摘 要

近年来我国环境问题越发严重，其中空气污染问题尤为突出。空气污染对环境造成的危害其中一部分来源于空气中的细微颗粒物，PM2.5一词也随着人们环保意识的觉醒而变得耳熟能详。空气中的细微颗粒物会对人体造成极大的危害，细微颗粒物极其容易沉积在人体肺部同时引发病变严重时甚至致人死亡。颗粒物同时也对地球环境以及人类社会生产制造业带来了一定的危害。现如今，对颗粒物越来越严格的监测要求也使得针对细微颗粒物的测量技术需要进行不断地发展。激光散射法测量细微颗粒物浓度的灵敏度高，实时性强的优点十分适合这样的要求。因此，进行“激光散射法对细微颗粒物浓度的在线测量研究”具有一定的理论意义和实际过程应用价值。

本文主要利用了专业的数学软件对光散射中经典的Mie散射理论进行了理论计算，讨论了在入射光波长、颗粒物大小以及折射率变化的情况下对其散射光强度以及分布会造成一个怎样的影响。而后我们利用了从电厂排放煤灰中取得的颗粒物在专业的光学综合实验平台上进行了激光散射法对细微颗粒物浓度测量的实验，通过对实验仪器所测量得到的数据进行分析，发现散射光强度与细微颗粒物质量浓度的关系以及光强分布与理论计算有着较好的一致性，验证了激光散射法对细微颗粒物浓度在线测量的可靠性。

关键词：颗粒物；光散射；Mie散射理论；反演法

Abstract

The Environmental Problems get worse and worse in recent years, especially the atomospheric pollution gets more and more attention. It’s from the Particle Matter in the air that a fairly large part of the harm that the atomospheric pollution makes. The word “PM2.5” is heared often due to the environmental awareness of our citizens. The particle matter in the air do harm to human’s body, the matter can be deposited in human’s lung and cause lots of diseases, even death. At the same time, the particle matter are also harmful to global and the manufacturing industry of human society. Nowadays more and more strict monitoring request of the particle matters in the air requires that the measuring technique of the particle needs to be advanced. The method of light scattering stands out for its some advantage such as high-sensitivity and real time monitoring. Therefore, this research has both theoretical meaning and practical value.

This paper introduce the Mie theory at the beginning, then we do some theoritical calculations with two professional math softwares, and discuss that how some factors, includes incident light wavelength and the complex index of refraction, do influence to the intensity of the scattered light and summerized the characteristic of the scattered light distribution in the case of different particle sizes. After that we measure the particle mass concentration of the particle collected from the power plant in a special rate of the air flow. After the anlysis of the data, we get to know the good consistency of our results and the calculation that we did before, the result shows the feasibility and reliability of light scattering .

Key Words：Particle Matter；Light Scattering；Mie Theory；Inversion Method

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 细微颗粒物质量浓度测量的主要方法 3

1.2.1 取样法 4

1.2.2 非取样法 6

1.3 激光散射法测量的国内外发展现状 8

1.4 本文的主要内容 9

1.5 本章小结 10

第2章 激光散射法测量的基本原理 11

2.1 光散射基础知识 11

2.1.1 不相关散射和相关散射 11

2.1.2 单散射和复散射 11

2.1.3 散射相关物理量 11

2.2 Mie散射基本原理 13

2.3 本章小结 16

第3章 细微颗粒物光散射的理论计算与研究 17

3.1 理论计算所用软件 17

3.2 影响细微颗粒物散射光的几种因素 17

3.2.1 入射光波长对散射系数的影响 17

3.2.2 折射率对散射系数的影响 18

3.2.3 散射角度和粒径对散射光强的影响 19

3.2.4 不同粒径下的入射光波长和散射角对散射光强度的影响 19

3.3 本章小结 22

第4章 激光散射法的实验方案 23

4.1 实验目的 23

4.2 实验原理 23

4.3 实验材料及设备 24

4.3.1 实验材料及散射角度选择 24

4.3.2实验所用设备 24

4.4 实验操作流程 27

4.4.1 实验系统结构 27

4.4.2 实验操作 27

4.5 数据处理方法 28

4.6 本章小结 29

第5章 实验结果与讨论 30

5.1 实验结果 30

5.1.1 散射光强与质量浓度的关系 30

5.1.2 散射光的强度分布 33

5.2 实验结果误差分析 34

5.2.1 激光稳定性 34

5.2.2 环境光源的影响 35

5.2.3 实验数据处理数据方法的影响 35

5.2.4 样品颗粒物团聚现象 35

5.3 本章小结 35

第六章 实验结论与展望 37

6.1 实验结论 37

6.1.1 光散射法对细微颗粒物的测量的实现 37

6.1.2 实验所得散射光强分布与理论计算具有较好一致性 37

6.2 未来展望 38

参考文献 39

致谢 43

第1章 绪论

• 1. 研究的背景及意义

细微颗粒物可以分为固体颗粒物、液体颗粒物和气体颗粒物，而且这些颗粒物在通常情况下其粒径小于10^-3m，也就是毫米级别。细微颗粒物随处可见，如细菌、香烟、灰尘、水雾等。

颗粒物的来源十分广泛。按产生方式主要可以分为自然产生与人为制造，而人为形成的颗粒又可以分为工业形成与生活形成两个部分，来源于工业形成的颗粒物是由众多制造行业在生产过程中产生的，而来源于人类生活形成的颗粒物主要是由焚烧、尾气以及取暖等过程中产生的。自然产生的颗粒的主要来源包括天然粉尘，多尘天气，花粉孢子，云雾和雨雾等。