CN105823714B - 一种可穿戴粉尘检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可穿戴粉尘检测装置及方法，包括激光粉尘传感器、信号放大模块、MCU控制模块、检测修正模块、通讯模块、显示模块、电源及按键。其特征是：激光粉尘传感器包括激光发射端、激光检测端、气流通道；修正模块为三轴加速度传感器或热式流量计；通讯模块可为蓝牙、wifi。本发明还包括一种可穿戴粉尘检测方法，利用三轴加速度传感器或热式流量计检测气流通道内空气流速，最终计算激光粉尘质量浓度值。鉴于穿戴设备的结构小巧、紧凑化需求，直接通过人体动作来实现空气流入,可实时测量粉尘质量浓度，本发明在实际应用中根据用户实际需求，可在激光粉尘装置上预留佩戴环/扣/夹，或采用其他佩戴方式，本发明测量准确、方便携带。
Description
技术领域
本发明属于空气品质检测领域，具体的涉及一种可穿戴粉尘检测装置及方法。
背景技术
随着人口增长和工业化发展等因素，空气中各种污染物和悬浮颗粒物大量增加，导致雾霾的产生，给人们的生活和身体健康造成了不良影响，对空气中悬浮颗粒物及有害物质的监测处理装置的需求越来越旺盛，与此同时，人们对空气中悬浮颗粒物检测装置在测试精确性及使用舒适度等方面的要求越来越高。激光检测技术作为对空气中悬浮颗粒物检测手段之一，广泛应用于各领域。但传统的激光检测技术采用气泵作为抽气元件，在寿命方面不能很好满足使用要求。针对以上问题，现有技术提出了采用风扇代替气泵实现采气，并进一步修正颗粒物质量浓度，可解决气泵由于发热导致使用寿命缩短的问题，但风扇全速工作时，噪音问题还是不能彻底解决；以上采用气泵及风扇的方法，会导致净化设备体积大、价格高，对于车载、移动便携检测领域不宜推广，效果不佳；另外，随着人们物质文化水平提高，人们越来越注重健康管理，通过运动提升个人健康指数。但是近些年雾霾频发，而雾霾极易导致呼吸系统防御功能和肺功能下降，参加跑步、篮球等运动方式不仅达不到强身健体的目的，反而可能适得其反。大多时候，人们凭自己的感官不能准确判断空气质量好坏，因此，亟待开发一种可随身携带，可随时随地检测空气质量的装置，尤其是提供一种便携式、可穿戴的粉尘检测装置。
发明内容
本发明利用激光散射法作为对空气中可吸入颗粒物进行检测，其原理是含有粉尘的空气以一定体积流量Q通过激光粉尘传感器的检测区域，激光粉尘传感器产生电信号I，电信号I与激光粉尘质量浓度PM成正比，公式如下：
PM＝K*I
I——激光粉尘传感器输出电信号。
K——标定系数，有量纲常数。
PM——单位体积内粉尘质量，μg/m3。
Q——体积流量，ml/s。
在实际应用时，由于本发明一种可穿戴粉尘检测装置及方法所处的测量环境受温度、湿度、压力、运动状态等各种因素的影响，不能保证进入测量气道内的空气流量是恒定不变的，但是测量设备的运动组件和控制程序是固定不变的，需要引入一种新的装置及方法，来减少由于环境因素改变而带来的测量误差，方案如下：
一种可穿戴粉尘检测装置,包括：
光路检测部分：包括一个激光粉尘传感器，内部设有激光发射端和检测端；激光粉尘传感器内的气流通道与光路不在一水平线上；气流通道两端设有进气端和出气端；
信号处理部分：包括MCU控制模块；同时与MCU控制模块连接的信号放大模块、显示模块、检测修正模块、通讯模块、显示模块及按键；
电源给光路检测部分和信号处理部分供电；
在上述的一种可穿戴粉尘检测装置，所述检测修正模块采用三轴加速度传感器或热式流量计。
在上述的一种可穿戴粉尘检测装置，通讯模块可为蓝牙、wifi，及两者的组合。
一种利用三轴加速度传感器或热式流量计测量流速的方法，具体方法是：设定一时间段t，然后对测量装置进行摇晃，摇晃是在时间段t内进行，且每隔时间段t测出实时加速度值at，则实时流速值Vt计算公式为：
其中，V0为每次进行加速度测量前的气流流速，在对测量装置进行摇晃前V0＝0。
在上述的一种利用三轴加速度传感器测量流速的方法，还包括一种采用三轴加速度传感器或热式流量计对粉尘质量浓度检测、修正的方法，步骤如下：
步骤1、在实验室环境下，将含有粉尘的空气以恒定的体积流量Q通过激光粉尘传感器检测区，激光粉尘传感器输出电信号I，测量当前实验室环境下粉尘质量浓度值PM，粉尘质量浓度值PM与激光粉尘传感器输出的电信号I之间的关系式为标定系数K：
PM＝K*I
即
步骤2、实测时，由于所处测试环境的温湿度、压力、空气流动状态、人体晃动状态等因素不稳定，很难保证测量时进入激光粉尘传感器的被测空气的体积流量与标定时的体积流量是相等的，这将会影响粉尘质量浓度的精确计算；而粉尘质量浓值PM恒定，激光粉尘传感器产生的电信号I与体积流量Q成正比；为了保证测量的准确性，减少标定时体积流量与实测条件下体积流量值不同引入的误差，需在实时测量时，引入一修正系数K’，若实测体积流量为Qt，在实验室环境下标定的体积流量为Qb，则修正系数K’公式为:
步骤3、激光粉尘传感器在实时测试环境下，输出的电信号强度值为I，修正系数为K’，标定系数为K，那么可计算实时粉尘质量浓度值PM’：
步骤4、通过晃动一种可穿戴粉尘检测装置，使得空气流过激光粉尘检测区域，空气流过气流通道的横截面积S不变，实测时有效流速为在交叉及接近垂直于进气方向的速度Vt，可计算激光粉尘传感器气体流量：
Qt＝S*Vt
步骤5、根据标定流速Vb及实测流速Vt，计算修正系数K’：
步骤6、标定流速：模拟不同晃动状态下得到一定样本数量的流速值，求取样本流速的均值，参考流速均值的大小，确定装置在标定时晃动的流速值Vb，Vb确定后不会更改；
步骤7、采用三轴加速度传感器或热式流量计计算实时测试环境下，进入激光粉尘传感器的气流流速Vt，测量时，三轴加速度传感器或热式流量计能实现计算在某一时段内晃动一种可穿戴粉尘检测装置时，在交叉及接近垂直于进气方向的平均流速值为计算公式为：
步骤8、计算实时测试环境下粉尘质量浓度：
即：
在上述的一种利用三轴加速度传感器或热式流量计测量流速的方法，利用热式流量计测量流速输出的电信号为U，则实时测量流速值Vt计算公式为：
Vt＝M*U0+N
其中，经过实际测量，标定任意两个点的流速值Vt1、Vt2，对应输出电信号值U1、U2，即可确定M、N的值，最终可实时计算在某一时刻的流速值Vt。
本发明通过人体动作实现空气流入，特别的涉及一种利用三轴加速度传感器或热式流量计，实时记录当前某一时刻晃动状态下气体流速，在实际应用中根据用户实际需求，可在激光粉尘装置上预留佩戴环/扣/夹，测量准确、方便携带。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明质量浓度检测修正、检测流程图。
具体实施方式
实施例
一种可穿戴粉尘检测装置及方法,包括激光粉尘传感器、信号放大模块、MCU控制模块、检测修正模块、通讯模块、显示模块、电源及按键。
激光粉尘传感器包括激光发射端(光源、聚焦透镜)、激光检测端(光敏传感器)、气流通道。其中检测修正模块采用三轴加速度传感器，通讯模块优选为蓝牙、wifi。
采用本装置进行的一种利用三轴加速度传感器测量流速的方法，具体是：每隔时间段t测出实时加速度值at，则实时流速值Vt计算公式为：
其中，V0为每次进行加速度测量前的气流流速，在对测量装置进行摇晃前V0＝0。
然后对粉尘质量浓度检测、修正：
在当前测试环境下，将一种可穿戴粉尘检测装置佩戴在手腕上，检测时，水平伸直手臂，露出进气孔和出气孔，用手握住检测装置，沿着进气方向、出气方向，优选在-45℃—45℃的方向晃动，然后手臂上下来回晃动若干次，激光粉尘传感器修正、检测方法如下：
a.在实验室环境下，将含有粉尘的空气以恒定的体积流量Q通过激光粉尘传感器检测区，激光粉尘传感器输出电信号I，测量当前实验室环境下粉尘质量浓度值PM，粉尘质量浓度值PM与激光粉尘传感器输出的电信号I之间的关系式为标定系数K：
PM＝K*I
即
b.实测时，由于所处测试环境的温湿度、压力、空气流动状态、人体晃动状态等因素不稳定，很难保证测量时进入激光粉尘传感器的被测空气的体积流量与标定时的体积流量是相等的，这将会影响粉尘质量浓度的精确计算；而粉尘质量浓值PM恒定，激光粉尘传感器产生的电信号I与体积流量Q成正比；为了保证测量的准确性，减少标定时体积流量与实测条件下体积流量值不同引入的误差，需在实时测量时，引入一修正系数K’，若实测体积流量为Qt，在实验室环境下标定的体积流量为Qb，则修正系数K’公式为:
c.激光粉尘传感器在实时测试环境下，输出的电信号强度值为I，修正系数为K’，标定系数为K，那么可计算实时粉尘质量浓度值PM’：
d.通过晃动一种可穿戴粉尘检测装置，使得空气流过激光粉尘检测区域，空气流过气流通道的横截面积S不变，实测时有效流速为在交叉及接近垂直于进气方向的速度Vt，可计算激光粉尘传感器气体流量：
Qt＝S*Vt
e.根据标定流速Vb及实测流速Vt，计算修正系数K’
f.标定流速：模拟不同晃动状态下得到一定样本数量的流速值，求取样本流速的均值，参考流速均值的大小，确定装置在标定时晃动的流速值Vb，Vb确定后不会更改；
g.采用三轴加速度传感器或热式流量计计算实时测试环境下，进入激光粉尘传感器的气流流速Vt，测量时，三轴加速度传感器或热式流量计能实现计算在某一时段内晃动一种可穿戴粉尘检测装置时，在交叉及接近垂直于进气方向的平均流速值为计算公式为：
h.计算实时测试环境下粉尘质量浓度：
即：
即：
实施例2
一种可穿戴粉尘检测装置及方法,包括激光粉尘传感器、信号放大模块、MCU控制模块、检测修正模块、通讯模块、显示模块、电源及按键。激光粉尘传感器包括激光发射端(光源、聚焦透镜)、激光检测端(光敏传感器)、气流通道。在本实施例中，检测修正模块采用热式流量计，通讯模块优选为蓝牙、wifi。
采用本装置利用热式流量计测量流速的方法，具体是：利用热式流量计测量流速输出的电信号为U，则实时测量流速值Vt计算公式为：
Vt＝M*U0+N
其中，经过实际测量，标定任意两个点的流速值Vt1、Vt2，对应输出电信号值U1、U2，即可确定M、N的值，最终可实时计算在某一时刻的流速值Vt。
然后对粉尘质量浓度检测、修正：
在当前测试环境下，将一种可穿戴粉尘检测装置佩戴在脖颈上，检测时，检测时，水平伸直手臂，露出进气孔和出气孔，用手握住检测装置，沿着进气方向、出气方向，优选在-45℃—45℃的方向晃动，然后手臂上下来回晃动若干次，激光粉尘传感器修正、检测方法如下：
a.在实验室环境下，将含有粉尘的空气以恒定的体积流量Q通过激光粉尘传感器检测区，激光粉尘传感器输出电信号I，测量当前实验室环境下粉尘质量浓度值PM，粉尘质量浓度值PM与激光粉尘传感器输出的电信号I之间的关系式为标定系数K：
PM＝K*I
即
b.实测时，由于所处测试环境的温湿度、压力、空气流动状态、人体晃动状态等因素不稳定，很难保证测量时进入激光粉尘传感器的被测空气的体积流量与标定时的体积流量是相等的，这将会影响粉尘质量浓度的精确计算；而粉尘质量浓值PM恒定，激光粉尘传感器产生的电信号I与体积流量Q成正比；为了保证测量的准确性，减少标定时体积流量与实测条件下体积流量值不同引入的误差，需在实时测量时，引入一修正系数K’，若实测体积流量为Qt，在实验室环境下标定的体积流量为Qb，则修正系数K’公式为:
c.激光粉尘传感器在实时测试环境下，输出的电信号强度值为I，修正系数为K’，标定系数为K，那么可计算实时粉尘质量浓度值PM’：
d.通过晃动一种可穿戴粉尘检测装置，使得空气流过激光粉尘检测区域，空气流过气流通道的横截面积S不变，实测时有效流速为在交叉及接近垂直于进气方向的速度Vt，可计算激光粉尘传感器气体流量：
Qt＝S*Vt
e.根据标定流速Vb及实测流速Vt，计算修正系数K’
f.标定流速：模拟不同晃动状态下得到一定样本数量的流速值，求取样本流速的均值，参考流速均值的大小，确定装置在标定时晃动的流速值Vb，Vb确定后不会更改；
g.采用三轴加速度传感器或热式流量计计算实时测试环境下，进入激光粉尘传感器的气流流速Vt，测量时，三轴加速度传感器或热式流量计能实现计算在某一时段内晃动一种可穿戴粉尘检测装置时，在交叉及接近垂直于进气方向的平均流速值为计算公式为：
h.计算实时测试环境下粉尘质量浓度：
即：
即：
应当理解，本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施方法携带的全部或部分特征，以及与以上特征及实施例相关及能够替代、变化、修改和变形的全部技术特征，都属于本发明的保护范围内，等同于本发明的限定。
Claims (1)
1.一种采用三轴加速度传感器或热式流量计对粉尘质量浓度检测、修正的方法，步骤如下：
步骤1、在实验室环境下，将含有粉尘的空气以恒定的体积流量Q通过激光粉尘传感器检测区，激光粉尘传感器输出电信号I，测量当前实验室环境下粉尘质量浓度值PM，粉尘质量浓度值PM与激光粉尘传感器输出的电信号I之间的关系式为标定系数K：
PM＝K*I
即
步骤2、实测时，由于所处测试环境的温湿度、压力、空气流动状态、人体晃动状态因素不稳定，很难保证测量时进入激光粉尘传感器的被测空气的体积流量与标定时的体积流量是相等的，这将会影响粉尘质量浓度的精确计算；而粉尘质量浓值PM恒定，激光粉尘传感器产生的电信号I与体积流量Q成正比；为了保证测量的准确性，减少标定时体积流量与实测条件下体积流量值不同引入的误差，需在实时测量时，引入一修正系数K’，若实测体积流量为Qt，在实验室环境下标定的体积流量为Qb，则修正系数K’公式为:
步骤3、激光粉尘传感器在实时测试环境下，输出的电信号强度值为I，修正系数为K’，标定系数为K，那么可计算实时粉尘质量浓度值PM’：
步骤4、通过晃动一种可穿戴粉尘检测装置，使得空气流过激光粉尘检测区域，空气流过气流通道的横截面积S不变，实测时有效流速为在交叉及接近垂直于进气方向的速度Vt，可计算激光粉尘传感器气体流量：
Qt＝S*Vt
步骤5、根据标定流速Vb及实测流速Vt，计算修正系数K’：
步骤6、标定流速：模拟不同晃动状态下得到一定样本数量的流速值，求取样本流速的均值，参考流速均值的大小，确定装置在标定时晃动的流速值Vb，Vb确定后不会更改；
步骤7、采用三轴加速度传感器或热式流量计计算实时测试环境下，进入激光粉尘传感器的气流流速Vt，测量时，三轴加速度传感器或热式流量计能实现计算在某一时段内晃动一种可穿戴粉尘检测装置时，在交叉及接近垂直于进气方向的平均流速值为计算公式为：
步骤8、计算实时测试环境下粉尘质量浓度：
即：
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| CN105823714A (zh) | 2016-08-03 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 430205, No. three, No. 3, Fenghuang garden, Phoenix Industrial Park, East Lake New Technology Development Zone, Hubei, Wuhan Patentee after: Sifang Optoelectronic Co.,Ltd. Address before: 430205, No. three, No. 3, Fenghuang garden, Phoenix Industrial Park, East Lake New Technology Development Zone, Hubei, Wuhan Patentee before: Wuhan Cubic Optoelectronics Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Wearable dust detection device and method Effective date of registration: 20200619 Granted publication date: 20190426 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Sifang Optoelectronic Co.,Ltd. Registration number: Y2020420000035 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220708 Granted publication date: 20190426 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: Sifang Optoelectronic Co.,Ltd. Registration number: Y2020420000035 |