CN106092843A - 一种基于光纤传感的pm2.5实时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，包括进气采样模块、PM2.5检测模块、流量监测模块以及信号处理模块构成。采样气体依次经过进气采样模块、PM2.5检测模块以及流量监测模块，信号处理模块分别对来PM2.5检测模块以及流量监测模块的数据信息进行采集分析，并输出检测结果。自本发明利用光纤传感技术对室外PM2.5浓度进行实时检测，系统采用全自动方式工作，省时省力，且精确度高于重量法的分析天平称重，具有易操作、实时性强、灵敏度高，响应速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的PM2.5实时检测系统。
背景技术
近年来，随着经济的快速发展，以煤炭石油为主的能源消耗量大幅度增加，大气颗粒物污染也随之加剧，雾霾现象频繁发生，其中的罪魁祸首PM2.5对人体健康危害极大。2012年2月，国务院同意发布新修订的《环境空气质量标准》中已新增了细颗粒物(PM2.5)监测指标，并自2016年1月1日起在全国实施。PM2.5是指空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物，也称细颗粒物，它是雾霾的主要成分之一，PM2.5粒径很小，在大气中的停留时间长，输送距离远，而且容易富集大量有毒有害物质，对人体健康和生活环境带来长期的潜在危害。
因此，加强对PM2.5颗粒物浓度的检测显得格外重要。目前，国内使用的传统离线称重法忌于实时性，精确性上的缺陷，显然已经不能满足现代社会的需求，而引进国外先进的自动颗粒物浓度检测仪又耗资巨大。所以，急需一种新型的能够实时、准确的进行PM2.5检测的系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于实时进行PM2.5浓度准确检测 及预警的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，以解决上述现有问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，所述检测系统包括进气采样模块、PM2.5检测模块、流量监测模块以及信号处理模块，其特征在于，所述进气采样模块包括采样单元和引风机，采样单元输入端设有进气口，采样单元输出端通过采样总管连接于用以保证采样空气稳定进入的引风机，所述采样总管上还连接有采样支管；PM2.5检测模块的检测装置的输入端与所述采样支管连接，检测装置的输出端通过采样管与流量监测模块的流量计连接；所述流量计的输出端通过采样管连接有抽气泵，抽气泵用于将已经检测过的采样气体吸入泵腔，再从排气口排出；所述信号处理模块包括监控主机，监控主机的输入端通过同轴电缆线与流量监测模块的流量计相连接，流量计用于监测采样时间内通过的采样空气的体积，并将该数据上传至监控主机；所述PM2.5检测模块的检测装置通过光纤还连接有光纤光栅传感解调仪，光纤光栅传感解调仪通过同轴电缆线与所述监控主机的输入端连接，所述监控主机用于对来自光纤光栅传感解调仪以及流量计的检测信号和数据进行解压缩，并进行计算和分析处理，以获取PM2.5颗粒物浓度值的检测结果，进一步的，监控主机还设有预警功能，若超出阈值，则会触发报警系统进行报警。
进一步的，所述进气采样模块的检测装置包括采样头，采样顶和颗粒物粒径切割器。
进一步的，所述颗粒物粒径切割器将采样空气中的颗粒大小切割为粒径捕集效率的几何标准差为
进一步的，所述采样支管上还连接有干燥器，用以对引入的采样空气进行干燥处理，滤除其中的水蒸气，有利于提高后续检测的可靠性和稳定性。
进一步的，所述PM2.5检测模块的检测装置包括用以截留采样气体中的PM2.5颗粒的滤膜、用于安放和固定滤膜的滤膜固定器以及取样光纤光栅温度‐应变传感器，取样光纤光栅温度‐应变传感器用于测量PM2.5被滤膜过滤后，滤膜受重发生的形变量，根据滤膜的形变量可以计算出所述滤膜上PM2.5的重量变化。
进一步的，所述滤膜固定器包括滤膜夹和滤膜支撑网。
进一步的，所述取样光纤光栅温度‐应变传感器采取刻槽方式固定在所述滤膜支撑网上，并通过粘结剂进一步固定；将取样光纤光栅温度‐应变传感器采取刻槽方式固定在所述滤膜支撑网上有利于增大传感器与滤膜的接触面积，使得传感器能够更为准确的检测到滤膜的应变量。
再进一步的，所述信号处理模块中的光纤光栅传感解调仪，用于对接收到的取样光纤光栅温度‐应变传感器反射光信号进行光电转换，之后对解调后电信号中的数据进行采集、处理和压缩打包，并通过同轴电缆线上传给监控主机。
综上所述，对比现有技术中的PM2.5浓度检测装置，本发明的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统利用光纤传感技术进行PM2.5浓度实时检测，在检测PM2.5重量变化时，本发明通过采用取样光纤光栅温度‐应变传感器测量滤膜的应变量最终计算得出PM2.5重量变化，相比现有的称重法更为方便、准确，此外，本发明的检测系统还具有浓度值超标报警机制，具有精度高、省时省力、系统响应快速等特点。
附图说明
图1为本发明基于光纤传感的PM2.5实时检测系统的结构示意图；
图2为本发明基于光纤传感的PM2.5实时检测系统的检测装置结构俯视图；
图3为本发明基于光纤传感的PM2.5实时检测系统的检测装置结构正视图；
其中：1.采样头，2.采样顶，3.颗粒物粒径切割器，4.采样总管，5.引风机，6.干燥器，7.采样支管，8.检测装置，9.流量计，10.抽气泵，11.光纤，12.同轴电缆线，13.光纤光栅传感解调仪，14.监控主机，15.取样光纤光栅温度-应变传感器，16.滤膜，17.滤膜夹，18.滤膜支撑网，19.粘结剂，20.采样管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
参照图1，图2，图3共同所示，本发明的一种基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，所述检测系统包括进气采样模块、PM2.5检测模块、流量监测模块以及信号处理模块。
所述进气采样模块包括采样单元和引风机，采样单元输入端设有进气口，采样单元输出端通过采样总管4连接引风机5，使用引风机可将采样空气稳定抽入到采样总管中，并将采样后气体排出采样总管；所述采样总管上还连接有采样支管7，所述采样支管上还连接有用以对引入的采样空气进行干燥处理的干燥器6，滤除采样空气中的水蒸气，避免水蒸气影响检测结果，有利于提高检测数据的可靠性和稳定性；作为一个具体的实施方式，所述采样单元包括依次连接的采样头1、采样顶2和颗粒物粒径切割器3，采样头为一个能防雨、雪、防尘及其它异物的防护罩，其材料可以用不锈钢或聚四氟乙烯，采样头可放置在有利于采样气体进入处，采样头距采样顶上部的距离为1‐2m，用以保证气流不受风向影响，稳定进入采样总管；采样顶是一层固定在采样总管外的防护板，作用为防止异物进入颗粒物粒径切割器，其材料可以为不锈钢或者聚四氟乙烯，采样顶可设置在采样头下方1‐2m处；颗粒物粒径切割器可设置于采样顶下方0.5‐1m处；颗粒 物粒径切割器用以将采样空气中的颗粒物切割为粒径捕集效率的几何标准差为所述切割器的其他性能和技术指标符合HJ/T93‐2003的规定。
所述PM2.5检测模块的检测装置8的输入端与所述采样支管连接，采样总管中的采样空气通过采样支管引入到PM2.5检测模块的检测装置中，检测装置的输出端通过采样管与流量监测模块的流量计9连接；所述流量计的输出端通过采样管20连接有抽气泵10，抽气泵用于将已经检测过的采样气体吸入泵腔，再从排气口排出；作为进一步的优选方案，所述采样总管上还可连接多个采样支管，每个采样支管分别再连接一个检测模块，从而实现对采样空气的多种参数的同时检测；作为具体的实施例设计，如图2、图3所示为本实施例检测模块的检测装置的结构示意图，所述PM2.5检测模块的检测装置包括取样光纤光栅温度‐应变传感器15、用以截留采样气体中的PM2.5颗粒的滤膜16以及用于安放和固定滤膜的滤膜固定器；进一步的，所述滤膜固定器包括滤膜夹17和滤膜支撑网18，取样光纤光栅温度‐应变传感器采取刻槽方式固定在所述滤膜支撑网上，并通过粘结剂19进一步固定；将取样光纤光栅温度‐应变传感器采取刻槽方式固定在所述滤膜支撑网上有利于增大传感器与滤膜的接触面积，使得传感器能够更为准确的检测到滤膜的应变量，采用的取样光纤光栅传感器，相比常规的温度‐应变传感器具有更高的敏感度，能克服一般光纤光栅 传感器的交叉敏感问题，即无法区分反射光波长的改变是由温度引起的，还是应变引起的的问题；优选的，为了提高检测模块的检测数据的稳定性，所述PM2.5检测模块安装位于密封箱内。
所述信号处理模块包括监控主机14，监控主机的输入端通过同轴电缆线12与流量监测模块的流量计相连接，流量计用于监测采样时间内通过的采样空气的体积，并将该数据上传至监控主机；所述PM2.5检测模块的检测装置通过光纤11还连接有光纤光栅传感解调仪13，光纤光栅传感解调仪用于对接收到的取样光纤光栅温度‐应变传感器反射光信号进行光电转换，之后对解调后电信号中的数据进行采集、处理和压缩打包，并通过同轴电缆线上传给监控主机，所述监控主机对来自光纤光栅传感解调仪以及流量计的检测信号和数据进行计算和分析处理，以获取PM2.5颗粒物浓度值的检测结果，进一步的，为防止PM2.5浓度过高，监测主机14设有PM2.5颗粒物浓度预警值，当PM2.5浓度达到预警值时，将触发报警系统进行报警，并将检测结果及时反馈给有关部门，以便进行相应处理。
本发明的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统的工作过程及原理：进气采样模块的引风机将环境空气抽入到采样单元，采样空气依次经过采样头、采样顶以及颗粒物粒径切割器3进入到采样总管中，采样头和采样顶还具有过滤采样空气中夹杂物的作用，颗粒物粒径切割器对采样空气中的颗粒物进行切割，而后，采样气体经过采样总管上连接的采样支管进入PM2.5检测模块，采样支管上还可设置干燥器6对采样空气进行干燥处理后，从而避免水蒸气对检测结果的影响； 在PM2.5检测模块中，检测装置8里的滤膜16截留采样气体PM2.5细颗粒物后受重发生形变，紧贴滤膜16的取样光纤光栅温度‐应变传感器15受到滤膜16形变及当前温度等物理量影响，其反射光谱将产生变化，并将反射光信号通过光纤11传输至信号处理模块；同时，已经检测过的采样气体则在通过流量计9后被抽气泵10排出，流量计9监测当前通过的采样气体体积，并将该数据上传给信号处理模块；信号处理模块中的光纤光栅传感解调仪13对取样光纤光栅温度‐应变传感器15的反射光信号进行光电转换，并对信号中包含的数据进行处理和压缩打包，并上传至监控主机14。监控主机14对收到的数据进行解压缩，并进行计算和分析处理以获取检测结果，最终得到当前的PM2.5浓度值，若超过设计的阈值浓度，会自动报警。
综上所述，本发明的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统利用光纤传感技术进行PM2.5浓度实时检测，即可以获取实时的PM2.5颗粒物浓度值，又具有浓度值超标报警机制，具有精度高、省时省力、系统响应快速等特点。
最后应说明的是：以上所述实施例仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，所述检测系统包括进气采样模块、PM2.5检测模块、流量监测模块以及信号处理模块，其特征在于，所述进气采样模块包括采样单元和引风机，采样单元输入端设有进气口，采样单元输出端通过采样总管连接于用以保证采样空气稳定进入的引风机，所述采样总管上还连接有采样支管；PM2.5检测模块的检测装置的输入端与所述采样支管连接，检测装置的输出端通过采样管与流量监测模块的流量计连接；所述流量计的输出端通过采样管连接有抽气泵；所述信号处理模块包括监控主机，监控主机的输入端通过同轴电缆线与流量监测模块的流量计相连接，所述PM2.5检测模块的检测装置通过光纤还连接有光纤光栅传感解调仪，光纤光栅传感解调仪通过同轴电缆线与所述监控主机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述进气采样模块的检测装置包括采样头，采样顶和颗粒物粒径切割器。
3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述颗粒物粒径切割器将采样空气中的颗粒大小切割为粒径捕集效率的几何标准差为
4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述采样支管上还连接有干燥器，用以对采样空气进行干燥处理。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述PM2.5检测模块的检测装置包括用以截留采样气体中的PM2.5颗粒的滤膜、用于安放和固定滤膜的滤膜固定器以及用于检测所述滤膜应变量的取样光纤光栅温度‐应变传感器。
6.根据权利要求5所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述滤膜固定器包括滤膜夹和滤膜支撑网，滤膜通过滤膜夹来固定在滤膜支撑网上。
7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的PM2.5实时检测系统，其特征在于，所述取样光纤光栅温度‐应变传感器采取刻槽方式固定在所述滤膜支撑网上，并通过粘结剂进一步固定。
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