颗粒物数量与粒径分布的光学测量系统设计.pdf

第５２卷　 第３期　 　　　　　　　　　　　　　　激 光 与 红 外 Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．３ 　 ２０２２年３月　　　 　 　　　　　　　　　　ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｍａｒｃｈ，２０２２ 　　文章编号：１００１５０７８（２０２２）０３０３９２０７ ·光电技术与系统· 颗粒物数量与粒径分布的光学测量系统设计 杨　安，张子同，汤思达，姜岩峰 （江南大学物联网工程学院，江苏 无锡２１４１２２） 摘　要：针对颗粒粒径和数量同时测量的问题，在Ｍｉｅ散射理论的基础上，提出将角散射颗粒 计数法和小角前散射法相结合，设计出一种能实时测量颗粒物粒径和数量的光学传感器。基 于光电二极管采集到的光电流范围，用信噪比为５１８ｄＢ的放大器电路对电流采样，从而实现 较高计数效率。针对散射光能分布和颗粒粒径之间的关系式，推导出目标函数，并引入天牛须 算法对其进行优化。实验结果表明该传感器浓度测量数据与实际浓度值变化趋势高度一致， 相关性在０９９以上，相对误差在１０％以内，颗粒粒径反演误差较低。从而验证了所设计的颗 粒物传感器系统的实用性。 关键词：颗粒计数法；小角前散射法；天牛须算法；Ｍｉｅ散射 中图分类号：ＴＮ２４７　　文献标识码：Ａ　　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０２２．０３．０１４ Ｄｅｓｉｇｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐａｒｔｉｃｌｅ ｑｕａｎｔｉｔｙａｎｄｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ＹＡＮＧＡｎ，ＺＨＡＮＧＺｉｔｏｎｇ，ＴＡＮＧＳｉｄａ，ＪＩＡＮＧＹａｎｆｅｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆＭｉｅｓｃａｔ ｔｅｒｉｎｇｔｈｅｏｒｙ，ａｎｏｐｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｗｈｉｃｈｃａｎｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｑｕａｎｔｉｔｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｃｏｍｂｉ ｎｉｎｇｔｈｅａｎｇｕｌａｒｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｓｍａｌｌａｎｇｌｅｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｈｏ ｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒａｎｇｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ａｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈａｓｉｇｎａｌｔｏｎｏｉｓｅｒａｔｉｏｏｆ５１．８ｄＢｉｓｕｓｅｄｔｏｓａｍ ｐｌｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｔｏａｃｈｉｅｖｅｈｉｇｈｅｒｃｏｕｎｔｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅ，ｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｄｅｒｉｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｌｏｎｇｂｅｅｔｌｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｏｐｔｉ ｍｉｚｅｉｔ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｉｓｈｉｇｈｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈ ｔｈｅａｃｔｕａｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｖａｌｕｅｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄ，ｗｉｔｈａｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｂｏｖｅ０．９９，ａｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｗｉｔｈｉｎ１０％，ａｎｄａｌｏｗｐａｒ ｔｉｃｌｅｓｉｚｅｉ