光散射基本原理-资料

光散射基本原理

完整的Mie理论可以表达为一个数学级数，它包括所有微粒粒度，此级数的第一项相当于Rayleigh散射公式，为此在微粒较小时，瑞利散射与Mie散射相比其误差在1%以内。其角散射光强表达式：

92Hcos20022 I()2VI0 （1） 24R20在一般情况下散射是非相干的，各微粒的散射可以相加。根据偶极子辐射电磁波的能流密度可以导出当光强为I0，在散射角，距离散射体为R处的散射光强：

92Hcos20022()NVI0 （2） I242R204r3其中V，N为单位体积内的粒子数，、0分别为空气中和真空的介电常

3数，R为光敏感区到光接受器件的距离，为散射角，r为粒子的半径，I0为入射光强，为光源的波长，H为与测量系统几何尺寸有关的一个常数

[28]

。

对于本系统来说，光散射示意图如下图1所示，坐标原点为O，l、d分别为阵列型硅光电池的长和宽的大小，为散射角，h为进气口和出气口到硅光电池的垂直距离。

l dl d

h  d 图1 散射光示意图

则系统的两片阵列型硅光电池接收到的散射光总和为：

II12cos29Hhdsin122R24002()2NV2I0 （3） 20计算式（3）中的积分可得如下关系式：

92H002)2(INsectan2cos2)V2NI0 （4） II24(11R201显然，在某一测量系统中、、0、R、H、I0可以认为是常数。散射光在阵列型硅光电池上的面积积分INsectan212cos21只与系统的气室设

置有关，当硅光电池的大小、进气口和出气口到硅光电池的距离设定后即为定值。由于进行质量浓度测量时，粉尘颗粒是一起通过光敏感区，因此在入射光强保持不变的情况下，散射光强I与N有关，即与粉尘颗粒的浓度大小成线性关系。

气路系统设计分析

气路系统：气路系统负责从管道抽取采样气流，并使带有被测尘埃粒子的采样气流通过光敏感区，以得到粒子的散射光信号，采样的流量由流量计和流量调节阀来控制。

采样气流的速度分布特点沿用射流模型，可把流场分成混合区和扩散区两部分，混合区的速度分布特点是中间的等腰三角形 ABC 部分是等速核心区，在此区域内的速度不变；在等速核心区外流速逐渐下降，到边界 BE 和 CF 处降为零；在扩散区射流进一步扩散，其速度分布特点是沿中心线越往下流，速度越小，而扩散角也比混合区大。

根据 W.Tollmien 射流理论[36]，等速核心区的长度为

X0=4.8bs/a (4-04)

式中，bs 为喷嘴出口处的直径，a 为表征射流流动结构的经验参数，当喷嘴出口处各点流速相等时，则取 a=0.66，因而 X0=7.3bs。

为了保证光敏感区各点流速尽量相等，我们把排气口设计在等速核心区内，即把光敏区设置于射流混合区内。混合区内任一截面 x 处的气流直径有下式决定

b=(2x/3x0+1)bs (4-05) 假设大气中尘埃粒子颗粒的浓度最高为 N=106个/升(通常把此值作为严重

污染的大气含尘浓度)，根据 Reasch 给出的计算公式[37]

V=0.1/N (4-06) 式中，N 是待测试样中的颗粒数浓度（个/㎝3），V 为光敏感区的容积。 可算得光敏感区的容积 Vmax=0.1㎜3。根据光束厚度 h=0.013mm，则喷嘴出口处的直径

实际装置中，设计加工的喷嘴出口处的直径 bs=1.24 ㎜.又光敏区的宽度 b=1.6㎜，则计算出光敏感区离开进气喷嘴的距离 x=4 ㎜。因此我们认为，被测尘埃粒子可能在气流横截面内的任一点处通过光敏感区。所以，根据式计算出的喷嘴出口处直径可保证采样气流中所有尘埃粒子都通过光敏感区，因而不会出现漏计数。