烟尘气溶胶介质中的激光散射场特性研究

发布时间：2017-06-30 15:02

  本文关键词：烟尘气溶胶介质中的激光散射场特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：烟尘排放物检测是掌握烟尘污染状况、预测烟尘污染发展趋势的重要手段。随着烟尘排放标准越来越严格,传统浓度检测技术暴露出诸多局限性。而光散射法由于具有瞬态测量、测量范围广以及非接触测量、不损坏样品等特点,在烟尘浓度测量方面将成为重要的测试手段,得到广泛应用。本论文围绕激光在烟尘介质中的传输模型建立以及烟尘浓度检测实验验证方法开展研究。主要完成的工作如下：首先,依据单粒子的电磁波散射理论和Mie散射理论,建立单个颗粒的光散射模型,并通过MATLAB软件模拟计算了烟尘颗粒的光学特性参数,主要包括散射系数,消光系数、不对称因子以及单次反照率等。其次,基于辐射输运理论和多重散射的Twersky理论,建立激光在烟尘气溶胶介质中的传输模型,采用蒙特卡罗方法研究烟尘微粒对激光的多重散射,并在MATLAB开发环境中对该输运过程进行数字模拟,分析研究了不同粒子特征参数(颗粒粒径、入射波长、粒子数密度)的散射光强随散射角和烟尘厚度的变化规律。然后,设计了烟尘气溶胶介质的散射场特性检测方案,阐述了检测系统的工作原理,对检测系统中光源、光学元件、光电探测器等关键器件进行选型,同时设计环形光电探测器,完成了光电阵列探测电路的硬件电路设计与实现。最后,通过搭建原理样机检测平台,测量了不同散射角下的散射光强分布,分析研究了最佳波长的选取,并完成了浓度检测系统的标定,对实验误差进行了分析。通过本课题的理论分析和实验研究,表明其理论模型是可行的,为更加复杂的多分散系分布的烟尘颗粒浓度检测奠定了基础。
【关键词】：Mie散射 辐射输运理论 蒙特卡罗 ·前向散射 浓度检测
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X831;TN24
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 烟尘污染的危害10
• 1.1.2 烟尘污染监测的必要性10-11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 主要研究内容12-13
• 1.4 章节安排13-14
• 2 颗粒光散射的基础知识14-21
• 2.1 电磁理论14-16
• 2.1.1 麦克斯韦方程组14-15
• 2.1.2 单一颗粒的散射15-16
• 2.2 光散射分类16-18
• 2.2.1 弹性散射和非弹性散射16-17
• 2.2.2 不相关散射和相关散射17-18
• 2.2.3 单散射和多重散射18
• 2.3 散射相关的物理量18-20
• 2.3.1 散射截面G_(sca)与散射系数Q_(sca)18
• 2.3.2 吸收截面G_(abs)与吸收系数Q_(abs)18
• 2.3.3 消光截面G_(ext)与消光系数Q_(ext)18-19
• 2.3.4 散射振幅函数S与散射强度函数I_s19-20
• 2.4 本章小结20-21
• 3 单烟尘粒子散射特性分析21-26
• 3.1 球形微粒Mie散射公式21-23
• 3.2 数值计算与分析23-25
• 3.3 本章小结25-26
• 4 多重散射特性研究26-39
• 4.1 输运理论26-29
• 4.1.1 输运理论中的基本量26-27
• 4.1.2 强度率的微分方程和积分方程27-29
• 4.2 多重散射的Twersky理论29-31
• 4.3 蒙特卡罗法31-37
• 4.3.1 概率模型31-32
• 4.3.2 蒙特卡罗数值计算32-37
• 4.4 光源波长的选取37-38
• 4.5 本章小结38-39
• 5 散射场特性检测方案设计39-49
• 5.1 检测装置总体方案39-40
• 5.1.1 检测装置方案设计39
• 5.1.2 检测系统原理39-40
• 5.2 环形光电探测器设计40-42
• 5.3 器件选型42-44
• 5.3.1 光学元件选型42-44
• 5.3.2 光源模块44
• 5.4 光电探测阵列44-48
• 5.4.1 光电探测器选型46
• 5.4.2 电流-电压变换电路设计46-47
• 5.4.3 差分放大电路设计47-48
• 5.5 本章小结48-49
• 6 基于散射场特性烟尘浓度检测实验49-59
• 6.1 浓度测量实验平台49-51
• 6.2 实验内容51
• 6.3 光源最佳波长选取实验51-53
• 6.3.1 实验测量流程51-52
• 6.3.2 实验最佳波长选取52-53
• 6.4 角度散射光强53-54
• 6.5 系统标定54-58
• 6.6 误差分析58
• 6.7 本章小结58-59
• 7 结论与展望59-61
• 7.1 结论59-60
• 7.2 展望60-61
• 参考文献61-65
• 致谢65-67

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