具有自適應測量功能的空氣粉塵測量儀設計
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粉塵即空氣中的懸浮顆粒物，其大小在0.01～20 μm范圍內。環境保護部門將空氣動力學當量直徑大于10 μm的懸浮顆粒稱為可見粉塵，它們在靜止空氣中會快速沉降；空氣動力學當量直徑小于等于10 μm的懸浮顆粒稱為可吸入顆粒物；空氣動力學當量直徑小于等于7.07 μm的顆粒物稱為呼吸性顆粒。
隨著國民經濟的快速發展，粉塵污染越來越嚴重。目前我國大氣呈煤煙型污染，許多城市空氣中的總懸浮顆粒物(TSP)長期居高不下，與世界衛生組織所給的空氣質量標準相差甚遠。粉塵對人類危害極大，尤其是小粒徑顆粒物，因為小粒徑顆粒物能長時間飄浮在大氣中，難以沉降到地面，易進入人體呼吸道，且粒徑越小，在人體呼吸道中的沉降位置越深，危害就越大。因此粉塵濃度的測量在環境保護領域中具有十分重要的意義，是迫切需要解決的問題。
測量粉塵濃度的方法各式各樣，大致有兩種類型：基于取樣的方法進行測量(如濾膜稱重法)和基于非取樣的方法進行測量(如光散射法)。近年來國內外均采用光散射原理進行粉塵濃度測量，該測量方法可以實時在線測量，直接獲取測量結果，并可以實現數據存儲、數據輸出、自動測量、通信等功能；體積小、重量輕、操作簡便、穩定性高、可靠性高也是該類儀器的明顯優點。
1光學粉塵測量儀的工作原理與硬件組成
理論和實驗研究表明，在粉塵性質一定的條件下，粉塵的散射光強度與其質量濃度成某種比例關系。粉塵濃度測量儀正是依據這一理論進行設計，它以懸浮顆粒物(粉塵)在光束中產生的光散射現象為原理，直接準確測量空氣中懸浮顆粒物的相對質量濃度。根據光散射原理，當塵埃顆粒的半徑r小于光的波長λ時滿足式(1)：
式中：V=(4／3)πr3；N為單位體積內的粒子數；ε為空氣中的介電常數；ε0為真空中的介電常數；θ為散射角；R為光敏感區到光電轉換器的距離；r為粒子的半徑；I0為人射光強；λ為光源的波長；H為與測量系統幾何尺寸有關的一個常數。
顯然，在某一測量系統中λ，ε，ε0，θ，R，I0可以認為是常數，由于進行質量濃度測量時，塵埃顆粒是數顆一起通過光敏感區，因此在入射光強保持不變的情況下，散射光強Iθ與V，N相關。
光學粉塵測量儀主要由光學傳感器、信號調理單元、模數轉換單元、微機控制、通信接口、氣路系統、電源系統等組成。其總體硬件結構如圖1所示。
粉塵濃度測量的工作過程如下：
(1)測量開始由氣泵將被測空氣抽人光學傳感器。光學傳感器由照明系統、散射光收集系統組成，這兩個系統的軸線與采樣氣流的軸線相互垂直，交點周圍的一個小區域是測量系統的光敏感區，它是粉塵流過時得到照明并產生散射光的位置。半導體激光器發出的光波穿過具有粉塵的被測區域后，光電二極管將散射光信號轉換成電信號。
(2)光電轉換后的信號極其微弱，因此需通過信號調理電路對獲得的信號進行處理和放大，以滿足A／D轉換接口的需要。
(3)信號經A／D轉換器轉換后，送微處理器。
(4)微處理器對采集到的數據實時進行計算，并自動生成當前粉塵濃度值，同時將數據進行存儲、顯示，根據需要對測量結果進行打印或將數據傳送至PC機。
2自適應測量功能
粉塵測量儀的光電轉換電路和信號調理電路如圖2所示，其中運算放大器1為前置放大，功能是完成I／V轉換，并將信號放大。運算放大器2完成信號調理和放大。由于粉塵測量儀的測量范圍很寬，一般為0.01～20 mg／m3，在這樣寬范圍內保持測量數據的線性和準確，使用常規的放大電路是較為困難的。這是因為要保證在極低濃度時測量準確，必然要將放大器設計成很高的增益，然而當粉塵濃度達到3 mg／m3時，放大器幾乎達到飽和，因此按常規設計方案不能滿足0.01～20 mg／m3的測量范圍。為此，設計了一個硬件和軟件相結合，能完成自適應測量功能的信號調理電路，如圖3所示。
圖3電路是一個8選1程控放大器，放大器的放大倍率通過程序控制可分為1，2，4，5，10，20，30，50，自適應測量功能的實現如下：當儀器進入測量微處理器發出控制命令，使程控放大器處于放大倍率50狀態，讀取數據后判斷程控放大器是否處于最佳的工作狀態，若發現溢出或不在最佳的工作狀態，則改變程控放大器的放大倍率，使其進入最佳的工作狀態，為了使測量數據統一，可以通過軟件進行修正。測量控制軟件的流程如圖4所示。
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