本文關(guān)鍵詞：高精度光散射式氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)研制

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【摘要】：隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,環(huán)境污染越來越嚴重,而氣溶膠質(zhì)量濃度是評價大氣環(huán)境變化的重要參數(shù),光散射法是在線非接觸測量該參數(shù)的有效方法。光散射法包括顆粒群法和單粒子法,本文將以單粒子光散射法作為測量方法,對粒子散射光信號的采集處理及相對濕度的影響分析與修正做了詳細的研究,具體工作如下：基于對顆粒電壓信號的非均勻劃分方式,設(shè)計了多通道信號采集電路,實現(xiàn)了對前端光學傳感器輸出信號的采集,通過FPGA和STM32的協(xié)同工作,結(jié)合氣溶膠質(zhì)量濃度的分形反演模型,完成了對顆粒物質(zhì)量濃度的測量。實驗結(jié)果表明：對于煙塵和空氣樣品,采用多通道信號采集電路給出的顆粒物電壓信號幅度分布反演的質(zhì)量濃度值與實際測量值吻合較好,擬合直線斜率與1的絕對差為0.034和0.016,相關(guān)系數(shù)高于0.999,四組實驗平均相對誤差均小于7.7%；而采用電壓積分量反演的質(zhì)量濃度平均相對誤差則在18.7%以內(nèi)。當環(huán)境相對濕度較高時,因顆粒具有吸濕性,其密度、折射率及形貌特征等物理性質(zhì)發(fā)生變化,從而影響其散射光信號,此時若采用低濕度條件下系統(tǒng)的標定參數(shù)反演氣溶膠質(zhì)量濃度,將會降低其測量精度。因此,高濕度情況下必須對系統(tǒng)的標定參數(shù)進行修正,即確定標定參數(shù)與相對濕度之間的關(guān)系。本文首先基于Mie散射理論和實測資料給出的氣溶膠顆粒粒徑及折射率濕度增長模型,從理論上詳細計算了相對濕度對球形顆粒散射光信號的影響。其次,采用粒子群優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對高相對濕度下的質(zhì)量濃度值進行補償處理,實驗表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對顆粒物濕度的影響具有補償作用,有效修正了相對濕度引起的測量誤差。本文對氣溶膠質(zhì)量濃度的測量研究正好符合國家當前對大氣環(huán)境監(jiān)測的實際需求,同時也使得基于單粒子光散射的質(zhì)量濃度測量方法更加完善。
【關(guān)鍵詞】：光散射 質(zhì)量濃度 多通道設(shè)計 相對濕度 PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X84
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 第一章 緒論8-17
• 1.1 研究背景和意義8-9
• 1.2 氣溶膠質(zhì)量濃度的常用測量方法9-12
• 1.3 國內(nèi)外光散射法研究現(xiàn)狀12-14
• 1.4 本文研究內(nèi)容和各章節(jié)安排14-17
• 第二章 單粒子光散射法測量濃度的原理17-26
• 2.1 測量系統(tǒng)17-22
• 2.1.1 光學傳感器18-21
• 2.1.2 散射光信號采集處理系統(tǒng)21-22
• 2.2 氣溶膠質(zhì)量濃度的反演算法22-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第三章 氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計26-40
• 3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計26-28
• 3.2 電壓幅度甄別器電路與分通道測量28-31
• 3.3 多通道采集電路與外圍電路31-34
• 3.4 微控制器與外圍電路34-38
• 3.5 PCB布局布線的設(shè)計38-39
• 3.6 本章小結(jié)39-40
• 第四章 氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計40-50
• 4.1 Quartus Ⅱ與FPGA的開發(fā)40-45
• 4.1.1 FPGA設(shè)計流程40-42
• 4.1.2 多通道脈沖計數(shù)器的Verilog語言設(shè)計42-44
• 4.1.3 FPGA實現(xiàn)的RAM的緩沖模塊及接口模塊44-45
• 4.2 Keil MDK與STM32開發(fā)45-49
• 4.2.1 STM32控制器程序設(shè)計46-47
• 4.2.2 FSMC與LCD顯示設(shè)計47-49
• 4.2.3 RS232串口通信程序設(shè)計49
• 4.3 本章小結(jié)49-50
• 第五章 氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)的信號處理分析50-58
• 5.1 氣溶膠質(zhì)量濃度的標定實驗裝置50-51
• 5.2 信號幅度分布反演濃度的標定實驗51-52
• 5.3 實驗測試結(jié)果52-57
• 5.4 本章小結(jié)57-58
• 第六章 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的濕度補償與性能分析58-84
• 6.1 球形顆粒的散射光通量計算58-62
• 6.2 氣溶膠粒子粒徑與折射率的濕度增長模型62-64
• 6.3 相對濕度對顆粒散射光信號的影響的數(shù)值計算64-70
• 6.4 基于PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的濕度補償性能分析70-83
• 6.4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法理論70-74
• 6.4.2 PSO優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)74-77
• 6.4.3 系統(tǒng)實驗測試分析77-79
• 6.4.4 PSO-BP數(shù)據(jù)融合算法構(gòu)建79-83
• 6.5 本章小結(jié)83-84
• 第七章 結(jié)論與展望84-86
• 7.1 結(jié)論84-85
• 7.2 展望85-86
• 參考文獻86-92
• 致謝92-93
• 作者簡介93-94

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