CN106483052A - 一种基于光散射法的pm2.5检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光散射法的PM2.5检测仪，包括光学系统，光电转换系统、气路系统和信号处理系统，其特征在于，所述气流通道包括进气气流通道和排气气流通道，所述进气气流通道设有用于产生鞘气的过滤器，所述排气气流通道设有用于净化检测气体的过滤器，所述的进气气流通道分两条支路，分别是第一条支路直线型通道和第二条支路倒“U”型通道，所述进气气流通道呈“凸”型；光电转换系统用于将光信号转换成电信号，信号处理系统用于对光度信号和脉冲信号进行测量和统计。通过光度计和光学颗粒计数器结合的方法进行测量和统计，显示比传统细微颗粒检测仪更为精确的浓度信息。
Description
技术领域
本发明属于PM2.5质量检测技术领域，具体涉及一种基于光散射法的PM2.5检测仪。
背景技术
近年来，随着空气质量的急剧恶化，悬浮颗粒物浓度质量越来越受到人们的重视。其中粒径在2.5μm以下的颗粒物(PM 2.5)称为可吸入肺颗粒物，对重金属及气态污染物等的吸附作用明显，同时还可成为病毒和细菌的载体，对人体健康产生极大危害，已引起了全球广泛的关注，使得PM 2.5的监测技术成为悬浮颗粒检测技术中的研究热点。
颗粒物的检测方法主要有：称重法，β射线吸收法，微量振荡天平法和光散射法。前面三种微颗粒物检测方法属于取样方法测量，对取样条件要求高、单电测量和检测速度慢，不能满足实时测量的要求。光散射法属于非取样法，具有非接触性测量，不破坏被测颗粒结构和特性，测量范围广，响应速度快等优点，被国内外广泛应用。
光散射：空气样品经入口被连续吸入暗室，一定粒径范围的颗粒物在暗室中与入射光作用，产生散射光，在颗粒物性质一定的条件下，颗粒物的散射光强度与其质量浓度成正比，散射光经光电传感器进行光信号转变成电信号，经放大后再转换成脉冲信号，利用脉冲信号便可测定空气中颗粒物的浓度。
中国专利201480000500.3公开了一种PM2.5浓度检测装置，该浓度检测装置包括：光强度转换模块、信号放大模块、PM2.5比较模块和PM2.5浓度处理模块；中国专利201310750511.0公开了一种空气灰尘检测仪，包括检测气流通道，设于检测气流通道两侧的进气口与排气孔，以及相对设置在检测气流通道首尾两端的激光发射装置和光采集装置，所述激光发射装置的激光发射端与光采集装置的散射光出射端各设有相互垂直的偏振片。
虽然以上文献都是采用光散射法对颗粒浓度进行检测，但是气体进入检测腔会发生扩散，检测精度不准确；而且检测后气体直接经过排气口排除，对大气造成二次污染。
发明内容
针对现有技术出现的问题，本发明提出一种基于光散射法的PM2.5检测仪。
本发明的技术方案是：一种基于光散射法的PM2.5检测仪，包括光学系统，光电转换系统、气路系统和信号处理系统，所述的气路系统包括气流通道和气泵，气流通道首端和末端是进气口与排气口，其特征在于，所述的气流通道包括进气气流通道和排气气流通道，所述的进气气流通道设有用于产生鞘气的过滤器，所述的排气气流通道设有用于净化检测气体的过滤器，所述的进气气流通道分两条支路，分别是第一条支路直线型通道和第二条通道倒“U”型通道，所述的进气气流通道呈“凸”型。
优选的，所述的气流通道是管状或矩形空腔。
为了保证气流的流通性，所述排气气流通道和/或进气气流通道处连接气泵，优选的，排气气流通道处连接气泵，气泵位于排气气流通道的过滤器的右侧。
优选的，所述进气气流通道处的过滤器与进气口气流通道的第二条通道倒“U”型通道连接。
优选的，所述的进气口气流通道和排气口气流通道之间连接一个矩形检测腔，矩形检测腔与进气气流通道和排气气流通道连接。
优选的，所述的检测腔连接光电转换系统、信号处理系统和光学系统。
优选的，所述的光学系统包括激光器、胶合镜组、柱面镜、光阑和凹面反射镜，所述的凹面反射镜位于矩形检测腔的中心，与光电转换系统位置相对，所述的胶合镜组位置可以调整，使产生的椭圆光斑与检测气体最佳匹配。
所述的胶合镜组焦距f是5mm—10mm，直径d是4mm—6.45mm；所述的柱面镜焦距f是20mm—25mm，高度H是5mm—10mm，母线长L是5mm—10mm，所述的凹面反射镜焦距f是6.25mm—9.5mm，直径d是12.7mm—20mm。
优选的胶合镜组焦距f是10mm，直径d是6.45mm；优选的柱面镜焦距f是25mm，高度H是10mm，母线长L是10mm；优选的凹面反射镜焦距f是9.5mm，直径d是12.7mm。
本发明所述的检测仪，可通过RS-485总线连接测试设备的电脑主机，相关软件也安装在电脑上，在电脑上进行运算处理和输出结果。同时，本发明还可以在数据处理中自定义预警参数，增加报警装置设置，当空气中PM2.5浓度超过一定程度，显示装置中可及时显示警报，以方便技术人员更及时有效地对空气质量进行监控和处理。具体的处理、计算以及预警参数为本领域技术人员所掌握，本发明不做特别限定。
优选的，所述的检测仪通过RS-485总线把PM2.5浓度质量上传到终端实时显示。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
本发明的有益效果是：进气口设有过滤器产生鞘气，包裹检测气体从进气口到出气口，保证了检测气体的不扩散，提高了测量的准确性，同时也避免了检测腔室的污染；排气口设有过滤器净化检测气体，避免检测气体二次污染；通过光度计和光学颗粒计数器结合的方法进行测量和统计，显示比传统细微颗粒检测仪更为精确的浓度信息。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1为本发明的系统结构图
101-进气气流通道，102-排气气流通道，103-信号处理系统，104-光电转换系统，105-光学系统，106-检测腔，107-过滤器a,108-过滤器b,109-气泵；
图2为本发明光学系统结构示意图
201-激光器，202-胶合镜组，203-柱面镜，204-光阑，205-凹面反光镜，206-光斑路径，207-检测气体；
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件。
实施例1
图1为本发明的系统结构图，包括光学系统105，光电转换系统104、气路系统和信号处理系统103，所述的气路系统包括气流通道和气泵109，气流通道首端和末端是进气口与排气口，其特征在于，所述的气流通道包括进气气流通道101和排气气流通道102，所述的进气气流通道101设有用于产生鞘气的过滤器a107，所述的排气气流通道102设有用于净化检测气体的过滤器b108，所述的进气气流通道101分两条支路，分别是第一条支路直线型通道和第二条支路倒“U”型通道，所述的进气气流通道101呈“凸”型。
优选的，所述的气流通道是管状或矩形空腔。
本实施例中，气路系统包括进气气流通道101，排气气流通道102和气泵109；进气气流通道101处的过滤器a107与进气气流通道101的第二条通道的倒“U”型通道连接，被测气体进入进气气流通道101，气体的流向有两条支路，沿第一条支路直线型通道和向上沿第二条支路倒“U”型通道，流经第二条支路倒“U”型通道的气体经过过滤器a107，产生鞘气，鞘气沿倒“U”型通道流向直线气流通道，与沿第一条支路直线型通道流动的检测气体混合，鞘气包裹检测气体进入位于检测腔106；过滤器b108和气泵109位于排气气流通道102处，过滤器b108置于气泵109前方，过滤器b108用于净化检测气体，避免对空气产生二次污染，气泵109抽入并排出检测气体。
其中，气泵109不限于仅在排气气流通道安装，在进气气流通道101和/或排气气流通道102安装亦可。
其中，鞘气是一种洁净的气体，包裹检测气体从进气口到排气口。就像胶皮管引水，鞘气就是气体的胶皮管，检测气体就是水，保证检测气体不扩散到检测腔室，而直接进入排气口。保证了检测气体的不扩散，同时鞘气是纯净气体，鞘气的存在不会影响检测气体的质量浓度，确保了测量的准确性，同时也避免了检测腔室的污染。
检测腔106位于进气气流通道101和排气气流通道102之间，与进气气流通道101和排气气流通道102连接；其中，信号处理系统103，光电转换系统104和光学系统105置于检测腔106上，光学系统105如图2所示，包括激光器201，胶合镜组202，柱面镜203，光阑204和凹面反射镜205；光电转换系统104包括光电探测器及其相关电路，用于将光信号转换为电信号，经信号放大器对电信号进行放大，生成脉冲信号；信号处理系统103用于处理经过光电转换系统后的信号，对光度信号和脉冲信号进行测量和统计，检测出PM2.5浓度。
其中，所述的胶合镜组202焦距f是5mm—10mm，直径d是4mm—6.45mm；所述的柱面镜203焦距f是20mm—25mm，高度H是5mm—10mm，母线长L是5mm—10mm，所述的凹面反射镜205焦距f是6.25mm—9.5mm，直径d是12.7mm—20mm。
优选的胶合镜组202焦距f是10mm，直径d是6.45mm；优选的柱面镜203焦距f是25mm，高度H是10mm，母线长L是10mm；优选的凹面反射镜205焦距f是9.5mm，直径d是12.7mm。
柱面镜203外形是矩形，柱面镜203安装难度降低；
检测腔106是矩形检测空腔，光学系统105置于检测腔106左对角线上，凹面反光镜205位于检测腔106中心，凹面反射镜205与光电转换系统104相对，激光器201发出的光依次经过胶合镜组202，柱面镜203，光阑204，形成椭圆形光斑，光在检测气体中传播，一部分光通过凹面反射镜偏离原来直线传播方向，聚集在探测器靶面上，被光电转换系统104的光电探测器捕捉后，把光信号转换为电信号，经信号处理系统103对光度信号和脉冲信号进行测量和统计，计算出PM2.5浓度。
其中，检测腔106的形状不限于是矩形，封闭的空腔即可。
光电转换系统104不限于包括光电探测器及其相关电路，本领域技术人员所掌握的，能够将光信号转换为电信号的系统即可；信号处理系统103由传感器、信号形式变换电路、信号调理电路等电路组成，本领域技术人员所掌握的，能够对信号进行处理即可，本发明对此不作特别限定。
胶合镜组202生成椭圆形光斑，胶合镜组202的位置可以调整，使产生的光斑穿过检测气体，得到的光度强度和脉冲信号最佳，检测精度更加准确。
光学系统的位置可调整，使得通过凹面反射镜散射的光能最大程度的被光电转换系统的光电探测器捕捉即可，也就是凹面反射镜与光电转换系统的光电探测器位置相对。
本实施例中，检测仪通过RS-485总线连接测试设备的电脑主机，对应软件安装在外置电脑中，软件对光度信号和脉冲信号进行处理运算。
本发明的工作原理：在使用过程中，将所述检测仪通过RS-485总线接入电脑，被测气体进入进气气流通道101，部分气体通过过滤器a107，产生鞘气，产生的鞘气包裹被测气体，流入检测腔106，激光器201发出的光经过胶合镜组202、柱面镜203和光阑204后以椭圆形光斑形式照射，检测气体207发生散射现象。一部分光通过凹面反射镜205聚在探测器靶面上，被光电转换系统104捕捉后，将光信号转换成脉冲信号，信号处理系统103对光度信号和脉冲信号进行测量和统计，最后计算出PM2.5浓度。
其中，优选的，被测气体3L/min的总流量分别以2L/min流量的检测气体和1L/min流量的鞘气流入检测腔，速率的稳定流量有利于信号检测，对检测仪的性能有提升。
优选的，激光器201采用波长为650nm的激光器，当颗粒粒径接近激光波长(650nm)时，其特定光度信号最强烈，用此波长的光度信号确定PM2.5浓度。
实施例2
与实施例1相比，区别点在于，本实施例所述的检测仪进一步包括显示装置和报警装置，具体的信号经处理后，显示装置显示具体的pm2.5浓度；在数据处理中自定义预警参数，当检测气体PM2.5浓度超过一定程度，显示装置中可及时显示警报，以方便技术人员更及时有效地对空气质量进行监控和处理。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种基于光散射法的PM2.5检测仪，包括光学系统，光电转换系统、气路系统和信号处理系统，所述的气路系统包括气流通道和气泵，气流通道首端和末端是进气口和排气口，其特征在于，所述的气流通道包括进气气流通道和排气气流通道，所述的进气气流通道设有用于产生鞘气的过滤器，所述的排气气流通道设有用于净化检测气体的过滤器，所述的进气气流通道分两条支路，分别是第一条支路直线型通道和第二条支路倒“U”型通道，所述的进气气流通道呈“凸”型。
2.根据权利要求1所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的排气气流通道和/或进气气流通道处连接气泵。
3.根据权利要求1所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的进气气流通道处的过滤器与进气气流通道的第二条支路倒“U”型通道连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的进气气流通道和排气气流通道之间连接一个矩形检测腔，矩形检测腔与进气气流通道和排气气流通道连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的检测腔连接光电转换系统、信号处理系统和光学系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的光学系统包括激光器、胶合镜组、柱面镜、光阑和凹面反射镜，所述的凹面反射镜位于矩形检测腔的中心与光电转换系统位置相对。
7.根据权利要求6所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的胶合镜组焦距f是5mm—10mm，直径d是4mm—6.45mm；所述的柱面镜焦距f是20mm—25mm，高度H是5mm—10mm，母线长L是5mm—10mm，所述的凹面反射镜焦距f是6.25mm—9.5mm，直径d是12.7mm—20mm。
8.根据权利要求7所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，优选的胶合镜组焦距f是10mm，直径d是6.45mm；优选的柱面镜焦距f是25mm，高度H是10mm，母线长L是10mm；优选的凹面反射镜焦距f是9.5mm，直径d是12.7mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的检测仪以RS-485驱动。
10.根据权利要求1所述的一种基于光散射法的PM2.5检测仪，其特征在于，所述的检测仪设有显示装置。
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