CN102323193A - 一种激光散射法空气颗粒分布测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光散射法空气颗粒分布测量方法及装置，其特征在于包括带有测量腔和空气管道的气泵、设置在空气管道出口的测量腔一侧的激光器、设置在空气管道出口的测量腔内另一侧的陷光区、设置在空气管道出口的测量腔内一侧的带焦对焦透镜的光电探测传感器、与光电探测传感器的电信号输出相连的微电脑控制装置、显示屏，显示屏的的电信号输入与微电脑控制装置的电信号输出相连，光电探测传感器采用高灵敏度雪崩二极管。本发明与已有技术相比，具有现实可用的、能长时间实时测量、直接获取测量结果、并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、报警等功能、体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高的优点。

Description

一种激光散射法空气颗粒分布测量方法及装置

技术领域

 本发明涉及一种空气颗粒分布测量方法及装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，粉尘污染越来越严重。目前我国大气呈煤烟型污染，许多城市空气中的总悬浮颗粒物(TSP)长期居高不下，与世界卫生组织所给的空气质量标准相差甚远。粉尘对人类危害极大，尤其是小粒径颗粒物，因为小粒径颗粒物能长时间飘浮在大气中，难以沉降到地面，易进入人体呼吸道，且粒径越小，在人体呼吸道中的沉降位置越深，危害就越大。因此粉尘浓度的测量在环境保护领域中具有十分重要的意义，是迫切需要解决的问题。

粉尘即空气中的悬浮颗粒物，其大小在0.01～20um范围内。环境保护部门将空气动力学当量直径大于10um的悬浮颗粒称为可见粉尘，它们在静止空气中会快速沉降；空气动力学当量直径小于等于10um的悬浮颗粒称为可吸入颗粒物；空气动力学当量直径小于等于7.07 um的颗粒物称为呼吸性颗粒。

目前测量粉尘浓度的方法大致有以下两种类型：

基于取样的方法进行测量(如滤膜称重法)和基于非取样的方法进行测量(如光散射法)。基于取样的方法进行测量虽然容易实施，但是，理论上不容易进行实时测量；采用光散射原理进行粉尘浓度测量，理论上该测量方法可以实时在线测量，直接获取测量结果，并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、通信等功能，体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高也是该类仪器的明显优点，但是，到目前为止，还没有一种可靠的、实用的实用设备运用上述原理。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种现实可用的、能实时测量、直接获取测量结果、并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、报警等功能、体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高的激光散射法空气颗粒分布测量方法及装置。

本发明的激光散射法空气颗粒分布测量方法是这样实现的，通过气泵、测量腔中有空气管道连续抽取空气，使空气以恒定流速流过测量腔空气出射管口，然后在测量腔出射管口空气流过的地方，有一经透镜聚焦后形成的光敏感区，以垂直于空气流动方向射向流动着的空气，在激光射出方向一侧设置陷光区，将多余的光线吸取反射掉，在出射管口和激光光束所在平面的法线方向一侧设置光电探测传感器，将空气中的尘埃所散射的光探测后并转换成电子信号，经电路信号处理后传送经微处理器处理，微处理器根据预设程序对该电子信号做出分类判断并将该尘埃的做累计，并记录储存起来，这样，就能得出空气中的尘埃的含量及尘埃颗粒大小分布的数据。由于激光、透镜组、陷光区、光电探测传感器、气泵、测量腔、空气管道、微处理器都是技术很成熟的构件，经大数值孔径透镜聚焦后的激光，焦点半径达到微米级，其大小和尘埃的大小相配，因此，能有效分辨出流过空气管道的尘埃。在进行检测前，通过导入标准空气来进行参数校正，可有效保证检测的精确度。

这里，光电探测传感器采用的是高灵敏度的雪崩二极管并配以电子信号滤波放大电路。

本发明的激光散射法空气颗粒分布测量装置是这样实现的，包括带有测量腔和空气管道的气泵、设置在空气管道出口的测量腔一侧的激光器、设置在空气管道出口的测量腔内另一侧的陷光区、设置在空气管道出口的测量腔内一侧的带焦对焦透镜的光电探测传感器、与光电探测传感器的电信号输出相连的微电脑控制装置、显示屏，显示屏的的电信号输入与微电脑控制装置的电信号输出相连，光电探测传感器采用高灵敏度雪崩二极管。工作时，启动气泵，外界空气一恒定的流速通过测量腔空气管道，激光经透镜聚焦后在空气流过的区域形成一个直径为微米级的光敏感区，尘埃流过在光敏感区时会发生散射，尘埃的颗粒越大，散射的光强越大，光电探测传感器即时检测这散射光并转换成脉冲电子信号，该脉冲信号对应于粒子的粒径大小，散射光光强越大，脉冲电子信号越强，颗粒粒径越大，通过计算设定时间内的脉冲电子信号的数量及强弱，就可以获得空气中的尘埃的含量及颗粒大小数据，通过电路处理后可以得到空气中尘埃粒子的粒径数量分布，而且，这些数据是实时的数据。

这里，微电脑控制装置包括电信号滤波放大电路、信号采集电路、微处理器。光电探测传感器的电信号输出与滤波放大电路相连，信号采集电路的电信号输入与与微处理器的电信号输入相连。采用电信号滤波放大电路、信号采集电路，可有效地保证信号的稳定并排除外界电波的干扰。

本发明与已有技术相比，具有现实可用的、能长时间实时测量、直接获取测量结果、并可以实现数据存储、数据输出、自动测量、报警等功能、体积小、重量轻、操作简便、稳定性高、可靠性高的优点。

附图说明：

    图1为本发明的结构示意图；

    图2为激光器、光电探测传感器部分的结构示意图；

    图3为电信号滤波放大电路图；

    图4为微处理器电路图；

    图5为数据采集过程原理图；

图6为采用本发明所检测的尘埃的分布图。

具体实施方式：

    现结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述：

    本发明的激光散射法空气颗粒分布测量方法是这样实现的，通过气泵、空气管道抽取空气，使空气以恒定流速通过测量腔中，然后在测量腔内以垂直于空气流动方向的激光器从流动着的空气的一侧经透镜聚焦后在流动的空气区域形成一个光敏感区，在激光光束射出的地方设置陷光区，将多余的光线吸收反射掉，在空气出射方向和激光光束所在平面的法线方向有一由焦对焦透镜组跟光电探测传感器组成的探测器，将空气中的尘埃所散射光线的检测并转换成电子信号，经滤波放大电路分拣处理后传送到微处理器，微处理器根据预设程序记录分析电信号，这样，微处理器根据预设的时间段及在设定的空气流速的条件下所检测到得尘埃数量及大小就能得出空气中的尘埃的含量及尘埃颗粒大小分布的数据。

    光电探测传感器采用的是高灵敏度雪崩二极管并配以电子信号滤波放大电路。

    如图4所示，数据采集时，通过信号采集电路（由比较电路构成）将空气中的10um级、5um级、2um级、1um级尘埃所散射的光电信号采集出来并分别输入到微处理器中进行数据累加，从而获得上述不同级别尘埃的含量（如图5所示）。

    本发明的激光散射法空气颗粒分布测量装置是这样实现的，包括带有测量腔12和空气管道1的气泵2、设置在空气管道1出口的测量腔12内一侧的带有聚焦透镜13的激光器3、设置在空气管道1出口的测量腔12内的另一侧的陷光区4、设置在空气管道1出口的测量腔12内一侧的带有焦对焦透镜组14的光电探测传感器5、与光电探测传感器5的电信号输出相连的微电脑控制装置6、液晶显示屏7，显示屏7的的电信号输入与微电脑控制装置6的电信号输出相连，光电探测传感器5采用的是高灵敏度雪崩二极管。

    微电脑控制装置6包括电信号滤波放大电路8、信号采集电路9、微处理器10，光电探测传感器5的电信号输出与电信号滤波放大电路8相连，信号采集电路9的电信号输入与电信号滤波放大电路8的电信号输出相连，信号采集电路9的电信号输出与微处理器10的电信号输入相连。

Claims (5)

1.一种激光散射法空气颗粒分布测量方法，其特征在于通过气泵、测量腔中有空气管道连续抽取空气，使空气以恒定流速流过测量腔空气出射管口，然后在测量腔出射管口空气流过的地方，有一经透镜聚焦后形成的光敏感区，以垂直于空气流动方向射向流动着的空气，在激光射出方向一侧设置陷光区，将多余的光线吸收反射掉，在出射管口和激光光束所在平面的法线方向一侧设置光电探测传感器，将空气中的尘埃所散射的光探测后并转换成电子信号，经电路信号处理后传送经微处理器处理，微处理器根据预设程序对该电子信号做出分类判断并将该尘埃的做累计，并记录储存起来，这样，就能得出空气中的尘埃的含量及尘埃颗粒大小分布的数据。

2.根据权利要求1所述的激光散射法空气颗粒分布测量方法，其特征在于光电探测传感器采用的是集互阻抗放大器的雪崩二极管并配以电子信号滤波放大电路。

3.根据权利要求1所述的激光散射法空气颗粒分布测量方法，其特征在于数据采集时，通过信号采集电路将空气中的10um级、5um级、2um级、1um级尘埃所散射的光电信号采集出来并分别输入到微处理器中进行数据累加，从而获得上述不同级别尘埃的含量。

4.一种激光散射法空气颗粒分布测量装置，其特征在于包括带有测量腔和空气管道的气泵、设置在空气管道出口的测量腔一侧的激光器、设置在空气管道出口的测量腔内另一侧的陷光区、设置在空气管道出口的测量腔内一侧的带焦对焦透镜的光电探测传感器、与光电探测传感器的电信号输出相连的微电脑控制装置、显示屏，显示屏的的电信号输入与微电脑控制装置的电信号输出相连，光电探测传感器采用高灵敏度雪崩二极管。

5.根据权利要求4所述的激光散射法空气颗粒分布测量装置，其特征在于微电脑控制装置包括电信号滤波放大电路、信号采集电路、微处理器，光电探测传感器的电信号输出与电信号滤波放大电路相连，信号采集电路的电信号输入与电信号滤波放大电路的电信号输出相连，信号采集电路的电信号输出与微处理器的电信号输入相连。

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