（1.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林132012；
2.东北电力大学 节能与测控技能研究中央，吉林 吉林132012）
针对我国低浓度烟尘排放哀求，以Mie散射为理论根本，设计了一款低本钱、高精度的低浓度烟尘检测系统。通过理论剖析得到散射光强与烟尘浓度呈线性关系，设计了激光发射单元、旗子暗记吸收单元以及STM32数据处理单元，剖析激光调制驱动事理及微弱旗子暗记选频放大事理。利用LabVIEW软件编写上位机程序，通过上位机前面板对检测数据进行实时显示。实验结果表明：该系统灵敏度高、相应速率快、重复性好，并且可以永劫光地在线丈量，具有很好的实用性。
中图分类号：TP274
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.172221
中文引用格式：孙灵芳，张召鹏. 基于Mie散射低浓度烟尘检测系统设计[J].电子技能运用，2018，44(1)：72-75.
英文引用格式：Sun Lingfang，Zhang Zhaopeng. The design of low-concentration dust detection system based on Mie scattering theory[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(1)：72-75.
0 弁言
燃煤电厂发电过程中会产生大量的烟尘颗粒物，经由滤除尘后烟尘颗粒物的浓度低、粒径小，在空气中漂浮的韶光长[1]，通过呼吸进入人体内，会对人的康健造成很大侵害，也会对无尘度哀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主要意义。
系统以Mie散射为理论根本，它表述了光在眇小颗粒物表面发生散射的规律[3]。比较较其他事理的丈量方法，基于光散射法的检测设备具有自动化程度高、仪器体积小、可以直接得到丈量结果等优点[4]，本文结合激光调制、微弱旗子暗记处理以及嵌入式等技能，设计了一款能够在线丈量的低浓度烟尘检测系统。
1 Mie散射检测事理
经由滤除尘后，烟尘粒径多数集中在0.2～10 μm之间，形状多为球体[5]。此时粒子粒径远远小于粒子间的间隔，这样就可以忽略粒子间的散射，把待测区的散射光强算作一个整体[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色参数，x表示为粒径大于x的粒子数占粒子体积的36.8%，N大小反响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的烟尘颗粒在全体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ρ，烟尘颗粒总体积为V烟尘，则关系式如下：
对付确定的烟尘排放源，σ中的各参数为已知量，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
本系统紧张由四部分组成：激光发射单元、旗子暗记吸收单元、STM32数据处理单元以及上位机软件。激光器在调制旗子暗记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，散射光通过聚光镜搜集到光电探测器转换为电旗子暗记，电旗子暗记经由放大滤波、A/D转换进入STM32处理单元进行数据处理，末了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
激光发射单元紧张包括：LD激光器、基准电压源电路、旗子暗记调制电路、激光器电流驱动电路。
系统选用波长为650 nm的LD激光器作为激光光源，此时激光波长和烟尘粒径大小为同一数量级，知足Mie散射的理论哀求[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，得到3 V直流偏置电压。旗子暗记调制选用高频精密函数旗子暗记发生器MAX038，产生200 Hz频率的正弦旗子暗记[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相互影响。直流偏置电压Vb和旗子暗记调制电压Vm通过低噪声、零漂移的OPA188运放芯片叠加，产生5 V激光调制电压旗子暗记。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扩流输出，终极得到40 mA激光驱动电流。驱动电路如图2所示。
2.2 旗子暗记吸收单元
旗子暗记吸收单元紧张包括：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高速相应硅光电二极管（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。经由光电探测器转换的电旗子暗记十分微弱，对此旗子暗记的处理不能只是大略地放大，而是在放大有用旗子暗记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旗子暗记进行处理，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偏差，为了肃清这种影响，电路采取T型反馈网络，转换芯片选用高精度OPA277运算放大器。微弱旗子暗记放大部分，设计二级放大电路，放大倍数可达100×10倍。但实际上放大器本身也存在一定的噪声，以是放大电路可通过可调电阻R21根据实际丈量灵敏度来确定最得当的放大倍数。偏置调节的浸染是通过减法器给互换旗子暗记叠加直流偏移。电路如图3所示。
滤波电路对提高全体旗子暗记检测单元的信噪比起着决定性的浸染，设计二级二阶无限增益多路负反馈带通滤波电路，第一级电路中央频率为202 Hz，第二级电路通过R29调度为200 Hz，运算放大器选用噪声低、稳定性好的AD8039芯片，采取反相接法，反相输入真个开环增益无限大，可视为虚地，输出端由电阻和电容构成两条反馈岔路支路，理论上该电路的品质因数Q可以达到空想值。电路如图4所示。
2.3 STM32数据处理单元
STM32数据处理单元紧张包括：STM32F103、供电电路、JTAG程序接口、A/D转换输入接口、串口模块、数据存储模块。
处理器选用的是STM32F103ZET6芯片，此芯片具有高速嵌入式存储器以及前辈的通信接口[11]。供电电源选用AX1117-3.3 V芯片；JTAG程序下载接口用于系统硬件仿真及在线调制功能；串口模块选用RS232芯片实现单片机与上位机的通信；数据存储模块选用的是电可擦除存储芯片FM24C02，可以实现数据存储和压缩，以便后续剖析及处理。构造框图如图5所示。
2.4 上位机软件设计
本系统上位机利用LabVIEW软件开拓，上位机界面中设计了数据波形与数值显示窗口、串口调试窗口以及数据存储控键。显示界面如图6所示。
图中曲线表示未加入烟尘的检测结果，为了便于不雅观察输入电压量的变革，纵坐标的量程大小设置为可调，量程范围0～3.3 V。
3 实验结果
为了验证低浓度烟尘检测装置的灵敏度与准确性，本文进行了灵敏度及曲线标定实验。实验选用锅炉燃烧产生的粉煤灰颗粒，实验环境为低廉甜头的圆柱形仿照烟道，烟道的体积为0.785 m3，可以通过加入不同质量的粉煤灰颗粒物求出烟道内的粉煤灰浓度，作为标准浓度，利用标准浓度和实际丈量值进行比较打算偏差。
3.1 灵敏度实验
安装实验装置，通过烟道顶端小口向内散落少量粉煤灰颗粒物，经由激光光束时会产生散射，实验结果如图7所示。
从图中可以看到，当粉煤灰经由激光光束时，探测器吸收电旗子暗记会有明显的变大，随着粉煤灰的着落，电旗子暗记又逐渐规复到初始值，解释系统对低浓度粉煤灰颗粒物的后向散射旗子暗记敏感性较好，可以用于低浓度烟尘丈量。
3.2 曲线标定实验
为了考验系统的准确性以及验证光散射产生的仿照电压量与粉煤灰浓度成一次线性关系，设计两组不同递增量的丈量实验。粉煤灰质量在0～250 mg范围内递增量设定为25 mg，在250～750 mg范围内递增量设定为50 mg，每组质量丈量韶光为200 s，每秒记录一个数据，打算200个数据的均匀值，每次实验后要对仿照烟道进行清理再进行下次实验。实验结果如表1所示。
对表1中粉煤灰浓度与输出电压均匀值进行线性拟合，拟合标定曲线如图8所示。从图中可以看出，粉煤灰浓度与电压均匀值有着明显的一次线性关系，设线性方程为y=kx+b，通过线性最小二乘法打算可得曲线标定方程为：
式中，y表示烟尘浓度值(mg/m3)，x表示输出电压值(mV)。
首先对表中每组200个丈量值打算均匀偏差，可得偏差范围为0.31%~1.26%，变革范围较小，则系统重复性良好；再通过标定曲线打算丈量浓度与标准浓度之间的偏差为4.42%。产生偏差的紧张缘故原由有：(1)人为成分造成，每次丈量结束后洗濯过程不仔细造成颗粒物残留；(2)每次加入的粉煤灰质量一定，但颗粒物粒径大小是在一定范围内变革的，这样也会影响输出的电压值。
4 结论
本文以Mie散射理论为根本，设计一款可以用于低浓度烟尘检测的系统。通过实验验证了此系统在低浓度情形下有良好的灵敏度和重复性，利用虚拟仪器技能设计了上位机显示界面，能够实时监测烟尘浓度变革。实验结果表明：烟尘浓度与输出电压量呈明显的线性关系，丈量浓度与标准浓度的偏差为4.42%，在国际标准偏差规定的范围内，可以运用于燃煤电厂低浓度烟尘排放的丈量。
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