CN105651662A - 气溶胶质量浓度光学检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气溶胶质量浓度光学检测装置及其检测方法。该检测装置包括光路模块、气路模块、信号处理模块和单片机，气路模块包括依次连接的气流干燥机（2）、进气口（9）、气路通道（5）、出气口（10）和气泵（7）；光电探测器（3）垂直置于气路通道（5）和光路通道（6）的相交处。检测方法：含被测粒子的气体从进气口（9）抽入，经过湿度传感器（1）检测符合标准后，打开激光光源（4）检测，并将信号发送到单片机经处理后得到气溶胶质量浓度的检测结果。本发明拥有多个不同的量程选择，补偿了湿度的影响，使用环境多，成本低廉，可以准确测量气溶胶粒子的浓度，充分满足民用市场的需求。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶质量浓度测量和信号补偿处理技术领域，尤其涉及一种气溶胶质量浓度光学检测装置，气溶胶质量浓度光学检测方法以及基于最小二乘曲面拟合的偏干气溶胶质量浓度修正方法。
背景技术
气溶胶是指大气与悬浮于其中的固体和液体微粒所组成的多相体系，其中的粒子为气溶胶粒子。气溶胶粒子浓度直接影响着环境空气质量。尽管气溶胶只是地球大气成分中含量很少的组分，但其对生物圈的影响与作用不可低估。气溶胶化学成分复杂，其颗粒物可以作为大气中反应表面或催化剂，以及很多气相物质的接受体。大气气溶胶负载的化学物质，特别是工业污染物在风系的作用下，可进行几百至几千千米的长距离传输，大气污染影响是不分国界和地区，是全球性问题，其对人类生存环境的严重危害已日益加剧。大气输入物质对海洋的生物地球化学循环、大气环境、冰雪化学组成、海底沉积和气候演变等具有重要的影响。从全球变化角度看，大气污染物通过大气的大尺度传输，改变了全球大气化学物质的含量、结构和组成，破坏了全球的辐射平衡，进而可能对全球气候变化造成影响。因此对气溶胶污染的实时监测刻不容缓。
目前气溶胶质量浓度的检测方法有多种，其中弹性光散射测量法具有速度快、灵敏度高等特点，是监测大气气溶胶粒子浓度的主要方法之一：气体中的粒子在光的照射下会发生散射，散射光强度和粒子大小有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表面积的增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知粒子的大小。尽管如此，一方面，基于光散射法的气溶胶测量仪量程单一，测量具有一定的局限性，测量多量程需要更换仪器测量非常不便且增加了成本。即使有的产品量程较宽，但是整个范围的测量精度偏低。另一方面，光散射法容易受到环境湿度的影响，当测量环境的相对湿度超过60％(影响阈值)，气溶胶粒子表面会凝聚水分子，除了引起形貌变化之外，还会引起折射率发生显著变化，从而导致光散射法测量产生较大误差，因此需要对湿度的影响进行处理。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种可以降低湿度对测量的干扰，提高测量精度的气溶胶质量浓度光学检测装置及其检测方法。
本发明采用以下技术方案：
气溶胶质量浓度光学检测装置，包括光路模块、气路模块、信号处理模块和单片机，光路模块、气路模块、信号处理模块分别和单片机连接，气路模块包括湿度传感器以及依次连接的气流干燥机、进气口、气路通道、出气口和气泵，湿度传感器设有两个，分别设在进气口内和气路通道内；光路模块包括激光光源和光路通道，光路通道一端和激光光源相连，一端设在气路通道内部，信号处理模块包括光电探测器和信号处理电路，光电探测器垂直置于气路通道和光路通道的相交处。
本发明包括用于提供光束的光路模块(激光光源、光路通道)、用于引入被监空气的气路模块(气泵、气流干燥机、湿度传感器、气路通道)、用于分析和处理信号的信号处理模块(光电探测器、信号处理电路、集成接口)，光路模块、气路模块和信号处理模块集成在一个腔体内，通过湿度传感器实时监测气体湿度是否对光测量有影响，并通过干燥机干燥气体避免湿度对测量的影响。
作为优选，所述的单片机采用STM32F103芯片。
作为优选，所述的湿度传感器采用型号为HN-L30的Chino湿度传感器。
作为优选，所述的激光光源采用半导体激光器。体积小巧、功耗低、成本低。
作为优选，所述的气泵采用叶片抽风风扇，提供负压使气体流过检测区域的装置。
作为优选，所述的光电探测器采用PIN型光电二极管，响应速度较快，能将光信号转换为电脉冲信号。
作为优选，信号处理电路包括供电模块和散射光信号处理模块，供电模块为激光光源和气泵供电，散射光信号处理模块对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信号，用于后续送入单片机中分析和处理。
作为优选，气路通道设有至少三个，相邻的气路通道之间设有可伸缩的遮光板。本发明为了避免因量程问题导致需要更换仪器测量造成不便和增加成本，在原有的气路模块侧面平行的放置更多的不同流量的气路模块，在测量不同地点的气溶胶浓度可以自由选择打开一路气路通道使气流流进仪器，并在每个不同量程的气路通道里安装不同的光敏面来反馈光散射后得到的电压幅度信息(散射光脉冲信号幅度分布)，通过以上方法可以进一步减小测量误差，而且使用同一个信号处理电路，成本较低。
作为优选，气路通道设有三个，测量量程分别为1-10mg/m3、0.1-1mg/m3和0.001-0.1mg/m3。
上述气溶胶质量浓度光学检测方法，包括以下步骤：
第一步，打开气泵，将含被测粒子的气体从进气口抽入，经过湿度传感器检测是否符合标准；进气口内的湿度传感器检测的气体湿度如果小于或等于设定的阈值，则符合标准；如果大于设定的阈值，则用气流干燥机进行干燥处理，直至气体通道内的湿度传感器检测的气体湿度小于或等于设定的阈值，则符合标准；
第二步，湿度传感器检测的气体湿度符合标准后，打开激光光源，激光光源发出的激光束通过光路通道进入光电探测器的光陷阱，含被测粒子的气体被激光束照射后发出散射光脉冲，所述的散射光脉冲被光电探测器接收并转化为电脉冲信号发送到单片机；
第三步，单片机利用电压脉冲信号幅度分布通过气溶胶质量浓度计算方程计算得到气溶胶质量浓度的检测结果。
作为优选，气溶胶质量浓度的计算公式为其中，c为气溶胶质量浓度，m为本发明专利系统测量装置的脉冲信号的通道数，N(vi)为测量气溶胶颗粒物的离散电压脉冲信号幅度分布，vi为幅度信息，k为比例系数，β为颗粒物形貌信息参数。
本发明利用电压脉冲信号幅度分布和平均质量浓度的反演公式通过标定与测试实验确定待定系数来获得气溶胶质量浓度计算方程。上式的质量浓度反演公式包含了各通道电压脉冲信号的个数信息N(vi)和幅度信息vi，使得被测颗粒物的散射光脉冲信号幅度分布得到了充分的利用，并且还包含反映颗粒物形貌信息的参数β，因而可以实现高精度气溶胶检测。
作为优选，第三步中单片机利用拟合函数CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)对偏干气溶胶质量浓度进行实时补偿修正，所述拟合函数获得方法如下：
步骤1：将气溶胶气体分为两份，第一份直接采用滤膜称重法测量，得到没有被干燥的气溶胶的质量浓度CR作为标准的精确测量值；第二份采用气溶胶质量浓度光学检测装置进行质量浓度测量，先测量气溶胶气体当前的湿度值H，然后开启气流干燥机进行干燥，得到湿度低于阈值时的气溶胶质量浓度C干燥；
步骤2：利用加湿器改变气溶胶的湿度，重复步骤1，记录获取各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H)、气溶胶质量浓度光学检测装置的测量结果C干燥以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥和湿度值H作为CR(H)＝(C干燥,H)的输入变量。
步骤3：通过气溶胶发生器改变气溶胶的质量浓度，重复步骤1和步骤2，记录获取不同浓度和各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H,C)，气溶胶质量浓度光学检测装置的测量结果C干燥(C)以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥(C)和湿度值H作为CR(H,C)＝(C干燥(C),H)的输入变量。
步骤4:利用CR(H,C)＝(C干燥(C),H)曲面数据进行最小二乘曲面拟合，获得拟合函数CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)，利用该偏干气溶胶质量浓度修正函数进行实时补偿修正。
本发明考虑到气流干燥机干燥带有水分的气流，虽然避免了由于气溶胶颗粒折射率变化(表面过量的水分引起的)而带来的光散射测量误差，但同时由于干燥去除了气溶胶表面的部分水分，这也会导致与实际情况有一定的偏干偏差，会低估气溶胶颗粒的质量浓度，因此提供了上述基于最小二乘曲面拟合的偏干气溶胶质量浓度修正方法。
本发明采用气体干燥机干燥被检气体，可以有效提高检测的准确度，避免湿度对光散射发测量产生的影响。本发明装置具有多量程，消除湿度影响的特点，解决了成本过高、检测不准确的问题，便于民用监测生活中的气溶胶浓度，便于大量生产。
附图说明
图1为本发明装置的流程示意图。
图2为湿度检测的流程图。
图3为本发明装置的结构示意图。
图4为偏干误差补偿曲线示意图。
图中各数字代表：1、湿度传感器；2、气流干燥机；3、光电探测器；4、激光光源；5、气路通道；6、光路通道；7、气泵；8、遮光板；9、进气口；10、出气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。
如图1～3所示，本发明的气溶胶质量浓度光学检测装置包括光路模块、气路模块、信号处理模块和单片机，气流干燥机2、湿度传感器1分别和单片机相连，光电探测器3通过信号处理电路和单片机相连。
气路模块包括依次连接的气流干燥机2、进气口9、气路通道5、出气口10和气泵7。气泵7用于驱动含有气溶胶粒子的气体经过湿度传感器1、气流干燥机2并将气体送入光路通道6被检然后送出。湿度传感器1设有两个，分别设在进气口9内和气路通道5内，二者设定的阈值相同，只要其中一个湿度传感器1检测符合标准即可进行气溶胶检测。
本实施例气路通道5设有三个不同的量程选择：测量量程为1-10mg/m3的气路通道A，测量量程为0.1-1mg/m3的气路通道B，测量量程为0.001-0.1mg/m3的气路通道C，且气路通道A和气路通道B之间以及气路通道B和气路通道C之间设置了可伸缩的遮光板8。气路通道5的量程不同，因此三个进气口9的大小不同，一个进气口9对应一个气泵7用于驱动气体进入被检光路通道6，且在不同量程的气路通道5里安装不同的光敏面来反馈光散射后得到的电压幅度信息，即散射光脉冲信号幅度分布。本实施例三个通道共用气体干燥机2，有独立的湿度传感器1来检测湿度情况；使用同一个光路模块和信号处理模块，因而极大地降低了制造成本。本发明可设多个量程选择，并不局限于三个，例如可以是四个，也可以是五个，可根据实际情况来设置进气口的大小和选择打开合适量程的进气通道。
信号处理模块包括光电探测器3和信号处理电路，光电探测器3垂直置于气路通道5和光路通道6的相交处，信号处理电路包括供电模块和散射光信号处理模块，供电模块为激光光源4和气泵7供电，散射光信号处理模块对光电探测器3输出的电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信号，用于后续送入单片机中分析和处理。
光路模块包括激光光源4和光路通道6，激光光源4发出的光照射在光电探测器3的光敏面上方，光敏面对气溶胶粒子的散射光反应并将信号送入信号处理电路进行电流—电压转换以及电压放大后，从信号输出端输出。
所述的单片机采用STM32F103芯片。所述的湿度传感器1采用型号为HN-L30的Chino湿度传感器。所述的激光光源4采用体积小巧、功耗低、成本低的半导体激光器。所述的气泵7采用叶片抽风风扇，提供负压使气体流过检测区域的装置。所述的光电探测器3采用PIN型光电二极管，响应速度较快，能将光信号转换为电脉冲信号。
气溶胶质量浓度光学检测方法，包括以下步骤：
第一步，打开气泵7，将含被测粒子的气体从进气口9抽入，经过湿度传感器1检测，或者经过湿度传感器1检测和气流干燥机2干燥后进入气路通道。
单片机根据接收湿度传感器1所检测的湿度情况控制是否加大气流干燥机功率或开启激光光源开始进行光散射测量。湿度传感器1检测的气体湿度如果大于设定的阈值，表示对光散射有影响，则用气流干燥机2进行干燥处理直至湿度符合标准；如果检测的湿度小于或等于设定的阈值，则符合标准。
进气口9内的湿度传感器1直接检测气体湿度是否对光散射有影响，如果大于影响阈值，开启气流干燥机2用于干燥气体并开启气泵吸入气体。在气路通道5内的湿度传感器1开始工作检测气体是否已达到标准。如果气体湿度依然大于阈值则加大气流干燥机2的功率来降低气体湿度。直至湿度传感器1之一检测的湿度达到可以进行光散射检的湿度阈值以下则开启激光光源4，气溶胶光学传感器开始工作。
第二步，打开激光光源4，在光电探测器3的正上方形成照射区域，激光光源4发出的激光束通过光路通道6进入光电探测器3的光陷阱，含被测粒子的气体在气泵7驱动下匀速通过光电探测器3上方时被激光束照射后发出散射光脉冲，该散射光脉冲被光电探测器3接受并转化为电脉冲信号，信号处理模块将这个电脉冲信号进行电流-电压转换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信号。
第三步，单片机利用电压脉冲信号幅度分布和平均质量浓度的反演公式通过标定与测试实验确定待定系数来获得气溶胶质量浓度计算方程。
上式的质量浓度反演公式包含了各通道电压脉冲信号的个数信息N(vi)和幅度信息vi，使得被测颗粒物的散射光脉冲信号幅度分布得到了充分的利用，并且还包含反映颗粒物形貌信息的参数β，因而可以实现高精度气溶胶检测。其中，c为气溶胶质量浓度，m为本发明专利系统测量装置的脉冲信号的通道数，N(vi)为测量气溶胶颗粒物的离散电压脉冲信号幅度分布，vi为幅度信息，k为比例系数，β为颗粒物形貌信息参数。
考虑到气流干燥机干燥带有水分的气流，虽然避免了由于气溶胶颗粒折射率变化(表面过量的水分引起的)而带来的光散射测量误差，但同时由于干燥去除了气溶胶表面的部分水分，这也会导致与实际情况有一定的偏干偏差，会低估气溶胶颗粒的质量浓度。因此，本发明采用了一种基于最小二乘曲面拟合的偏干气溶胶质量浓度修正方法，包括以下步骤：
步骤1：将一定浓度的同样的气溶胶气体分别转接到微量震荡天平测量仪(滤膜称重法装置)中和本发明光散射法检测装置中进行质量浓度测量。单片机微处理模块启动，发送指令给湿度传感器开始进行湿度的测量，记录当前湿度值H，若湿度高于阈值则开启气流干燥机进行干燥，之后得到湿度低于阈值时的气溶胶质量浓度C干燥。而滤膜称重法得到的没有被干燥的气溶胶的质量浓度CR作为标准的精确测量值；
步骤2：利用加湿器设定不同的湿度，从而改变该浓度气溶胶的湿度，重复步骤1，记录获取各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H)，本发明装置质量浓度测量结果C干燥以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥和湿度值H作为CR(H)＝(C干燥,H)的输入变量。
步骤3：通过气溶胶发生器改变气溶胶的质量浓度，重复步骤1和步骤2，记录获取不同浓度和各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H,C)，本发明装置质量浓度测量结果C干燥(C)以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥(C)和湿度值H作为CR(H,C)＝(C干燥(C),H)的输入变量。
步骤4:如图4所示，本发明利用CR(H,C)＝(C干燥(C),H)曲面数据进行最小二乘曲面拟合，获得拟合函数CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)，该函数可以去除由于干燥而引起的气溶胶质量偏低的误差。将该偏干气溶胶质量浓度修正函数移植到单片机STM32中进行实时补偿修正。
Claims (10)
1.气溶胶质量浓度光学检测装置，包括光路模块、气路模块、信号处理模块和单片机，光路模块、气路模块、信号处理模块分别和单片机连接，其特征在于：气路模块包括湿度传感器(1)以及依次连接的气流干燥机(2)、进气口(9)、气路通道(5)、出气口(10)和气泵(7)，湿度传感器(1)设有两个，分别设在进气口(9)内和气路通道(5)内；
光路模块包括激光光源(4)和光路通道(6)，光路通道(6)一端和激光光源(4)相连，一端设在气路通道(5)内部，信号处理模块包括光电探测器(3)和信号处理电路，光电探测器(3)垂直置于气路通道(5)和光路通道(6)的相交处。
2.根据权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：所述的湿度传感器(1)采用型号为HN-L30的Chino湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：所述的激光光源(4)采用半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：所述的气泵(7)采用叶片抽风风扇。
5.根据权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：所述的光电探测器(3)采用PIN型光电二极管。
6.根据权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：气路通道(5)设有至少三个，相邻的气路通道(5)之间设有可伸缩的遮光板(8)。
7.根据权利要求6所述的气溶胶质量浓度光学检测装置，其特征在于：气路通道(5)设有三个，测量量程分别为1-10mg/m3、0.1-1mg/m3和0.001-0.1mg/m3。
8.基于权利要求1所述的气溶胶质量浓度光学检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，打开气泵(7)，将含被测粒子的气体从进气口(9)抽入，经过湿度传感器(1)检测是否符合标准；进气口(9)内的湿度传感器(1)检测的气体湿度如果小于或等于设定的阈值，则符合标准；如果大于设定的阈值，则用气流干燥机(2)进行干燥处理，直至气体通道(5)内的湿度传感器(1)检测的气体湿度小于或等于设定的阈值，则符合标准；
第二步，湿度传感器(1)检测的气体湿度符合标准后，打开激光光源(4)，激光光源(4)发出的激光束通过光路通道(6)进入光电探测器(3)的光陷阱，含被测粒子的气体被激光束照射后发出散射光脉冲，所述的散射光脉冲被光电探测器(3)接收并转化为电脉冲信号发送到单片机；
第三步，单片机利用电压脉冲信号幅度分布通过气溶胶质量浓度计算方程计算得到气溶胶质量浓度的检测结果。
9.根据权利要求8所述的气溶胶质量浓度光学检测方法，其特征在于：气溶胶质量浓度的计算公式为其中，c为气溶胶质量浓度，m为本发明专利系统测量装置的脉冲信号的通道数，N(vi)为测量气溶胶颗粒物的离散电压脉冲信号幅度分布，vi为幅度信息，k为比例系数，β为颗粒物形貌信息参数。
10.根据权利要求8所述的气溶胶质量浓度光学检测方法，其特征在于：第三步中单片机利用拟合函数CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)对偏干气溶胶质量浓度进行实时补偿修正，所述拟合函数获得方法如下：
步骤1：将气溶胶气体分为两份，第一份直接采用滤膜称重法测量，得到没有被干燥的气溶胶的质量浓度CR作为标准的精确测量值；第二份采用气溶胶质量浓度光学检测装置进行质量浓度测量，先测量气溶胶气体当前的湿度值H，然后开启气流干燥机进行干燥，得到湿度低于阈值时的气溶胶质量浓度C干燥；
步骤2：利用加湿器改变气溶胶的湿度，重复步骤1，记录获取各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H)、气溶胶质量浓度光学检测装置的测量结果C干燥以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥和湿度值H作为CR(H)＝(C干燥,H)的输入变量；
步骤3：通过气溶胶发生器改变气溶胶的质量浓度，重复步骤1和步骤2，记录获取不同浓度和各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H,C)，气溶胶质量浓度光学检测装置的测量结果C干燥(C)以及湿度H，并将收集到的浓度值C干燥(C)和湿度值H作为CR(H,C)＝(C干燥(C),H)的输入变量；
步骤4:利用CR(H,C)＝(C干燥(C),H)曲面数据进行最小二乘曲面拟合，获得拟合函数CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)。
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