数字式测尘仪本科毕业设计.doc

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1、本科毕业论文目录摘要IAbstractII附图索引III附表索引IV第一章 绪论11.1 概论11.2 问题的提出11.3 粉尘浓度测量方法的选定21.3.1 采样法21.3.2 非取样法31.4 论文的主要内容41.5 相关技术发展状况41.5.1 激光源的发展状况41.5.2 光电传感器的发展状况51.5.3 单片机的发展状况6第二章 系统设计要求72.1 系统分析72.2 工业控制状况72.3 本设计控制系统9第三章 理论基础与测量原理103.1 粉尘简介103.2 散射理论简介103.3 Mie散射理论简介133.4 光散射法测量粉尘浓度15第四章 MCS-51单片机硬件和电路图设计1

2、74.1 系统方案框图174.2 光学部分174.3 硅光电池传感器184.4 电路部分设计194.4.1 光电转换194.4.2 模拟信号转换194.4.3 模拟信号放大204.5 模数转换（A/D）及其与单片机电路接口设计204.5.1 A/D转换器分类214.5.2 AD574模数转换器214.5.3 AD1674的性能参数224.5.4 AD1674的管脚功能224.5.4 AD1674模拟量输入电路外部连线234.5.5 AD1674模拟量单极性输入电路244.5.6 本设计中AD1674模数转换器与8051单片机接口设计254.6 4位液晶（LCD）显示及其与单片机的接口设计264

3、.6.1 LCD的结构示意图264.6.2 LCD的驱动方式274.6.3 用CC14543实现对LCD的交流驱动274.6.3 本文中液晶显示器（LCD）与8051单片机的接口设计284.7 微型打印机及其与单片机的接口设计304.7.1 打印机的分类和工作原理304.7.2 本文中TPP-16B微型打印机与8051单片机的接口设计314.8 拨动开关及其与单片机的接口设计324.8.1 拨动开关324.9 键盘及其与单片机的接口设计334.9.1 键盘输入及去抖动344.9.2 单片机中的键盘354.9.3 独立式按键与8051单片机的接口电路354.10 8051单片机完整硬件电路图36

4、第五章 系统的软件设计385.1 8051单片机385.1.1 引脚功能385.1.2 汇编指令405.2 程序流程图415.2.1 系统主程序流程图415.2.2 A/D转换子程序流程图415.2.3 4位LCD浓度值显示子程序流程图425.2.3 打印机中断子程序流程图435.2.4 设定测定时间中断子程序流图435.3 系统程序的设计44结束语52参考文献53致谢54- 2 -摘要随着社会公众对大气污染越来越关注，国家加大了对空气中粉尘的检测力度，同时粉尘的检测对煤矿等工业也有很大的重要性，所以对粉尘的检测具有极大的意义。本文设计了一套数字式粉尘测尘仪，能过适用于公共场所可吸入颗粒物PM

5、10浓度的快速测定、工矿企业生产现场劳动卫生方面呼吸性粉尘、总粉尘的测定。本文设计的数字测尘仪基于硅电池的光电传感器来检测大气中的粉尘浓度，并采用MCS-51（8051）单片机来作为测尘仪的控制核心。大气中的粉尘浓度经过光电传感器检测输出检测电流信号，并将其转换为检测电压信号送入A/D模数转换器转换成数字信号，最终进入单片机控制系统系统进行数据的采集、运算、显示等过程。本文设计的数字式测尘仪具有实时显示的功能，且能过手动设定检测时间、使用专用打印机现场输出数据以及可存储一定检测数据。本文设计的数字式测尘仪具有测定快速、准确、性能稳定、检测灵敏度高等特点。关键词：粉尘浓度；数字式测尘仪；8051

6、单片机；光电传感器AbstractAlong with the social paying more and more attention to the air polution, the country stepped up efforts in detecting the airs dust.At the same time, the detection of the dust also have very big the importance in industrial such as coal mine, so the detection of dust is of great sig

7、nificance. This paper designs a set of digital dust measuring dust instrument which can apply to the fast determination of PM10 in the public, the determination of labor health respirable dust and total dust in the industrial and mining enterprise production site.This paper designed digital measurem

8、ent instrument based on the dust silicon photoelectric sensors to detect the atmospheric dust concentration. And the apparatus uses the MCS-51 (8051) single chip microcomputer as its cybermtics core. Photoelectric sensor detection Atmospheric dust concentration after output detect electrical signals

9、, then converts it to the voltage signal and put it into A/D adc converting it into digital signals.Finally the digital signals is put into the single chip microcomputer control system which acts collection, an operation, display, and other process of the data. This article designs of the digital du

10、st measuring instrument with real-time display of dust function. And it can set manual testing time, use the special printer output data and can store the certain test data. This article designs of the digital dust measuring instrument has was rapid, accurate, stable performance, the higher detectio

11、n sensitivity.Keywords: dust concentration; Digital instrument measured dust; The single chip microcomputer 8051; Photoelectric sensor附图索引图1. 1粉尘浓度测量方法的分类2图3. 1尘粒散射示意图13图4. 1系统框图17图4. 2测尘仪光学系统简示图18图4. 3硅光电池传感器的测量电路19图4. 4光电流信号到电压信号转换电路20图4. 5电压信号的放大电路20图4. 6 AD1674模拟单级性输入电路24图4. 7 AD1674与8051单片机的借口电

12、路26图4. 8 LCD（液晶显示器）结构示意图27图4. 9 CC1454328图4. 10 8051和CC14543及借口电路29图4. 11 TPP-16B微型打印机与8051单片机的接口电路31图4. 12微型机并行打印时序32图4. 13 8线拨动开关33图4. 14 拨动开关与单片机的接口电路33图4. 15按键的抖动信号34图4. 16滤波电路34图4. 17消抖电路34图4. 18键盘与8051的接口电路36图4. 19基于单片机系统的硬件图37图5. 1 8051引脚图38图5. 2主程序流程图41图5. 3 A/D转换子程序流程图42图5. 4 LCD显示子程序流程图42图

13、5. 5打印机中断流程图43图5. 6检测时间设定中断流程图43附表索引表4-1 AD1674各控制输入脚功能23表4-2 AD1674输出数码与输入电压间关系24表4-3输出数字量与输入模拟量的关系25IV第一章 绪论1.1概论八十年代以来，随着现代工业和科学技术的迅速发展，在众多的工业部门中都会遇到各式各样的粉尘浓度测量，粉尘浓度的测量已经显得越来越重要。比如煤矿作业中就需要测量生产环境中的粉尘浓度，用以防止粉尘的各种危害。同时国家已加大对大气中的可吸入颗粒物浓度的测量要求：2011年1月1日开始，环保部发布的环境空气PM10和PM2.5的测量重量法开始实施，该法首次对PM2.5的测量进行

14、了规范；国务院总理温家宝2012年2月29日主持召开国务院常务会议，统一发布修订的环境空气质量标准，历时4年修改后，PM2.5终于写入“国标”，纳入各省市强制检测范畴。因此空气粉尘浓度的测量，在环境保护、消防安全以及工业生产和科学试验领域都有重要的领域。1.2 问题的提出随着工农业的发展，特别是工业的发展，粉尘的危害也越来越重要了。工业过程不仅源源不断地提供人们需要的产品，而且也不断地产生各种各样的工业粉尘。工业生产、交通运输和农业活动，已经产生了大量的粉尘。据统计，农业粉尘约占粉尘的10%左右，大量的粉尘来源于工业生产和交通元素。电厂的输煤系统、煤矿、隧道施工现场，尤其建材工业，化学工业，工

15、业与民用锅炉产生的粉尘最为重要。我国矿井较多，其中尤以煤矿粉尘较突出。我国是产煤大国，也是用煤大国，在总的能源构成中煤炭约占75%左右，这一状况在今后相当长的时间内不会有更本性的改变。煤矿再生产、贮存、运输及巷道掘进等个个环节都会向井下空气中排放大量的粉尘。尤其在风速较大的作业场所，粉尘排放量猛增，据资料统计，有的矿区排向井下空气的煤尘是煤炭的产量的1.6%以上。粉尘对人体健康的危害主要有以下几方面：（1） 大量粉尘在肺泡上沉积下来，可引起肺组织的慢性纤维化，使肺泡的机能下降，导致肺心病、心血管病等一系列病变。（2） 大气粉尘是多种污染物的“载体”和催化剂“。（3） 粉尘还能散射和吸收阳光，降

16、低能见度。如城市接受的阳光辐射平均比乡村低20%，且主要是紫外线部分。儿童所受的紫外线照射减少，妨碍了儿童体内维生素D的合成，使肠道吸收钙、磷的机能减退，使钙代谢处于平衡状态，造成骨骼钙化不全，成为佝偻病的起因，导致小儿软骨病。（4） 进入人体呼吸系统后，其中有毒有害物质很快被肺泡吸收，没有经过肝脏的转换就进入血液，对人体健康危害很大。（5） 另外，对于矿井来讲，粉尘的爆炸危害主要是指煤尘爆炸，煤尘爆炸造成的人员伤亡和财产损失相当惊人的，对煤矿工人生命和国家财产造成重大损失。由上所述，粉尘危害日益严重，大气中过大呼吸性粉尘粒子对人体的健康会造成不良的影响，除了呼吸性粉尘对人体的危害外，一些可燃

17、粉尘还具有爆炸性，对粉尘浓度进行监控是防止粉尘爆炸的一项措施，也是研究粉尘爆炸规律时必须测定的参量。对粉尘浓度的测量具有十分重要的意义。1.3 粉尘浓度测量方法的选定经过多年来的研究开发，目前国内外开发生产的各类测尘仪器及采用的测量方法各种各异，粉尘浓度的表示方法也不一定相同，但是他们大致可以分为两大类：其原理分别基于取样法和非取样法。图1.1列出了这些方法。图1.1粉尘浓度测量方法的分类1.3.1 采样法取样法，即从待测区域中抽出部分具有代表性的含尘气样并送入随后的分析测量系统来测量粉尘的浓度与粒径的方法。其基本工作原理是：从含尘区域采集一定体积的粉尘式样，过滤或分离其中所含尘粒，根据集尘质

18、量和体积等计算出气体的含尘浓度，同时将过滤下来的尘样利用各类粒度测量及其它分析测试一起进行测量分析，便可进一步获得尘粒的平均粒径、粒径分布及其物理特性、化学组成等。取样法从原理上最基本和最简单，这种方法的关键在于所取尘样是否具有代表性。由于在使用良好的情况下，它可以得到比较可靠的结果，因此，包括我国在内的一些国家至今尚把它作为标准方法。但是它的缺点也很明显，主要包括：1） 对采样操作要求高，如果不能做到等速采样就会给测量结果带来误差，即使满足了等速采样的条件，含尘气体在输送过程中也可能会发生损失，使测量结果不正确。2） 该采样法为点测量，每次只能检测某一点处的气样，为了获得整个含尘区域粉尘的平

19、均浓度值，就需要采用在多点处进行测量并加以平均的做法，这样无疑会大大增加测量工作量。3） 需要手工进行操作，影响测量精度的因数较多，且操作程序繁杂、占用房间和设备较多、采样时间较长、仪器维修量大、花费成本较高等等。由于该方法自动化程度低，因而只能定期进行监测，很难用于实时在线监测。为了充分发挥取样法测量原理简单可靠的优点，弥补它测量时间长、自动化程度低、难以用于在线监测等特点。虽然目前人们开发了自动取样装置，用以提高取样的自动化程度，同时还把射线、压电振动机超声衰减等新测试技术应用到取样后级测量系统中，提高了取样法测量的实时性，拓宽了它在工业上应用的前景。但是还是难克服要采样以及采样过程中带来

20、的费时费力、实时性差等各种不足。1.3.2非取样法非取样法就是测量是不用取样，而是利用粉尘的物理、光学等特性直接测量粉尘排放浓度计粒径大小的方法，主要有： 黑度法，它是视觉观察煤烟，并将其黑度与林格黑度表相比较来确定烟气浓度。 散射法，它是通过测量颗粒受光照射后所发出的散射光信号大小来测量北城颗粒的重量浓度。 消光法，它是利用光线通过粉尘介质时由于颗粒对光线的散射和吸收，使光强发生衰减的原理来测量粉尘浓度。 MESA测量法结合了透消光法和压电振动法两种方法，利用压电振动法测量粉尘的质量浓度后，然后根据消光法理论，求的粉尘的浓度与平均粒径。目前来看，一些非取样法尚存在的不足：黑度法测量结果可信性

21、不高，受各种主客观因素影响较大；消光法仪器灵敏度低，不适用低浓度粉尘浓度的测量；MESA测量装置结构复杂，由于原理上的局限性，测量误差大。但非取样法能实现在线测量粉尘浓度，其中一些可以自动、连续监测粉尘排放；另一些能同时给出粉尘的浓度与粒径。特别是光散射法具有不改变浮游粉尘的物理化学性质，测量精度高，能够实时监测出空气中含尘浓度等优点，因此该类方法前景较为广阔，故本次毕业论文采用基于光散射法的粉尘浓度测量设计方案。1.4 论文的主要内容从目前国内发展情况来看，我国目前现有的各类检测仪器和手段，除了取样法应用的较为普及，并被列入我国粉尘排放测试方法国家标准外，其余各种方法的仪器目前在这方面还停留

22、在比较落后的水平上，难以满足日益增长的环境保护和安全生产在线监测的要求，从另一侧面也反映这方面研究工作的迫切性和重要性。本次毕业设计的系统采用基于光散射法理论来测量大气中的粉尘浓度，主要由激光源、光电传感器以及单片机组成。系统利用激光源通过大气中的粉尘照射到光电传感器之上来检测出粉尘的浓度，并通过单片机进行控制以及数据的采集、处理与显示。1.5 相关技术发展状况1.5.1 激光源的发展状况激光器的种类很多，其中半导体激光器是以半导体材料（主要是化合物半导体）作为工作物质，主要以电流注入作为激励方式的一种激光器。最简单的半导体激光器是由一个P-N结构成的。由于能在室温下获得连续震荡而实用化以来，

23、已经过了1/4世纪。二十多年来，半导体激光器得到了飞速的发展，现在已经广泛用做各种仪器设备系统中。近十几年来，半导体激光器已成为世界上发展最快的一门激光技术。由于其独特的性能，使得它目前在国民经济中展现出了一些列的优点，包括测尘领域。其中有电流注入而激励的半导体激光器称为激光二极管。激光二极管作为重要的光源之一，具有以下几个优点：1.体积小，重量轻，光功率密度高。2.效率高，调制简单，工作寿命长。3.可集成，机械强度高。4.光谱范围宽，可与常用探测器相匹配。5.成本低，可批量生产。此外，半导体激光器还具有耐辐射，可靠性高，传递信息速度快等特点。可见在许多方面激光二极管的性能已经优于一些其他的典

24、型激光器件，它不仅具有重量轻、体积小的优点，而且具有相干性高、功率高、可靠性高、结构简单，价格便宜及工作速度高的等特点，因此本文设计的数字式测尘仪选用激光二极管作为光源器件。1.5.2 光电传感器的发展状况光电传感器都有一个光敏表面，当一定频率范围的光信号照射到光敏表面时，由于光电效应，即转换相同频率的电信号输出，电信号的大小与入射光强度成正比。微量光电传感器主要性能的参数有两个：一个是响应时间，一个是暗电流。响应时间越短，说明传感器能测量的频率越高，暗电流越小，噪声也就越小，则传感器的性能越好。最常见的光电转换器件有半导体光电二极管、光电三极管、光电池和光电倍增管等。光电倍增管是目前灵敏度最

25、高的观点传感器件，但它是真空器件，不耐冲击、振动，体积也较大，又需要高压电源供电，成本较高，用于户外测试仪器极不方便。光电二极管与光电池都是P-N结光伏器件，它们差别在于掺杂浓度不同，内阻不一样，响应速度不一样。光电三极管的特点是体积小，响应速度快，从接受光信号的观点来看，采用它是比较有利的，但它的光敏面积小，产生的信号比较弱，故亦不采用。硅光伏传感器也称硅光电池，是目前用得最广泛的一种器件。由于它的优良的性能已经逐渐取代了硒光电池。硅光电池价格便宜，光电转换效率高，性能稳定，作为光电转换元件在许多浓度计，比色温度计及其它分析仪表中被广泛应用。本文的数字式测尘仪所采用的传感器也正是光电池。它是

26、由本征硅材料参入浓度约为10161019个/cm3杂质原子制成的。硅光电池按基片材料不同可分为2DR型和2CR型两种。2DR型硅光电池是以P型硅为基片的，在基片上扩散磷形成N型薄层（厚约0.51um），构成P-N结，2CR型是以N型硅为基片，在基片上扩散硼形成P型薄层 ，构成P-N结，在经过各种处理后，加上电极而成。1.5.3 单片机的发展状况1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的

27、7位科学家”之一。 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。 1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

28、主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。 20世纪80年代初

29、，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。第二章 系统设计要求2.1 系统分析基本功能：适用于可吸入颗粒物PM10浓度的快速测定、工矿企业生产现场劳动卫生方面呼吸性粉尘、总粉尘的测定。主要性能：测量速度快、准确，性能稳定，适合各种复杂环境，检测灵敏度高。技术指标：1） 检测灵敏度 0.01mg/m3；2） 测定范围 0.01-100mg/m3；3） 重复性误差 2%；4） 测量精度 10%；5） 测定时间 0.1m、1m、3m、5m、10m、15m以及手动任意时

30、间；6） 输出方式 4位液晶显示，可直读CPM值以及质量浓度值mg/m3，亦可 连接专用打印机现场输出数据；7） 存储功能 可存储60组测量数据；8） 环境温度 0-40；9） 电 源 12V。同时，设计的仪器应符合卫生部WS/T206-2001公共场所空气中可吸入颗粒物（PM10）测定法-光散射法标准、劳动部LD98-1996空气中粉尘浓度的光散射式测定法标准以及铁道部TB/T2323-92铁路作业场所粉尘测定相对质量浓度与质量浓度的转换方法等行业标准。 2.2 工业控制状况2.2.1 基于单片机的控制及其优缺点单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)的特点是用于

31、自行开发控制系统，方便、灵活、成本低，可用低级语言、也可用高级语言编程。与微机相比其特点：1、集成度高、功能强，在一个芯片上，集成有计算机的5部分功能。2、结构合理，为哈佛（Harvard）结构，即数据存储器与程序存储器相互独立。1）容量大（16位地址线时，有64K的程序存储器和64K的数据存储器）、2）速度快（可达40MHz及以上）。3、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、功耗低4、指令丰富，有数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移、位指令等。2.2.2基于可编程控制器（PLC）的控制及其优缺点可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller）简称为PLC。是继电

32、器逻辑控制系统与微机相结合的产物。在工厂自动化中有广泛应用。PLC的功能：条件控制、定时控制、计数控制、顺序控制、数据处理、通信与连网功能等。PLC的特点：可靠性高、编程容易、组合灵活、输入/输出功能模块齐全、安装方便、运行速度快等。PLC广泛用于工厂自动化系统，由于其成本低，性能可靠，目前是工厂里应用最广泛的逻辑器件。单片机顾名思义实际上就是一个一片IC就是一个最简单的计算机，自己可以往里写程序，用途也非常广泛，主要用于一些智能化的仪表，家电等，体积小。DCS是前几年比较流行的计算机离散控制系统，主要用于过程控制，比如化工冶金等行业，近几年时髦起来的FCS叫现场总线，说是DCS的替代，但是有

33、的地方还不是很成熟，在相当一段时间里这两种系统会共存。2.2.3 基于工控机的控制及其优缺点工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制计算机，包括计算机和过程输入/输出通道两部分。 工控机特点：工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比必须具有以下特点： 机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用底板，底板上有PCI和ISA插槽。机箱内有专门电

34、源，电源有较强的抗干扰能力。 要求具有连续长时间工作能力。注：除了以上的特点外，其余基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机偏贵，但一般不会相差太多。 2.3 本设计控制系统本设计的产品较小，不属于大中型的控制系统，是一种便携式可移动的小型控制系统。其系统的复杂程度不高，要求的方便、可靠、有效，有支持简单计算即可。通过上面的分析，基于单片机的控制系统正好满足本设计的技术与性能要求，故本文采用基于单片机控制的测尘仪系统的设计与研发。本文使用的单片机的型号是MCS-51单片机，该单片机的功能足够满足数字式测尘仪的设计要求。第三章 理论基础与测量原理3.1粉尘简介在接

35、受理论之前，先介绍粉尘的一些基本概念，如粉尘的概念，粉尘的分类等等。何谓粉尘？粉尘（也称为“空气中的悬浮颗粒物”）指的就是生产过程中产生的，能较长时间悬浮于气体中的固体颗粒，其大小在100um一下。依照粉尘的不同特征，有不同的分类方法：1. 按粉尘的形状大小分类粒径在10um以上的容易沉降到地面的叫工业粉尘，他们在静止空气中可加速沉降。由于它们是用眼睛可以分辨的粉尘，又叫可见粉尘；粒径在10um到0.1um的称为飘尘，又称为显微粉尘，它们在静止空气中可等速沉降，普通显微镜可观测到；粒径小于0.1um的粉尘则称超显微粉尘，它们在静止空气中不沉降，仅随空气分子无规则的运动，要借助高倍显微镜才能观测

36、到。2. 按粉尘的理化性质分类按粉尘的理化性质分类，分为无机粉尘、有机粉尘、混合型粉尘。无机粉尘，包括矿物性粉尘（如石英、石棉、煤粉、滑石粉等）、金属粉尘（如铁、锡、铝、锰、铍及其氧化物）和人工无机粉尘（如金刚砂、水泥、耐火材料等）。 有机粉尘，包括植物性粉尘（如棉、麻、谷物、烟草等）、动物性粉尘（如毛发、角质、骨质等）和人工有机粉尘（如有机染料、炸药等）。混合型粉尘，为各种粉尘的混合物。大气中的粉尘一般都是混合型粉尘。粉尘浓度它是指的单位体积空气的粉尘含量，通常每立方米的空气所含粉尘的毫克数（mg/m3）或者克数（g/m3）来表示。这种表示方法又称为质量浓度。除了常用的质量浓度（mg/m3）

37、，还有数量浓度（粒子数/cm）以及体积浓度等。3.2 散射理论简介当光波通过不均匀媒质时，与媒质会发生相互作用，光强要发生衰减，称之为消光作用。消光作用又可以看作吸收和散射共同作用造成的。光的一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的一部分被介质吸收，光仍按原来的传播方向通过介质。既是，散射体除将照射光的部分能量散射外，与此同时往往还吸收部分照射光的部分能量，并将其转换为热能等其它形式，这也即是吸收作用。而吸收作用于散射，正式光电法测量粉尘所要利用的基本原理。光学上定义了散射截面s，它是假想的一个界面，散射体向四面八方辐射的总的散射功率可以表示为散射面与照射光强的乘积。散射截面是表征散射体

38、散射能力的一个等效截面。同理也有吸收截面a，散射体吸收照射光的功率，等于吸收截面与光强的乘积，能量全部被吸收，并转换。吸收截面表征了散射体吸收能力。同理消光截面e,它也是一个假象的截面，散射体对照射光的消光功率可以表示为消光截面与照射光强的乘积。已经知道消光过程为散射和吸收共同效果的总效果，即： (3-1)他们与散射体集合截面之比分别称为散射系数Qs、吸收系数Qa、消光系数Qe可以得到： (3-2)下面详细介绍一些关于散射的基本知识。光的散射是光在不均匀媒质中传播时发生的现象。例如一束光通过含有灰尘的空气，由于灰尘微粒使光波向四周散射，才能从侧面看到一个“光柱”。使得媒质均匀的原因主要有两种，

39、一种是在均匀媒质中无规则地散布着一些其它物质的悬浮颗粒，如气体中的尘埃、烟（固体微粒）、雾（液体微粒），液体中的杂质、悬浮颗粒、气泡，固体中杂质缺陷等。这样的媒质称作浑浊媒质。另一种原因是媒质虽很干净，没有杂质，但是由于分子的热运动造成了媒质密度的局部涨落（各向异性媒质还有各向异性涨落，这是由于部分分子的取向与均匀一致的方向有偏离，从而使媒质的极化率发生了涨落），破坏例如媒质的均匀性，由于这种原因引起的散射称作分子散射。主要介绍的是前一种媒质的散射。光散射现象是一种极其复杂的光学现象。媒质不均匀性引起的光散射，其原因可用经典振子模型来说明。在入射光的激励下，媒质分子中的电子作受迫振动。振动的电

40、子可以看作是向周围发射子波的波源。由于不均匀媒质中悬浮微粒毫无规则的排列，或者由于密度的无规则涨落，破坏了子波源之间的确定位相关系，它们发出的子波叠加而成的光波传播这便是散射光。宏观看来就是其中一部分光偏离原来的主要传播方向的现象。按照散射光的波长的特点，散射可分为两类：一类是波长不变的散射，即散射光波长等于入射光波长（如瑞利散射）。在这类散射过程中媒质分子本身的能态不发生变化，子波源作受迫振动的频率等于入射光的激励频率。另一类是散射光波长和入射光波长不相等的散射（如拉曼散射）。这种散射过程中分子的能态也要发生变化。同样只介绍前一种。对于前一种散射，如果粒子的大小比入射光的波长小得多，通常产生

41、瑞利散射。散射光的信号强度与d2/2成正比。其中，d是粒子的直径，是入射光的波长。当粒子的大小可以与光的波长相比时，散射理论变得较为复杂。这时我们称散射为Mie散射。Mie散射与瑞利散射的区别在于散射微粒较大，可与光波长相比。1908年，Mie从求解电磁波的麦克斯韦方程组出发，解出了一个关于光散射的严格数学解，得出了各方向同性均匀粒子的光散射规律，建立了微粒的光散射理论Mie理论。1957年，H.C.Van de Hulst出版了关于微小粒子光散射现象的专著，总结了粒子散射的普遍规律，这本书被认为是光散射理论领域的经典文献。1969年，C.F.Bohren，O.R.Huffman综合前人的成果

42、，又发表了关于微小粒子的光散射及吸收的一般规律，更全面地解释了光的各种散射现象。至此，微粒的光散射理论完全建立起来了。目前，各种光散射测粒技术其基本原理主要是基于经典的光散射理论（Mie散射理论）及其近似结论。根据Mie散射理论，介质中的微小颗粒对入射光的散射特性与散射颗粒的粒径大小及其相对折射率有关，反映其散射特性的物理量有强度函数、散射系数、吸收系数以及消光系数等。各种激光散射测粒仪正是根据对颗粒散射光的不同物理量进行测量而计算出颗粒的大小、分布等参数。在激光散射测量粉尘浓度中，首要的问题是要从理论上精确地计算出光散射的有关物理量。光散射物理量与散射颗粒的大小及光学特性密切相关，散射颗粒的

43、大小通常以无因次颗粒粒径参数=d/b表示，其中d和分别是待测颗粒的直径和入射光波长。至于颗粒的光学特性，指的是待测颗粒对介质的相对折射率。它的定义为： 介质的折射率等于光在真空中的速度c与光在该介质中的速度v之比。由于待测颗粒及其所处介质的不同，其相对折射率会有不同的数值。 (3-3) 其中，0，分别为真空下和介质内的介电常数；0，分别为真空下和介质内的磁导率；r和r为相对介电常数和相对磁导率。对于一般非磁物质，r1，因此有m.根据电磁理论，当介质处于频率为的单色光波中时，物质的折射率m可以表示为： (3-4)式中，为入射光波的角频率，-2,i为虚数单位。可见，折射率出现虚部是电导率不等于零的

44、结果（在入射光频率不接近介质共振频率时，近似为实数）。物质折射率的公式还可简写为： (3-5) (3-6) (3-7)其中折射率的实部n表示颗粒的散射特性，它反映了散射场的空间分布；虚部表示颗粒的吸收特性，它表述了电磁波在进入散射物质后的衰减。其虚部为零时，表示颗粒对入射光仅仅散射而无吸收，颗粒的相对折射率m为一实数。而有吸收时，虚部越大，吸收性越强。3.3 Mie散射理论简介Mie散射理论讨论的是各向同性的均匀球形颗粒的光散射问题，并给出了具有适当边界的麦克斯韦方程组的解。根据Mie理论，当直径为d的球形粒子受到一强度为I0，波长为的入射光照时，在与散射体相距r，与光轴z成角的观测点P处的散射光强，是由垂直于散射体和平行于散射体的散射光强为Ir、Il的综合效应引起的： (3-8)而散射面则为观测点与 z轴所构成的平面，如图2.1所示：图2.1 尘粒散射示意图由Mie理论，散射光强Ir、Il可表示为： (3-9) (3-10)式中，为入射光的偏振角。I1，I2为强度函数，它们表达式为： (3-11) (3-12) 其中，S1，S2为振幅函数，它们是由贝塞尔（Be