CN104422640A - 基于激光散射的空气质量检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：包括激光发射系统、激光接收系统以及样品池，激光发射系统中设置有激光光源和第一光电接收器，激光光源发出的激光依次经过偏振器、孔径光阑、第一聚光透镜、第一分光镜以及第二聚光透镜后射入样品池，第一分光镜分出的另一路光线射入第一光电接收器；激光接收系统中设置有第三聚光透镜和第二光电接收器。其显著效果是：系统结构简单，安装方便，采用基于激光散射的方式对空气质量进行检测，降低了光源成本，通过设置多个光电接收器，可对系统进行有效校正，克服光源强度不稳定等问题，保证了检测精度，满足空气质量检测需要。
Description
技术领域
本发明涉及空气质量检测技术，尤其涉及一种基于激光散射的空气质量检测系统，属于光电检测领域。
背景技术
对于空气质量检测而言，检测的主要对象是空气中的颗粒污染物，即PM2.5-PM10。所谓PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。同理，PM10是指空气中粒径小于10微米的飘尘。
现有技术中，针对PM2.5-PM10的检测，按检测方法的不同，主要可以分为：β射线吸收法，微量振荡法，重量天平法，光吸收法。但这些方法均存在一些缺陷：
（1）β射线吸收法，它是根据β射线穿过滤纸和颗粒物时，射线被散射而衰减，衰减的程度与PM2.5的重量成正比，通过接收仪器计算颗粒物的浓度。但是这种方法需要放射源，价格昂贵。
（2）微量振荡法，它是由于颗粒物在微量振荡天平上质量的增加，导致石英振荡的频率产生变化，通过振荡频率的变化，从而算出颗粒物的浓度。但是这种方法的清洗难度大，后续校准比较困难。
（3）重量天平法，它是通过滤纸上的颗粒物重量的变化，通过与干净滤纸的重量比较，得到每立方米的浓度。这种方法是我国的测量颗粒物浓度的标准方法。但是这种方法需要人工进行称重，程序比较繁琐而且费时。
（4）光吸收法，它是根据激光强度的变化得到对应浓度的变化，但是这种方法还存在信噪比不高的问题。
发明内容
鉴于上述缺陷，本发明的目的在于提供一种低成本、高精度、易实现的空气质量检测系统。
为了达到上述目的，本发明提出了一种基于激光散射的空气质量检测系统，其关键在于：包括激光发射系统、激光接收系统以及样品池，所述激光发射系统中设置有激光光源和第一光电接收器，所述激光光源发出的激光依次经过偏振器、孔径光阑、第一聚光透镜、第一分光镜以及第二聚光透镜后射入所述样品池，所述第一分光镜分出的另一路光线射入所述第一光电接收器；所述激光接收系统中设置有第三聚光透镜和第二光电接收器，所述激光发射系统射出的激光入射到样品池中的空气颗粒上，空气颗粒的散射光经过所述第三聚光透镜汇聚到第二光电接收器中，所述第一光电接收器和第二光电接收器分别连接在后端处理设备上。
通过激光发射系统射出的激光照射到样品池中的空气颗粒物上，产生散射光，通过激光接收系统获取该散射光的光强，空气颗粒浓度越大，则散射光线强度越强，空气颗粒浓度越小，则散射光线强度越弱，利用后端处理设备对激光接收系统中第二光电接收器获取的散射光强信息进行处理，则可计算出空气颗粒的浓度值，达到空气质量检测的目的。
激光发射系统中设置第一分光镜的目的在于将一部分入射光反射到第一光电接收器中，另一部分入射光则通过聚光透镜透射到样品池中，第一光电接收器可以记录入射光源的信号强度，在后端处理设备进行处理时，可以将第一光电接收器和第二光电接收器所接收到的光强信号进行差分滤波，从而解决光源强度不稳定引起的检测误差。
作为进一步描述，所述第二聚光透镜射入样品池中的入射光线和第三聚光透镜获取样品池中的散射光线的夹角小于或等于90°。
通过选择小于或等于90°的散射光线作为检测光线，可以保证光电接收器的信号强度要求，提高准确性。
为了便于信号校正，在所述激光接收系统中设置有第二分光镜和第三光电接收器，所述第二分光镜设置在第三聚光透镜和样品池之间的光路上，样品池中空气颗粒的散射光经过所述第二分光镜后一路射入第三聚光透镜，另一路射入第三光电接收器，该第三光电接收器也连接在后端处理设备上。
通过设置第二分光镜和第三光电接收器可以对系统进行零点校正。由于第三光电接收器和第二光电接收器所接收到的光信号走过的路径长度几乎相同，当样品池中输入的是干净空气时，插入第二分光镜，通过第三光电接收器可以获取干净空气的散射光强信息，最后由后端处理设备进行处理，可以对第二光电接收器所接收的信号进行有效的校正。
为了便于实施，所述第一光电接收器、第二光电接收器以及第三光电接收器均采用光电倍增管。
为了减少系统光路中的空气引起干扰，所述激光发射系统和激光接收系统分别安装在一个密闭的腔室内，在激光发射系统安装腔室的侧壁上设置有第一平面透镜作为激光发射窗口，在激光接收系统安装腔室的侧壁上设置有第二平面透镜作为散射光接收窗口。
本发明的显著效果是：系统结构简单，安装方便，采用基于激光散射的方式对空气质量进行检测，降低了光源成本，通过设置多个光电接收器，可对系统进行有效校正，克服光源强度不稳定等问题，保证了检测精度，满足空气质量检测需要。
附图说明
图1是本发明的系统设计示意图。
附图标记：
1激光发射系统、2激光接收系统、3激光光源、4偏振器、5孔径光阑、6第一聚光透镜、7第一分光镜、8第二聚光透镜、9样品池、10第一光电接收器、11第三聚光透镜、12第二光电接收器、13第二分光镜、14第三光电接收器、15第一平面透镜、16第二平面透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于激光散射的空气质量检测系统，包括激光发射系统1、激光接收系统2以及样品池9，所述激光发射系统1中设置有激光光源3和第一光电接收器10，所述激光光源3发出的激光依次经过偏振器4、孔径光阑5、第一聚光透镜6、第一分光镜7以及第二聚光透镜8后射入所述样品池9，所述第一分光镜7分出的另一路光线射入所述第一光电接收器10；所述激光接收系统2中设置有第三聚光透镜11和第二光电接收器12，所述激光发射系统1射出的激光入射到样品池9中的空气颗粒上，空气颗粒的散射光经过所述第三聚光透镜11汇聚到第二光电接收器12中，所述第一光电接收器10和第二光电接收器12分别连接在后端处理设备上。
为了防止空气颗粒物进入光学检测系统中污染光学镜片，所述激光发射系统1和激光接收系统2分别安装在一个密闭的腔室内，在激光发射系统1安装腔室的侧壁上设置有第一平面透镜15作为激光发射窗口，在激光接收系统2安装腔室的侧壁上设置有第二平面透镜16作为散射光接收窗口。通过第一平面透镜15和第二平面透镜16可以在隔绝空气颗粒物的情况下保证了光路的畅通。
为了增强散射光的信号强度，所述第二聚光透镜8射入样品池9中的入射光线和第三聚光透镜11获取样品池9中的散射光线的夹角小于或等于90°。可以通过调节激光发射系统1和激光接收系统2的位置来实现入射光线和散射光线的夹角调节，从图1可以看出，入射光和散射光的夹角为90°。
为了便于系统零点校正，在所述激光接收系统2中设置有第二分光镜13和第三光电接收器14，所述第二分光镜13设置在第三聚光透镜11和样品池9之间的光路上，样品池9中空气颗粒的散射光经过所述第二分光镜13后一路射入第三聚光透镜11，另一路射入第三光电接收器14，该第三光电接收器14也连接在后端处理设备上。
在实施过程中，所述第一光电接收器10、第二光电接收器12以及第三光电接收器14均采用光电倍增管，光电倍增管可以将接收到的光信号转换为电信号，通过放大和滤波处理后得到电压信号，利用后端处理设备分析电压信号和空气颗粒物的浓度关系，即可判断空气质量。
尽管这里参照本发明的实施例进行了描述，但是应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，比如说，在本申请文件公开范围内，可以选择计算机、微处理器以及其他控制芯片作为后端处理设备，可以选择其他实施方式作为光电接收器，可以选择样品池的形状和尺寸等等，这些修改和实施方式均落在本申请公开的原则范围和精神之内。除此之外，本实施例仅对系统各个部件的安装关系进行了详细描述，后端处理设备中具体的处理算法未被提及，但相关技术人员应当理解，在认识到本发明工作原理的基础上是可以实施的，后端处理设备中的处理算法是可以根据不同硬件环境和系统的精度需求进行多种优化和改进的，因此不再赘述。
Claims (5)
1.一种基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：包括激光发射系统（1）、激光接收系统（2）以及样品池（9），所述激光发射系统（1）中设置有激光光源（3）和第一光电接收器（10），所述激光光源（3）发出的激光依次经过偏振器（4）、孔径光阑（5）、第一聚光透镜（6）、第一分光镜（7）以及第二聚光透镜（8）后射入所述样品池（9），所述第一分光镜（7）分出的另一路光线射入所述第一光电接收器（10）；所述激光接收系统（2）中设置有第三聚光透镜（11）和第二光电接收器（12），所述激光发射系统（1）射出的激光入射到样品池（9）中的空气颗粒上，空气颗粒的散射光经过所述第三聚光透镜（11）汇聚到第二光电接收器（12）中，所述第一光电接收器（10）和第二光电接收器（12）分别连接在后端处理设备上。
2.根据权利要求1所述的基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：所述第二聚光透镜（8）射入样品池（9）中的入射光线和第三聚光透镜（11）获取样品池（9）中的散射光线的夹角小于或等于90°。
3.根据权利要求1所述的基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：在所述激光接收系统（2）中设置有第二分光镜（13）和第三光电接收器（14），所述第二分光镜（13）设置在第三聚光透镜（11）和样品池（9）之间的光路上，样品池（9）中空气颗粒的散射光经过所述第二分光镜（13）后一路射入第三聚光透镜（11），另一路射入第三光电接收器（14），该第三光电接收器（14）也连接在后端处理设备上。
4.根据权利要求3所述的基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：所述第一光电接收器（10）、第二光电接收器（12）以及第三光电接收器（14）均采用光电倍增管。
5.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的基于激光散射的空气质量检测系统，其特征在于：所述激光发射系统（1）和激光接收系统（2）分别安装在一个密闭的腔室内，在激光发射系统（1）安装腔室的侧壁上设置有第一平面透镜（15）作为激光发射窗口，在激光接收系统（2）安装腔室的侧壁上设置有第二平面透镜（16）作为散射光接收窗口。
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