基于后向Mie散射的烟尘浓度测量方法研究

论文摘要

针对烟尘检测的需要,当前主流的检测手段有:过滤称重法、预测流速法、光衰减法、光闪烁法等。这些主流的方法都存在一些缺陷:过滤称重法需要人工操作,测量周期长;预测流速法还需要测量温度、压力、流速等,仪器构成复杂,操作繁琐;光衰减法不能测量低浓度的环境;光闪烁法不能测量浓度较高的环境。本论文结合当前的烟尘浓度检测需要,以后向Mie散射为理论基础,设计制造了一个烟尘浓度检测样机系统。相比于传统的检测方式,该样机系统适用于各种浓度的烟尘环境,测量光程可以调节,自动化程度高,可以长时间在线测量,并且制造工艺简单,成本相对较低。论文首先对当前的主流的检测手段进行了研究,阐述了它们的优缺点。详细分析了Mie散射的原理,了解后向散射的特性,得到烟尘浓度与后先散射信号之间的一次线性关系。根据这个关系设计了样机系统,根据后向散射的信号同参比浓度的数据,通过线性拟合得到测量的结果。论文设计了大量的实验来验证样机的性能。首先实验了样机的灵敏度和重复性;接着通过大量的参比浓度和样机输出信号数据,对它们进行线性拟合,验证了烟尘浓度和输出信号之间的一次线性关系,并对测量的结果的误差进行了评估,结果比较满意。最后对样机系统的零点和满量程漂移进行了测试,结果符合国家标准。经测试,此样机系统可以调节光程、灵敏度高、测量结果较准确,基本达到设计要求。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 烟尘的危害及研究烟尘检测方法的意义
• 1.1.1 烟尘的主要来源和危害
• 1.1.2 研究烟尘浓度检测的意义
• 1.2 当前的烟尘浓度检测的研究现状
• 1.2.1 采样法的原理及应用
• 1.2.2 光电（非采样）法的原理应用
• 1.3 本论文的主要研究工作
• 第二章 MIE散射的理论及应用求解
• 2.1 光的散射形式
• 2.1.1 瑞利散射
• 2.1.2 Mie散射
• 2.1.3 弗朗禾费衍射
• 2.2 Mie散射理论
• 2.2.1 Mie散射公式的推导及其物理意义
• 2.2.2 Mie散射数值求解
• 2.2.3 Mie散射的散射系数、吸收系数及消光系数
• 2.2.4 Mie散射的特性的模拟
• 2.3 小结
• 第三章 后向散射烟尘浓度测量系统的研制
• 3.1 样机的整体设计
• 3.2 样机的光学系统
• 3.2.1 系统光路图
• 3.2.2 校准光路图
• 3.3 样机的机械结构
• 3.3.1 光程调节装置
• 3.3.2 模拟烟道的设计
• 3.4 样机的电路构成
• 3.4.1 电源部分
• 3.4.2 探测光源的选择及其驱动电路
• 3.4.3 光电接收器
• 3.4.4 单片机模块
• 3.5 嵌入式软件系统
• 3.6 总结
• 第四章 后向散射烟尘浓度检测系统样机的实验
• 4.1 实验原理及算法
• 4.1.1 单个微粒的后向散射计算
• 4.1.2 烟道内的区域后向散射
• 4.2 实验装置的安装及预测试
• 4.2.1 样机的安装调整
• 4.2.2 样机软件系统及预测试
• 4.3 后向散射烟尘浓度检测系统样机的综合测试
• 4.3.1 单一浓度的重复性实验
• 4.3.2 跨量程测试及校准曲线的拟合
• 4.3.3 测量结果准确度的计算
• 4.4 小结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文情况