基于FPGA和AVR的气溶胶粒径谱测量关键技术研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ck0551
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由于自然界火山爆发、海水溅沫以及人类工、农业生产活动等影响,产生了大量的气溶胶粒子,它们被直接排放到空气中,不仅影响地球辐射平衡,降低大气能见度,而且影响人类健康。当前,气溶胶已成为衡量大气污染状况的重要指标,在大气辐射、空气污染、大气物理化学性质等方面扮演着重要的角色。对于气溶胶的研究已成为气候气象、人类健康、环境监测等众多学科领域所关注的焦点,尤其是气溶胶的基本特性的研究,是研究气溶胶对气候环境和人类健康的基础。气溶胶粒子浓度、大小和化学组成是构成气溶胶对人类健康危害的三大要素。因此,如何持续、有效地监测气溶胶粒子粒径分布的数浓度信息成为我们越来越关心的问题。在此目标的驱动之下,我们分析了国内、外气溶胶监测方法的优、缺点,开展了基于飞行时间(Time-Of-Flight,TOF)测量原理的气溶胶空气动力学粒径测量系统(气溶胶空气动力学粒径谱仪)的研制工作。   本论文针对这一粒径测量系统之关键技术进行研究,在了解和熟悉系统之空气动力学喷口与气路系统、双光路结构及散射光收集系统的基础之上,重点对电子学信号处理系统方面的研究与优化。利用电子学多道存储技术,设计了基于大规模可编程逻辑器件FPGA、AVR单片机和双口RAM的高速大容量存储电路,实现气溶胶粒子识别和分类计数存储,准确、有效地提取到气溶胶空气动力学粒径信息。该存储器容量高达32768道,每道可计数65535个粒子,操作速度在ns量级。   设计完成之后,对系统进行了校准,分析了误差来源、影响系统测量精度的因素以及校准过程中提高精度的注意事项等。   最后,进行了大量的实验,将自行研制的空气动力学粒谱分析仪与美同TSI公司生产的同类产品APS-3321的测量数据进行比对和分析,结果表明,两者具有较好的一致性。
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