169基于光散射测量方法的粉尘传感器及应用V1.0

第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊731基于光散射测量方法的粉尘传感器及应用高波[通用电气（中国）有限公司，710065]摘要：本文主要介绍了通用电气公司型号为SM-PWM-01A的粉尘传感器的工作原理、系统组成和特性参数。该传感器利用光散射原理对空气中粉尘浓度测量，具有适用性广、测量范围宽、测量精度高、重复性好、测量速度快等优点。该粉尘传感器可以应用于室内空气质量监控、空气净化机、空气过滤器、空调、HVAC系统及烟雾报警等多个领域。关键词：光散射粉尘浓度颗粒物测量粉尘传感器室内空气质量TheDustSensorBasedonScatteringTheoryandItsApplicationGaoBo[GE(China)Co.Ltd.，710065]Abstract:Theworkprinciple,systemcompositionandcharacteristicparametersofGE’sthedustsensorwhichthemodelwasSM-PWM-01A,wereintroducedinthispaper.Thesensormeasureddustconcentrationintheairwithscatteringtheory.Whichpossessedacharacteristicofwideapplicability,broadmeasurementrange,highprecision,goodrepeatabilityandquickmeasuringrate.Thedustsensorcanbeappliedtomanyafields,suchasindoorair-qualitymonitoring,airpurifier,aircleaner,air-conditioner,HVAC,smogalarmsystemandsoon.Keyword:Lightingscattering，Dustconcentration，Particlemeasurement,Dustsensor,Indoorair-quality1引言随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，空气环境质量的好坏引起了人们的高度重视，近年来粉尘作为空气中最重要的污染物之一备受关注。粉尘对人类危害极大,尤其是小粒径颗粒物,能长时间飘浮在大气中,难以沉降到地面,易进入人体呼吸道,且粒径越小,在人体呼吸道中的沉降位置越深,危害就越大。因此，粉尘浓度的测量在环境保护中具有十分重要的意义[1,2],是迫切需要解决的问题。国家环保部最新修订的《环境空气质量标准》将环境空气中空气动力学当量直径≤10μm的颗粒物称为可吸入颗粒物（PM10）；将环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物称为细颗粒物（PM2.5）[3]。PM10易沉积在上呼吸道，引发各种疾病；PM2.5可以沉积在支气管和肺部，且更易吸附有毒害的物质进入体内，危害人体健康[4]。因此，对空气中粉尘浓度的准确测量显得格外重要。本文介绍的利用光散射原理制成的SM-PWM-01A粉尘传感器，具有适用性广、测量范围宽、测量精度高、重复性好、测量速度快等显著优点，可广泛应用在空气净化机、空气过滤器、空调、HVAC系统、烟雾报警等多个领域。2光散射测量原理空气携带粉尘气流可以认为是空气中散布着固体颗粒的气溶胶，当光束通过含尘空气时，会发生吸收和散射，从而使光在原来传播方向上的光强减弱。光在散射性介质中的传播规律，主要与入射光的波长，粉尘的形状、大小及粒径分布有关。光散射性质取决于下列因素[5]：（1）衍射参数ρ：ρ表示粉尘颗粒的半径r与光的波长λ的比例关系，即为颗粒的周长与光的波长λ之比，数学表达式为ρ=2πr/λ；。（2）粉尘颗粒的复折射指数n；（3）散射角θ：入射光与散射光之间的夹角。粉尘颗粒散射光的特性主要取决于衍射参数ρ。当ρ≤1时，颗粒的大小尺寸远比波长小，散射光强符合瑞利定律，散射光强度与r6/λ4成正比；当ρ≈1时，散射光强符合米氏定律，第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊732散射光强与颗粒粒径、波长λ之间存在十分复杂的关系；当ρ≥1时，颗粒粒径远远超过波长，即大颗粒粉尘（大部分工业粉尘都属于这一范围），大颗粒粉尘散射光强与光波长λ无关，而与颗粒浓度及颗粒的照射面积成正比。按经典的米氏散射理论，对ρ≥1的颗粒，在任意角θ下散射光强度在空间的分布可按Fraunhofer衍射理论计算[6-7]：2])(12[0221642xxJILdI（1）其中：L—散射颗粒物到观察点的距离；J1—一阶Bessel函数；x—无因次参数，/sindx；λ—散射光波长，m；d—颗粒粒径,μm；I0—散射光原始光强,cd。由公式（1），在任意空间立体角θ1到θ2内，单个粉尘颗粒的散射光强为：dsin)(2dsin)(2)(122121202xJdILII（2）假设含尘气流内粉尘的粒度分布函数为f（d），在单位体积内的粉尘总数为N，则在d到d+△d内的粉尘数dN=Nf（d）dd，因此，在θ1到θ2内环状立体角内粉尘粒径在d到d+△d内所有粉尘产生的散射光强为：ddNfINIId)()(d)()(d（3）则在θ1到θ2内，环状立体角内所有粉尘产生的散射光强为：ddNIQd)f()()(0（4）将公式（2）代入公式（4）式并整理得：dxJddNQddsin)()f(I2π)(0212021（5）由公式(5)可以看出，在任意空间立体角范围内，粉尘颗粒产生的散射光强与粉尘颗粒体积及颗粒物浓度呈一定的比例关系。3粉尘传感器设计及特性参数SM-PWM-01A粉尘传感器利用光散射方法测量空气中的粉尘浓度。传感器主要由光源系统（包括LED光源和会聚镜头）、光探测系统（包括光接收器件和另一会聚镜头）、前置放大处理电路和MICOM处理器四部分组成。3.1粉尘传感器的工作原理第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊733图1粉尘传感器的工作原理图SM-PWM-01A粉尘传感器工作原理如图1所示，具体说明如下：(1)LED光源系统的光轴与光探测系统的光轴相交，交点周围的一个小区域是测量系统的光敏感区。当携带粉尘的空气流过时，LED发出的光波入射到具有粉尘的测量区域后，被粉尘颗粒物遮挡，粉尘产生的散射光被透镜会聚到光接收器件上，接收到的散射光强与被测粉尘颗粒物的粒径和浓度存在一定的比例关系。同时光接收器件将散射光信号转换成电信号。由于电信号与散射光强成正比，因此电信号的强弱与粉尘的粒径和浓度成比例。(2)光电转换后的信号极其微弱,因此需通过前置放大处理电路对获得的信号进行处理和放大。(3)信号经放大处理转换后，形成低脉冲信号,送微处理器。脉冲信号形式如图2所示。传感器负责负脉冲（PWM）波形输出，不同粒径，所对应的负脉冲时间不同。大颗粒物对应的负脉冲宽度大，而许多小颗粒物聚集起来也可以形成较宽的负脉冲信号。图2传感器的输出(4)微处理器对采集到的数据进行实时计算,得出百分比的粉尘浓度值,同时将数据进行存储、显示。根据负脉冲的信号值，我们可以计算出采样时间内粉尘的百分比浓度值。百分比浓度值LPO指一个规定采样周期内所有低脉冲时间之和n除以采样周期N。NnLPO/（6）其中，N—粉尘浓度计算的取样周期时间,s；n—采样周期时间内低脉冲所占的时间，s。第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊734微处理器利用STM-32单片机及VC软件开发了出显示粉尘浓度的软件，具体的工作流程如图3所示，软件界面如图4所示。该软件可以实时显示室内粉尘的浓度。图3应用流程图第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊735图4粉尘浓度显示界面3.2粉尘传感器的产品特性SM-PWM-01A粉尘传感器的特性参数如表1和表2所示。表1SM-PWM-01A粉尘传感器工作电压和信号输出参数符号范围电源电压（V）VccDC5±5%,纹波30mV功耗（mA）Icc110±10%*1信号输出P1,P2Hi:4.5V,Lo:0.7V,负脉冲输出*2注：1粉尘传感器的加热电阻稳定时间为30s；2输入阻抗为200kΩ,上拉电阻为10kΩ。表2SM-PWM-01A粉尘传感器光电特性参数参数符号MinTyp.Max灵敏度（mSec/µg）S0.30.51.0低脉冲占空比（%）Loo0220检测范围（mg/m3）M0.010.052.0本文利用标准粒径及浓度的颗粒物标定粉尘传感器，得到LPO百分比浓度与粉尘浓度的关系曲线，如图5所示。注：LPO-低脉冲百分比浓度，A-最大的输出，B-输出的平均值，C-最小输出。图5LPO百分浓度与粉尘浓度的关系曲线依据图5，根据LPO百分比的输出，可以得到相应的粉尘浓度。由图5可以看出该粉尘传感器在低浓度范围内，接近于线性的输出。4粉尘传感器应用粉尘传感器可用于检测室内的粉尘浓度[8]：第四部分零部件制造技术第一作者简介：高波（1985—），男，工程师，主要从事传感器及其检测技术研究。Email：[e-mail]2013中国家用电器技术大会论文集2013-增刊736（1）室内空气质量监控（2）空气净化机，空气过滤器（3）空调、HVAC系统（4）烟雾报警粉尘传感器的输出可以计算出环境中空气粉尘的浓度。当检测到的粉尘浓度高于或低于设定的粉尘浓度阈值时，开启或关闭设备，可以达到控制室内粉尘浓度的目的。5结论SM-PWM-01A粉尘传感器基于光散射原理对空气中的粉尘浓度进行测量，可以准确、实时地显示被测环境的粉尘浓度，对促进粉尘检测技术的发展具有重要意义。因SM-PWM-01A粉尘传感器体积小、成本低，还可以嵌入到其它需要实时监控空气质量的家用电器或仪器设备中，如空调、空气净化机等，为这些器件提供控制信号，实用性较强。参考文献：[1]肖德玲，袁琪，岳锐.可吸入颗粒物的危害及其净化技术.洁净与空调技术[J].2011[2]田利伟.室内环境颗粒物浓度预测模型及污染控制策略研究[D].湖南大学博士论文，2009[3]GB3095-2012环境空气质量标准[S][4]宗青松.室内颗粒物分布于沉积规律研究[D].安徽工业大学博士论文，2012[5]A·Ⅱ克里门科，等.粉尘浓度的连续监测[M].北京：新时代出版社，1984[6]胡澄.基于MIE散射理论的粉尘浓度测量研究[D].苏州大学博士论文，2007[7]蔡小舒，苏明旭，沈建琪.颗粒物粒度测量技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2010（8）[8]B.Ivanov,O.Zhelondz.Distributedsmartsensorsystemforindoorclimatemonitoring.KONNEXScientificConference,2002