0引言

粉尘即空气中的悬浮颗粒物，其大小在0.01～20 μm范围内。环境保护部门将空气动力学当量直径大于10 μm的悬浮颗粒称为可见粉尘，它们在静止空气中会快速沉降；空气动力学当量直径小于等于10 μm的悬浮颗粒称为可吸入颗粒物；空气动力学当量直径小于等于7.07 μm的颗粒物称为呼吸性颗粒。

随着国民经济的快速发展，粉尘污染越来越严重。目前我国大气呈煤烟型污染，许多城市空气中的总悬浮颗粒物(TSP)长期居高不下，与世界卫生组织所给的空气质量标准相差甚远。粉尘对人类危害极大，尤其是小粒径颗粒物，因为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领域中具有十分重要的意义，是迫切需要解决的问题。

测量粉尘浓度的方法各式各样，大致有两种类型：基于取样的方法进行测量(如滤膜称重法)和基于非取样的方法进行测量(如光散射法)。近年来国内外均采用光散射原理进行粉尘浓度测量，该测量方法可以实时在线测量，直接获取测量结果，并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、通信等功能；体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高也是该类仪器的明显优点。

1光学粉尘测量仪的工作原理与硬件组成

理论和实验研究表明，在粉尘性质一定的条件下，粉尘的散射光强度与其质量浓度成某种比例关系。粉尘浓度测量仪正是依据这一理论进行设计，它以悬浮颗粒物(粉尘)在光束中产生的光散射现象为原理，直接准确测量空气中悬浮颗粒物的相对质量浓度。根据光散射原理，当尘埃颗粒的半径r小于光的波长λ时满足式(1)：


式中：V=(4／3)πr³；N为单位体积内的粒子数；ε为空气中的介电常数；ε₀为真空中的介电常数；θ为散射角；R为光敏感区到光电转换器的距离；r为粒子的半径；I0为人射光强；λ为光源的波长；H为与测量系统几何尺寸有关的一个常数。

显然，在某一测量系统中λ，ε，ε₀，θ，R，I₀可以认为是常数，由于进行质量浓度测量时，尘埃颗粒是数颗一起通过光敏感区，因此在入射光强保持不变的情况下，散射光强I_θ与V，N相关。

光学粉尘测量仪主要由光学传感器、信号调理单元、模数转换单元、微机控制、通信接口、气路系统、电源系统等组成。其总体硬件结构如图1所示。


粉尘浓度测量的工作过程如下：

(1)测量开始由气泵将被测空气抽人光学传感器。光学传感器由照明系统、散射光收集系统组成，这两个系统的轴线与采样气流的轴线相互垂直，交点周围的一个小区域是测量系统的光敏感区，它是粉尘流过时得到照明并产生散射光的位置。半导体激光器发出的光波穿过具有粉尘的被测区域后，光电二极管将散射光信号转换成电信号。

(2)光电转换后的信号极其微弱，因此需通过信号调理电路对获得的信号进行处理和放大，以满足A／D转换接口的需要。

(3)信号经A／D转换器转换后，送微处理器。

(4)微处理器对采集到的数据实时进行计算，并自动生成当前粉尘浓度值，同时将数据进行存储、显示，根据需要对测量结果进行打印或将数据传送至PC机。

2自适应测量功能

粉尘测量仪的光电转换电路和信号调理电路如图2所示，其中运算放大器1为前置放大，功能是完成I／V转换，并将信号放大。运算放大器2完成信号调理和放大。由于粉尘测量仪的测量范围很宽，一般为0.01～20 mg／m3，在这样宽范围内保持测量数据的线性和准确，使用常规的放大电路是较为困难的。这是因为要保证在极低浓度时测量准确，必然要将放大器设计成很高的增益，然而当粉尘浓度达到3 mg／m3时，放大器几乎达到饱和，因此按常规设计方案不能满足0.01～20 mg／m3的测量范围。为此，设计了一个硬件和软件相结合，能完成自适应测量功能的信号调理电路，如图3所示。

图3电路是一个8选1程控放大器，放大器的放大倍率通过程序控制可分为1，2，4，5，10，20，30，50，自适应测量功能的实现如下：当仪器进入测量微处理器发出控制命令，使程控放大器处于放大倍率50状态，读取数据后判断程控放大器是否处于最佳的工作状态，若发现溢出或不在最佳的工作状态，则改变程控放大器的放大倍率，使其进入最佳的工作状态，为了使测量数据统一，可以通过软件进行修正。测量控制软件的流程如图4所示。