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基于光衰减法的黑碳气溶胶监测系统设计

摘要：根据光学衰减法原理，设计了一款黑碳气溶胶监测仪，可以实时监测

黑碳气溶胶的质量浓度，完成光强检测并保证精度要求；能够稳定地控制气体流

量；控制机械机构进行相应运作；仪器配置数据掉电不丢失；提供人机交互功能

监测仪硬件电路的实现。并分析了黑碳监测仪的数据和与其他仪器的比对数据。

关键词：黑碳气溶胶；光学衰减法

黑碳气溶胶[1](Blackcarbon，BC)是大气气溶胶中一种重要组成部分，

来源于含碳物质不完全燃烧而排放出来的无定型碳质，它在可见到红外波段范围

内对太阳辐射均有强烈的吸收。

根据测量黑碳气溶胶的浓度使用的检测方法分类，可以分为：热学法和光学

法。热学法基本原理是利用元素碳和有机碳的不同物理特性，采取分段升温分步

热解，得到元素碳和有机碳的含量；光学法是利用黑碳气溶胶对光的强吸收特性，

来测定大气中黑碳气溶胶的含量。通过对黑碳气溶胶的观测方法研究，为了满足

现在快速、实时监测的需要，确定采用光学衰减法来实现黑碳气溶胶的测量。

1光学衰减法黑碳监测仪系统

通过对黑碳气溶胶的观测方法研究，为了满足现在快速、实时监测的需要，

确定采用光学衰减法来实现黑碳气溶胶的测量。

1.1黑碳监测仪测量原理

光学衰减法可连续实时监测黑碳气溶胶的质量浓度。其原理是利用黑碳气溶

胶对可见到红外波段范围内的强吸光特性。如图1所示，监测仪以恒定的流速把

样气抽进监测室，使用透光均匀的石英纤维滤纸采集气溶胶样品，使其附着之上，

以固定波长的光源照射，因为黑碳的附着，通过石英载体的光强将减少，计算其

衰减量（ATN），黑碳浓度越高，衰减量越大。

图1光学衰减法测量原理示意图

1.2黑碳质量浓度计算

当一束光透过收集了空气样品颗粒物的滤纸时的光学衰减[2]为：

2-1

式中，为入射光透过空白滤纸的光强，为同一光源透过收集有气溶胶样品的

滤纸后的光强。

在有效范围内，光衰减量与单位面积石英滤纸上沉积的黑碳总质量有着线性

关系：

2-2

式中，是黑碳气溶胶的质量吸收截面，与监测光波长成反比。监测仪使用

880nm的近红外光作为黑碳浓度的标准监测光。的取值与采样点地理位置、污染

源、能见度、风速、湿度等不同而不同。

的增量与黑碳气溶胶质量浓度有线性关系：

2-3

式中，为采样流量，为采样时间间隔，为黑碳气溶胶沉积在石英滤纸上的面

积。

某一个测量周期与上一个测量周期间的采样点光学衰减的增量与采样点的

黑碳气溶胶质量的增量成正比[1]，即：

2-4

因此相邻两个采样周期内环境大气中的平均黑碳浓度（BC）可由下式计算：

2-5

2监测系统硬件电路设计

黑碳气溶胶需要在线实时监测，监测仪应易于操作，可靠性高。总体设计如

图3所示。系统采用NXPLPC1114微控制器为主控单片机；威纶MT8070触摸

屏为监测仪人机界面；系统采用20位精密、宽动态范围模数转换器DDC101；

根据系统运算、设置数据断电不丢失的需要，系统还扩展了EEPROM。

图3电路总体设计框图

2.1主控制器电路设计

根据监测仪的使用环境、长时间连续工作的特点，需要工业级的MCU。选

择了NXP公司的LPC1114FBD48/301作为主控单片机。LPC1114基于ARM

Cortex-M0内核，主频可达50MHz的32位控制器，下载和调试方便，体积小，

性价比高。支持睡眠、深度睡眠和深度掉电3种低功耗模式。

2.2光源检测电路设计

由于光电探测器的电流为nA级，非常微弱，弱电流检测中最重要的工作是

对弱电流的放大，通常采用的方法[6]有：跨阻放大器、积分放大器和I-F变换

器。跨阻放大器电路的缺点是对噪声干扰非常敏感，不能测量一段时间内的累积

输出电荷；积分放大器电路适合于测量缓慢变化的信号，电路存在死区时间，会

丢失部分电荷信息；I-F变换器电路设计复杂，稳定性、一致性较差。为克服传

统弱电流放大方法存在的不足，实现弱小光电流信号的精确测量，系统采用了模

数转换芯片DDC101。

2.3流量控制电路设计