基于光散射的尘埃粒子计数器设计与实现

论文摘要

尘埃粒子计数器是专门用来测量洁净环境空气中尘埃粒子的数量和大小,为空气洁净度的评价提供依据。尘埃粒子计数器作为一种有效的空气洁净度监测设备,它在洁净检测技术的应用中有着非常重要的地位。为提高尘埃粒子计数器的性能而对其进行优化设计,有着重大的意义。在分析比较常用的几种粒子测量技术后,结合对尘埃粒子计数器的研究,本课题提出了新的设计方案——FPGA+双MCU控制模式,对尘埃粒子计数器的硬件进行优化设计,使整个系统具有测量准确、电路结构紧凑、抗干扰性能强、体积小等特点。本课题在Mie散射理论基础上,综合运用相关算法,基于Matlab编制程序,对Mie散射的特点进行分析;利用MiePlot软件对球形粒子的光散射效应进行彩色模拟,分析了粒径、折射率和入射光波长对散射光强度分布的影响,阐述了微粒子测量的理论基础；分别计算了近前向和直角方向两种散射光收集形式的光通量,即课题设计尘埃粒子计数器的理论依据。课题还通过Matlab编程计算,对直角方向散射光收集系统的光通量进行数值模拟,得出当偏振光入射时,探测器中心与偏振方向两者的夹角与光通量极值的关系,为光学传感器设计提供依据。本课题完成了尘埃粒子计数器的硬件设计。主要包括信号调理电路、FPGA计数电路、双MCU控制模块、存储器模块、串口通讯电路、显示与键盘输入模块以及电源电路。课题还完成了尘埃粒子计数器系统软件设计,包括基于VHDL的多通道脉冲计数器设计以及双MCU控制部分的软件设计,在软件设计中增加了UCL计算功能。标定结果表明：该尘埃粒子计数器的自净时间、单分散粒子的测量离散度等相关技术指标满足国家检定标准,对于0.54μm PSL粒子具有较高的计数灵敏度。此外,论文对实验测量结果进行误差分析,同时根据光学传感器的技术参数,对尘埃粒子计数器测量的颗粒浓度上限进行分析与计算。最后对本课题的研究工作进行了总结与展望。

论文目录

中文摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 尘埃粒子测量技术的背景与意义

1.2 尘埃粒子的常用探测方法

1.3 尘埃粒子计数器的发展状况

1.3.1 国外发展状况

1.3.2 国内发展状况

1.4 本课题的主要研究内容及工作

第二章 Mie散射理论分析

2.1 Mie散射理论

2.1.1 Mie散射公式

2.1.2 Mie散射算法

2.1.3 论文应用的Mie散射算法

2.1.4 Mie散射的近似

2.1.5 Mie散射的特点

2.2 粒子散射光强度分布特性

2.2.1 粒径对散射光分布的影响

2.2.2 相对折射率对散射光分布的影响

2.2.3 入射光波长对散射光分布的影响

2.3 微粒子测量的理论基础

2.4 球形粒子的散射光通量计算

2.5 本章小结

第三章尘埃粒子计数器的总体设计与信号输入通道

3.1 尘埃粒子计数器的基本工作原理

3.2 尘埃粒子计数器的总体设计

3.3 光学传感器设计

3.3.1 两种散射光收集系统比对

3.3.2 直角方向散射光收集系统光通量的数值模拟

3.3.3 光学传感器主要结构和参数

3.3.4 气路系统

3.4 光电转换器件

3.5 前置放大电路和电压幅度甄别器

3.5.1 前置放大电路

3.5.2 电压幅度甄别器

3.6 多通道脉冲计数器

3.6.1 多通道脉冲计数器的总体框架

3.6.2 FPGA设计的一般流程

3.6.3 FPGA芯片

3.6.4 FPGA的配置电路

3.7 本章小结

第四章尘埃粒子计数器的控制器与接口设计

4.1 尘埃粒子计数器的控制器总体设计

4.2 双MCU控制模块

4.3 存储器模块

4.4 显示与键盘输入模块

4.5 串口通讯电路

4.6 电源电路

4.7 本章小结

第五章尘埃粒子计数器的软件部分设计

5.1 利用VHDL设计电路的方法

5.2 多通道脉冲计数器的VHDL设计

5.2.1 计数器模块

5.2.2 锁存器模块

5.2.3 译码器模块

5.2.4 顶层模块的设计

5.3 脉冲计数器功能仿真

5.4 双MCU控制系统软件设计

5.4.1 MCU控制及通信部分

5.4.2 UCL计算的实现

5.5 本章小结

第六章尘埃粒子计数器的标定及误差分析

6.1 尘埃粒子计数器的标定结果

6.2 实验测量结果误差分析

6.3 本章小结

第七章课题总结与展望

7.1 课题总结

7.2 课题的优化设计

7.3 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

附录1 多通道脉冲计数器的数字电路图

附录2 插图目录索引

附录3 表格目录索引

附录4 部分程序

致谢

基于光散射的尘埃粒子计数器设计与实现

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢