利用粒子计数器测量的信号幅度分布计算颗粒物的质量浓度中，基于Mie散射理论，散射光的电压脉冲信号个数为被测颗粒的个数信息，脉冲信号的幅度分布包含了颗粒物的大小信息。

　　3系统装置

　　3.1光电传感设计

　　光电传感模块设计，650nm激光经聚焦镜在光敏区聚焦，当颗粒通过光敏区时散射入射的激光，只有很小一部分直接被探测器接收。为提高散射光率用率，在90°采光角方向放置一块球面反射镜收集散射光，并汇聚到探测器表面。由于散射光强度很弱，反射镜和探测器之间的微小距离偏差即可对信号强度和集中度产生影响，所以设计过程中考虑到光腔结构加工误差是必要的。因此，为得到二者之间的距离范围，本文对该光学腔模块进行了光学模拟。反射镜口径Φ=12.5mm，f=5mm，R=10mm，为增大散射光收集角度，设计采光立体角β=50°，反射镜内顶点距离光敏区中心的距离7.4mm。

　　光敏区产生的部分散射光被90°位置反射镜收集，再汇聚到探测器表面。在反射镜与光敏区距离为7.4mm时，移动探测器的前后位置，观察探测器接收面的散射光强度和聚集度。当探测器与反射镜之间的距离在13.0mm14.5mm范围内，探测器接收的散射光强度最强，且位置较集中;在此范围之外，探测器接收的散射光强度逐渐变弱，且光束位置愈加分散。以上仿真结果，对光学腔结构设计达到最佳效果具有指导意义。

　　3.2气鞘结构设计

　　不同于文献中的外循环鞘气结构[17]，考虑到传感模块的实用性，本文采用内循环模式结构，即用一个微型气泵提供样气和鞘气的动力。含有颗粒物的样气由进气口进入光腔，在光敏区与激光发生散射后由光腔的出气口流出，经由过滤器进行粗过滤，对气泵进行保护。经过气泵的气流分为两路，一路与外界大气连通，排出过滤后的样气;另一路通过过滤器形成鞘气，再连通鞘气接口进入光腔，形成样气保护气。

　　其中，过滤器能够过滤0.1μm以上的粒子，确保鞘气是干净的气流，不会对样气中的颗粒物浓度产生影响。不同于文献[18]中采用压差控制装置解决气流不稳的方式，本文采用特定滤芯材质的高精过滤器，通过过滤器的阻力平衡进出气压差，解决了鞘流流量不稳的问题。同时，在有限的气泵流速下，确保了进气口有较大的流量。

　　4实验结果分析

　　本实验首先采用无鞘气保护结构系统进行颗粒物浓度测试，通过实验测试和修正得到适合本系统的质量浓度特征参数，保证系统的正常运行和浓度计算。在此基础上，加入鞘气保护结构，并验证此结构对减小测量误差的作用;研究不同气泵泵抽速度下，传感器的测量稳定性，为设置气泵转速参数提供实验依据。测试过程中，采用气溶胶浓度发生器对聚苯乙烯小球溶液或烟尘进行雾化，雾化气由载气带入密封箱，通过气流量控制气溶胶浓度。

　　4.1质量浓度标定方法优化

　　利用本文样机对烟尘颗粒物进行测量，记录本装置电压脉冲信号幅度分布Nv()和参考仪器(TSI8533)的质量浓度。在信号幅度分布统计过程中，将系统最大输出电压平均分为个通道，分别为0.25,0.5,0.75,1.0,1.25,1.5,1.75,2。

　　经参考仪器标定，得到特征参数=1.5。利用此特征参数和个通道值，计算出质量浓度。图为在1800μg/m浓度下，样机和参考仪器的总尘浓度(TSP)测量结果。在整个测量过程中，样机测量结果波动程度大，且颗粒物浓度越大，样机越表现出低稳定性。由质量浓度计算方法可知，参数作为电压的指数对浓度值有很大影响，不合适的值会导致浓度结果过大或过小，大颗粒环境产生较大电压，测量结果不稳定性愈加严重。因此，需要对值进行修正。

　　空气体积较小的颗粒占颗粒物的大多数，大颗粒因易沉降含量较低，信号幅度分布中小幅度信号占据多数，大幅度信号较少。所以，在修正过程中，为使小信号的提取量增加，设置电压间隔为不等值且随电压的增大而逐渐增大，分别为0.2377,0.3196,0.4295,0.5772,0.7757,1.0425,1.4010,1.9515。经同样方法标定，修正后的特征参数为0.46。采用以上优化后的参数，样机和参考仪器在4000μg/m浓度范围内对TSP进行测试。优化后样机测试结果与参考仪器一致性很高，测量精度和稳定性都得到了很大提升。

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　　5结论

　　为实现高稳定性颗粒物浓度测量，本文从光腔结构、质量浓度标定方法和气路结构三方面入手，对传感器的测量精度和抗污染性进行了研究。采用Tracepro对光腔结构进行了模拟，反射镜与探测器距离在1314.5mm范围内可避免加工误差带来的影响，保证信号强度。通过调整电压间隔优化质量浓度特征系数，得到关键参数为0.46。设计了简易内循环鞘气气路结构，通过采用高阻滤芯过滤器平衡进出口气压以稳定气路，该气路降低了高浓度颗粒物的测量误差，并且对光腔污染具有较好缓解作用。同时，测量内循环鞘气系统不同进气流速下样机的浓度值，结果表明进气流速为500mL/min时测量结果比较稳定。基于以上三方面优化，样机可实现10mg/范围内PM2.5、PM10和TSP的高稳定性测量，测量误差低于±5%。

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　　作者：侯春彩，贾日波，徐亚蛟，杨申昊，赵韦静，杨凌，李鑫

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