CN103994954B

CN103994954B - 一种雾霾测量仪

Info

Publication number: CN103994954B
Application number: CN201410200334.3A
Authority: CN
Inventors: 刘�文; 许立新; 王智浩; 姚培军
Original assignee: Institute of Advanced Technology University of Science and Technology of China
Current assignee: Institute of Advanced Technology University of Science and Technology of China
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: CN103994954A

Abstract

本发明涉及一种低成本高精度雾霾测量仪，与现有技术相比解决了设备成本高、测量精度差的缺陷。本发明包括过滤气体腔和待测气体腔，光纤A的输出端朝向透光片A中部，光纤B输出端朝向透光片C中部，散射光探测窗口A上接有过滤腔散射光探测器，透射光探测窗口A上接有过滤腔透射光探测器，散射光探测窗口B上接有待测腔散射光探测器，透射光探测窗口B上接有待测腔透射光探测器。本发明通过使用光强度衰减法和光散射两种方案对比来测量大气污染浓度，提高了测量精度。

Description

一种雾霾测量仪

技术领域

本发明涉及雾霾测量领域，具体来说是一种雾霾测量仪。

背景技术

按照国际标准化组织(ISO)的定义，“大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境污染的现象”。现今国内随着工业化的发展，造成了环境的恶化，使得大气污染现象日益加重，已严重的影响了国人的身体健康。而现今的污染检测一般在固定的监测站进行，不能随时随地的在各不同位置进行污染监测，使得国人不能即时了解附近大气污染状况，实施合适的应对措施。而针对便携式的大气污染检测设备，目前具有代表性的污染监测仪器是利用激光的吸收衰减或者是光的散射进行检测的。

1、光吸收衰减的具体实施原理是一束光透过气体到达光检测器。由于污染气体中含有污染颗粒，它会吸收或散射光导致光强度的滖减，因此光检测器所测得光强度与气体中的污染及其它对光有吸收作用的成分有关。在光检测器上，光信号被转化成电信号，然后电信号被处理成对应污染浓度的电压信号和数字信号，通过解调得到对应污染浓度值。用这种方式测定烟尘颗粒物浓度有一定的限制，当烟尘颗粒物的浓度太高或太低时，测量的灵敏度不高，会存在测量误差，并且设备成本高。

2、利用光散射进行检测的实施原理为将一束光射入待测气体样本中，光束与污染颗粒物相互作用产生散射，散射光的强弱与总散射截面成正比，当污染颗粒物浓度升高时，污染颗粒物的总散射截面增大，散射光强度增加，通过测量散射光的强弱即可得到污染颗粒物的浓度。但使用散射进行测量时结果会受到大气中的非污染成份(水雾等)的影响，造成测试结果的误差，并且同样设备成本高。

如何开发出一种低成本、高准确度的大气污染检测设备已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中设备成本高、测量精度差的缺陷，提供一种雾霾测量仪来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种雾霾测量仪，包括半导体激光器和与半导体激光器相连的光纤耦合器，光纤耦合器分别接出光纤A和光纤B，还包括过滤气体腔和待测气体腔，过滤气体腔上部设有与其相通的散射光探测窗口A，过滤气体腔下部设有与其相通的进气管A和排气管A，过滤气体腔的前部和后部分别由透光片A和透光片B封口，透光片B上设有与其相通的透射光探测窗口A；

待测气体腔上部设有与其相通的散射光探测窗口B，待测气体腔下部设有与其相通的进气管B和排气管B，待测气体腔的前部和后部分别由透光片C和透光片D封口，透光片D上设有与其相通的透射光探测窗口B；

光纤A的输出端朝向透光片A中部，光纤B输出端朝向透光片C中部，散射光探测窗口A上接有过滤腔散射光探测器，透射光探测窗口A上接有过滤腔透射光探测器，散射光探测窗口B上接有待测腔散射光探测器，透射光探测窗口B上接有待测腔透射光探测器。

所述的过滤气体腔内的透光片A上镀有增反膜A，过滤气体腔内的透光片B上镀有增反膜B，待测气体腔内的透光片C上镀有增反膜C，待测气体腔内的透光片D上镀有增反膜D。

所述的透光片A、透光片B、透光片C和透光片D均为玻璃。

所述的进气管A入口处设有微型风扇A，进气管B入口处设有微型风扇B。

所述的进气管A上设有插槽A，插槽A上插有过滤插片A。

所述的过滤腔散射光探测器、过滤腔透射光探测器、待测腔散射光探测器和待测腔透射光探测器均接入运算器，运算器与显示单元相连。

所述的过滤腔散射光探测器、过滤腔透射光探测器、待测腔散射光探测器和待测腔透射光探测器均接入通用串行总线控制端口。

所述的进气管B上设有插槽B，插槽B上插有过滤插片B，所述的过滤插片B为PM10滤纸。

所述的进气管B上设有插槽B，插槽B上插有过滤插片B，所述的过滤插片B为PM2.5滤纸或PM0.5滤纸。

光纤A的输出端斜射入透光片A，光纤B的输出端斜射入透光片C，所述的过滤气体腔内壁上镀有增反膜A，所述的待测气体腔内壁上镀有增反膜B，透射光探测窗口A与透光片B之间的夹角与光纤A的输出端斜射入透光片A的夹角相同，透射光探测窗口B与透光片D的夹角与光纤B的输出端斜射入透光片C的夹角相同。

有益效果

本发明的一种雾霾测量仪，与现有技术相比通过使用光强度衰减法和光散射两种方案对比来测量大气污染浓度，提高了测量精度。通过过滤插片的设计不仅解决了非污染成份影响测试结果的问题，同时还巧妙地提供了PM10和PM2.5的测量功能。通过镀有高反射膜的设计，构成了法布里-哱罗腔结构，增大激光通过气体腔时的光程，可以更多的接收到待测气体的信息，减少随机误差对测量结果的影响。具有设备成本低、便于携带的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明加装运算器的结构示意图

图3为本发明加装通用串行总线控制端口的结构示意图

图4为本发明应用在PM10和PM2.5综合测试设备上的结构示意图

图5为光纤与透光片偏离90度状态时的结构示意图

其中，1-半导体激光器、2-光纤耦合器、5-过滤腔散射光探测器、6-过滤腔透射光探测器、7-待测腔散射光探测器、8-待测腔透射光探测器、9-运算器、10-显示单元、11-通用串行总线控制端口、12-计算机、13-增反膜A、14-增反膜B、15-增反膜C、16-增反膜D、17-PM10测量组件、18-PM2.5测量组件、21- 光纤A、22-光纤B、30-插槽A、31-过滤气体腔、32-透光片A、33-透光片B、34-散射光探测窗口A、35-进气管A、36-排气管A、37-透射光探测窗口A、38-微型风扇A、39-过滤插片A、40-插槽B、41-待测气体腔、42-透光片C、43-透光片D、44-散射光探测窗口B、45-进气管B、46-排气管B、47-透射光探测窗口B、48-微型风扇B、49-过滤插片B。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

在利用光吸收衰减方法进行光散射测量时，光的吸收满足Beer-Lambert公式，即

\ln \frac{I_{o}}{I} = δ \cdot ρ \cdot L

其中：Io为经过污染吸收后的光强度值，I为吸收前光强值，δ为常数，L为光程值，ρ为我们所需的大气污染浓度值。

由于一般的空气中除了大气中的污染颗粒会造成光吸收损失之外，空气中的水气等也会对激光造成一定损失。因此需要对滤除了空气污染颗粒之后的气体样品进行测量，之后通过差分的方法来算得中间的光强差，以便消除污染颗粒吸收之外的其他因素对测量结果的影响。考虑到通入原始待测气体腔与过滤后气体腔中的激光强度相同，因此由上式可以得到待测污染颗粒浓度为

ρ_{1} = \frac{1}{δ L} \cdot \ln \frac{I_{1}}{I_{2}}

为常量，可以通过对已知污染颗粒浓度的气体做标量来求得，I₁为激光通过过滤后气体后检测的光强度，I₂为激光通过过滤前气体后检测的光强度。因此我们仅需要同时检测到过滤前与过滤后的光强度值即可得到所需污染颗粒浓度，无需对仪器进行零点标定。

在利用光散射进行污染颗粒浓度测量时同样也是需要通过差分的方法来去除其他变量造成的测量误差。

然后由于光的散射功率与污染浓度成正比，因此满足下式：

ρ₂＝k·(I_a-I_b)

式中，k为常数，可以通过对已知颗粒浓度的气体做标量求得，I_a为激光通过过滤前待测气体区的散射光强度，I_b为激光通过过滤后气体的散射光强度。同样无需进行零点标定即可得到所需测量结果。

基于以上分析，我们设计了如图1所示的一种雾霾测量仪，包括半导体激光器1和与半导体激光器1相连的光纤耦合器2，光纤耦合器2分别接出光纤A21和光纤B22。半导体激光器1和光纤耦合器2均为现有光纤通信技术中所使用的产品，半导体激光器1作为激光射源而使用，光纤耦合器2用于将半导体激光器1的激光分为光强相同的两路光并经过光纤A21和光纤B22发送出去。还包括过滤气体腔31和待测气体腔41，过滤气体腔31和待测气体腔41的结构相同。过滤气体腔31上部设有与其相通的散射光探测窗口A34，散射光探测窗口A34与过滤气体腔31整体相通，在结构上也可以与过滤气体腔31用玻璃相隔，但使用玻璃相隔会产生折射或散射，大大降低了散射光的检测准确度。过滤气体腔31下部设有与其相通的进气管A35和排气管A36，进气管A35用于对过滤气体腔31进气，排气管A36用于对过滤气体腔31排气。过滤气体腔31的前部和后部分别由透光片A32和透光片B33封口，即过滤气体腔31在前后是可视的。过滤气体腔31前后可视的结构是现有技术中的结构，在现有技术中激光通过气体腔前部穿过后过再经过测量仪测试出激光在穿透过程中的变化情况。透光片A32和透光片B33为可透光物质即可，优选的可以使用玻璃代替，也可以使用有机塑料等透光材质。透光片B33上设有与其相通的透射光探测窗口A37，透射光探测窗口A37在结构上与透光片B33形成整体与过滤气体腔31内部相通。这样设计的目的与散射光探测窗口A34的原理相同，为了增加透射光的检测准确性,散射光探测窗口A34与透射光探测窗口A37在实际产品中长度比较小，只要可以接收激光信号即可。

待测气体腔41与过滤气体腔31的结构相同，各部分的设置目的也一样。待测气体腔41上部设有与其相通的散射光探测窗口B44，用于探测散射光。待测气体腔41下部设有与其相通的进气管B45和排气管B46，用于待测气体腔41进气和出气。待测气体腔41的前部和后部分别由透光片C42和透光片D43封口，用于激光穿透测试，同样的透光片C42和透光片D43优选为玻璃。透光片D43上设有与其相连透射光探测窗口B47，用于探测透射光。

光纤A21的输出端朝向透光片A32中部，光纤B22输出端朝向透光片C42中部，光纤A21和光纤B22通过现有技术中的多种方式固定朝向，例如支架、外壳卡槽等。光纤朝向透光片中部的作用是将激光从透光片中穿过，以测试腔体内的雾霾情况，也是现有技术中单腔体的检测原理。散射光探测窗口A34上接有过滤腔散射光探测器5，用于检测过滤气体腔31的散射光强度。透射光探测窗口A37上接有过滤腔透射光探测器6，用于检测过滤气体腔31的透射光强度。散射光探测窗口B44上接有待测腔散射光探测器7，用于检测待测气体腔41的散射光强度。透射光探测窗口B47上接有待测腔透射光探测器8，用于检测待测气体腔41的透射光强度。

为了增大激光通过气体腔时的光程，可以更多的接收到待测气体的信息，减少随机误差对测量结果的影响。还可以在过滤气体腔31内的透光片A32上镀有增反膜A13，过滤气体腔31内的透光片B33上镀有增反膜B14，待测气体腔41内的透光片C42上镀有增反膜C15，待测气体腔41内的透光片D43上镀有增反膜D16。增反膜均设在过滤气体腔31或待测气体腔41的内部，激光穿透路线为透光片-增反膜-增反膜-透光片。过滤气体腔31和待测气体腔41前后透光片上镀上高反射膜可以构成法布里-哱罗腔结构，可以大大减小气体腔体积，减小测试仪整体大小，从而实现了便携的目的。

进气管A35入口处可以设有微型风扇A38，进气管B45入口处可以设有微型风扇B48。在进气管A35和进气管B45设置一个微型的风扇，可以在需要进行污染测量时打开微型风扇开关，使得大气中的气体顺利的进入气体腔，从而可以方便、快速的进行污染测量。

为了提高测量的准确度，避免因非污染成份(水雾等)影响造成的测试误差，进气管A35上可以设有插槽A30，插槽A30水平方向两端相通，可以插入插片，插槽A30垂直方向与进气管A35相通为一体。插槽A30上插有过滤插片 A39，过滤插片A39用于在过滤气体腔31内过滤非污染成份，通过在气体腔上的进气管上设一个污染颗粒过滤区域，可以将通入气体腔内气体的污染颗粒去除。为了方便后面进行PM2.5或PM10的测量，进气管B45上设有插槽B40，插槽B40的结构与插槽A30相同，插槽B40上插有过滤插片B49，过滤插片B49为PM2.5滤纸、PM10滤纸或PM0.5滤纸，待测量PM2.5、PM10或PM0.5时使用，也可以为其他颗粒物属性的滤纸，根据测试需要进行调整即可。由于过滤气体腔31中设有过滤插片A39，此腔体内所测得为克服因非污染成份的测试结果，在非颗粒物测量时，待测气体腔41中并未有过滤插片B49，因此可以将两个腔体的测量结果进行差分运算，可以得到更准确的、克服非污染成份的测试结果。

通过以上结构的设计，可以分别测出过滤前后待测气体的散射光强度I_a和I_b、过滤气体腔和待测气体腔的光强度I₁以及I₂，根据上文提到的公式可以手工计算出光衰减发测得的污染浓度值ρ₁和光散射法得到的污染浓度值ρ₂，取多组ρ₁和ρ₂的数值进行迭代和优化即取平均值，就可以得到准确的待测气体污染浓度。但为了提高使用便携性和效率，如图2所示，可以使用运算器作为第一种实施方式来方便计算过程。过滤腔散射光探测器5、过滤腔透射光探测器6、待测腔散射光探测器7和待测腔透射光探测器8均接入运算器9，在运算器9中完成相应的计算过程。运算器9与显示单元10相连，再通过显示单元10将运算结果显示出来。作为第二种实施方式，如图3所示，可以直接接上通用串行总线控制端口11，过滤腔散射光探测器5、过滤腔透射光探测器6、待测腔散射光探测器7和待测腔透射光探测器8均接入通用串行总线控制端口11，串行总线控制端口11再将数据引入计算机12进行处理和显示。也可以利用PC机程序控制测量时间间隔或者手动触发测量，测量结果用PC机显示屏显示，这样测量仪无需电源和显示屏，可以更加显著节约仪器成本。

作为优选方案，本发明可进一步改进，成为可区别测量PM2.5及PM10污染浓度的污染测量装置。过滤插片B49可以为PM10滤纸，仅可容纳直径10微米以下的污染物进入。过滤插片B49为PM2.5滤纸，仅可容纳直径2.5微米以下的污染物进入。通过正常测量过程，就可完成PM2.5及PM10污染浓度的测量，由于PM10污染中包含了直径小于2.5微米的污染颗粒，因此可以通过差分计算来精化PM10的测试结果。如图4所示，还可以将PM2.5及PM10两个测试组件组合起来成为一个测试设备，实现PM2.5及PM10的多功能测量。只需要使用4个气体腔，用光纤耦合器2分出4条支路来，再分别经过探测器测出结果，交给运算器9计算即可。

如图5所示，为了延长激光束被污染颗粒的散射路径，还可能将光纤与透光片偏离90度。光纤A21的输出端斜射入透光片A32，斜射角度可以为30度、60度等，光纤A21的输出端与透光片A32偏离90度即可。光纤B22的输出端斜射入透光片C42，同样斜射角度也可以为30度、60度等，光纤B22的输出端与透光片C42偏离90度即可。过滤气体腔31内壁上镀有增反膜A13，待测气体腔41内壁上镀有增反膜B14，这样保证了斜射进入的激光束可以在腔体内反弹，激光束在腔体内走“之”字型，来回反射，从而增加了激光束被污染颗粒的散射路径。透射光探测窗口A37与透光片B33之间的夹角与光纤A21的输出端斜射入透光片A32的夹角相同，透射光探测窗口B47与透光片D43的夹角与光纤B22的输出端斜射入透光片C42的夹角相同若光纤A21的输出端与透光片A32的斜射角度为30度，则透射光探测窗口A37与透光片B33之间的夹角也为30度，透射光探测窗口B47与透光片D43的夹角也同理，这样可以当激光束在腔体内反射时，更好的接收散射信号。

在实际使用时，需要测量大气中污染浓度时，在过滤气体腔31和待测气体腔41的插槽A30和插槽B40上分别插入对应的过滤插片A39和过滤插片B49，打开微型风扇A38和微型风扇B48，使得大气中气体进去气体腔中。待气体充分进入气体腔之后，打开设备进行测试。激光光束从半导体激光器1中发射，通过光纤耦合器2分成两束光强相同的光分别进入到过滤气体腔31和待测气体腔41中。光束在过滤气体腔31中受到除污染颗粒外其他粒子的散射，散射光子被过滤气体腔31中的散射光探测窗口A34接收，利用过滤腔散射光探测器5测得过滤气体散射光强值I_b。同样的在待测气体腔中光束在腔内传播，受到待测气体中41污染颗粒及其他颗粒的散射，散射光子被待测气体腔41的散射光探测窗口B44接收，待测腔散射光探测器7测得待测气体散射光强值I_a。之后将光强信号输入到运算器9中，通过上述的计算公式即可以得到光散射法测得的污染浓度值ρ₂。同时由于光束在通过过滤气体腔31以及待测气体腔41时受到颗粒吸收以及散射后透射光强度会发生衰减且此衰减幅度和污染颗粒浓度相关，因此在运用光散射法测污染浓度值之外我们同时也运用光强度衰减的方法来测量污染浓度值。由于在两气体腔的前后两端都镀有增反膜以形成F-P腔结构，激光会在气体腔内来回反射以增加光程，减小了气体腔体积。两束激光在分别通过过滤气体腔31和待测气体腔41的过滤透射光测量窗口A37和待测透射光测量窗口B47，被过滤腔透射光探测器6和待测腔透射光探测器8接收，测得激光穿过过滤气体腔31和待测气体腔41的光强度I₁以及I₂。之后将光强度I₁以及I₂输入到运算器9中，通过上述的计算公式即可以得到光衰减法测得的污染浓度值ρ₁。在测定多组测试结果后，将多组ρ₁和ρ₂进行平均，也可通过更科学的数学的迭代和优化得到准确的气体污染浓度。

当需要分别测量大气中的PM2.5和PM10浓度时，在PM2.5测量时，待测气体腔41的插槽B40上插入PM2.5过滤插片，若在PM10测量时，待测气体腔41的插槽B40上插入PM10过滤插片，然后分别通过上述的测量过程分别得到准确的PM2.5和PM10污染浓度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种雾霾测量仪，包括半导体激光器（1）和与半导体激光器（1）相连的光纤耦合器（2），光纤耦合器（2）分别接出光纤A（21）和光纤B（22），其特征在于：还包括过滤气体腔（31）和待测气体腔（41），过滤气体腔（31）上部设有与其相通的散射光探测窗口A（34），过滤气体腔（31）下部设有与其相通的进气管A（35）和排气管A（36），过滤气体腔（31）的前部和后部分别由透光片A（32）和透光片B（33）封口，透光片B（33）上设有与其相通的透射光探测窗口A（37）；

待测气体腔（41）上部设有与其相通的散射光探测窗口B（44），待测气体腔（41）下部设有与其相通的进气管B（45）和排气管B（46），待测气体腔（41）的前部和后部分别由透光片C（42）和透光片D（43）封口，透光片D（43）上设有与其相通的透射光探测窗口B（47）；

光纤A（21）的输出端朝向透光片A（32）中部，光纤B（22）输出端朝向透光片C（42）中部，散射光探测窗口A（34）上接有过滤腔散射光探测器（5），透射光探测窗口A（37）上接有过滤腔透射光探测器（6），散射光探测窗口B（44）上接有待测腔散射光探测器（7），透射光探测窗口B（47）上接有待测腔透射光探测器（8）。

2.根据权利要求1所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的过滤气体腔（31）内的透光片A（32）上镀有增反膜A（13），过滤气体腔（31）内的透光片B（33）上镀有增反膜B（14），待测气体腔（41）内的透光片C（42）上镀有增反膜C（15），待测气体腔（41）内的透光片D（43）上镀有增反膜D（16）。

3.根据权利要求1所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的透光片A（32）、透光片B（33）、透光片C（42）和透光片D（43）均为玻璃。

4.根据权利要求3所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的进气管A（35）入口处设有微型风扇A（38），进气管B（45）入口处设有微型风扇B（48）。

5.根据权利要求4所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的进气管A（35）上设有插槽A（30），插槽A（30）上插有过滤插片A（39）。

6.根据权利要求5所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的过滤腔散射光探测器（5）、过滤腔透射光探测器（6）、待测腔散射光探测器（7）和待测腔透射光探测器（8）均接入运算器（9），运算器（9）与显示单元（10）相连。

7.根据权利要求5所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的过滤腔散射光探测器（5）、过滤腔透射光探测器（6）、待测腔散射光探测器（7）和待测腔透射光探测器（8）均接入通用串行总线控制端口（11）。

8.根据权利要求5所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的进气管B（45）上设有插槽B（40），插槽B（40）上插有过滤插片B（49），所述的过滤插片B（49）为PM10滤纸。

9.根据权利要求5所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：所述的进气管B（45）上设有插槽B（40），插槽B（40）上插有过滤插片B（49），所述的过滤插片B（49）为PM2.5滤纸或PM0.5滤纸。

10.根据权利要求1所述的一种雾霾测量仪，其特征在于：光纤A（21）的输出端斜射入透光片A（32），光纤B（22）的输出端斜射入透光片C（42），所述的过滤气体腔（31）内壁上镀有增反膜A（13），所述的待测气体腔（41）内壁上镀有增反膜B（14），透射光探测窗口A（37）与透光片B（33）之间的夹角与光纤A（21）的输出端斜射入透光片A（32）的夹角相同，透射光探测窗口B（47）与透光片D（43）的夹角与光纤B（22）的输出端斜射入透光片C（42）的夹角相同。