CN107576599A - 基于Mie理论的颗粒物浓度在线监测系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，包括发射端、接收端和单片机系统，所述发射端由激光器、激光驱动模块、第一信号处理电路模块构成，激光器前端设有扩束镜，第一信号处理电路模块，用来给激光器提供调制信号，对信号进行采集并上传到单片机系统；所述接收端由光强接收组件、第二信号处理电路模块构成，第二信号处理电路模块对信号做滤波与解调处理，采集信号发送到单片机，单片机将数据通过3G模块将信息从测量现场传送到远端平台上，本发明结构简单，使用方法科学，范围大、非接触、实时测量、准确可靠，可长时间用于扬尘空间颗粒物浓度测量。

Description

基于Mie理论的颗粒物浓度在线监测系统及使用方法

技术领域

本发明属于扬尘颗粒物浓度测量技术领域，具体涉及一种基于mie理论的开放空间扬尘颗粒物浓度在线测量系统。

技术背景

大气中颗粒物来源复杂，研究结果表明，扬尘是环境空气中总悬浮颗粒物的重要组成部分，是造成大气颗粒物污染的重要因素之一，扬尘是由于地面上的尘土在风力、人为带动及其他带动飞扬而进入大气的开放性污染源，其来源主要为道路，建筑工地，码头堆场等。扬尘粒径范围大、浓度变化快速，因此监测扬尘变化需要适用范围广、测量速度快、可在线实时测量的设备与方法。

传统的颗粒物浓度监测系统尚存在许多缺点：

1)目前所采用的监测颗粒物浓度的方法主要是传统的β射线法及震荡天平法，这两种方法一方面需要采样，测量精度容易受到采样装置影响，另一方面无法有效区分不同粒径颗粒物，因此无法实现在线测量。

2)光散射的原理是指光照射到介质中的颗粒物时，与介质相互作用会偏离传播方向，沿各个方向散射导致光的衰减，光沿各个方向的散射情况取决于光的波长、颗粒物的粒径以及颗粒物的折射率等参数。现阶段国内外已有的光散射测量颗粒物浓度的产品都是抽取式光散射测量设备，设备配置的采样器抽取含有颗粒物的空气，通过粒子切割器分离出一定粒径以下的颗粒物，这些颗粒物随着气流进入光散射测量空间，测得特定角度下的散射光强，计算出颗粒物浓度。但是仪器的准确性依赖于粒子切割器与采样器，其粒子切割的准确性和采样器的流量稳定性对测量结果造成很大的影响。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，范围大、非接触、实时测量、准确可靠、使用方便。

为达到所述目的，本发明的技术方案如下：

基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，包括发射端、接收端和单片机系统，所述发射端由激光器、激光驱动模块、第一信号处理电路模块构成，所述激光器的数量为四个，PD输出端反馈四种不同波长，激光器前端设有扩束镜，第一信号处理电路模块，用来给激光器提供调制信号，对PD输出端信号进行采集并上传到单片机系统；所述接收端由光强接收组件、第二信号处理电路模块构成，光强接收组件采用硅光电池作为光电转换元件，与聚光镜、滤波片组成封闭的光路系统，光强接收组件的数量与激光器的数量相同，所述扩束镜与聚光镜高度相同，对称设置，第二信号处理电路模块对光强接收组件接收到的信号做滤波与解调的处理，采集信号并发送到单片机，单片机将数据通过3G模块将扬尘浓度信息从测量现场传送到远端平台上。

本发明所述的基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，其使用方法包括以下步骤：

1)将系统放在洁净空间中，测出一组光强值I_test，将此时的光强值I_test作为系统在扬尘空间中的入射光强I₀；

2)将系统放在扬尘空间中，发射端发射四路调制激光信号，通过扬尘空间发生光散射衰减，衰减后的光强由接收端接收得到透射光强I；

3)利用朗伯比尔定律结合光程计算各路波长下的浊度值；

4)建立空间中扬尘颗粒物粒径分布模型；然后根据Mie散射理论结合各路波长下的浊度值，通过优化算法反演颗粒物粒径分布的实际情况；最后结合反演得到的粒子浓度分布模型，通过积分得到PM2.5，PM10以及TSP的数值。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，结构简单，使用方法科学，范围大、非接触、实时测量、准确可靠、能够远端监测，可长时间持续用于扬尘空间颗粒物浓度测量。

附图说明

图1为系统测量结构图。

附图标记列表：

1、激光器，2、扬尘空间，3、光强接收组件，4、扩束镜，5、聚光镜。

具体实施方式

如图所示，本发明所述的一种基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，包括发射端、接收端和单片机系统，所述发射端由激光器1、激光驱动模块、第一信号处理电路模块构成，所述激光器1的数量为四个，PD输出端反馈四种不同波长，用以校正出射光强变化而带来的误差；激光器前端设有扩束镜4，使入射激光光斑更大并保证平行度；第一信号处理电路模块用来给激光器提供调制信号，对PD输出端信号进行采集并上传到单片机系统；所述接收端由光强接收组件3、第二信号处理电路模块构成，光强接收组件3采用硅光电池作为光电转换元件，与聚光镜、滤波片组成封闭的光路系统，光强接收组件3的数量与激光器的数量相同，所述扩束镜4与聚光镜5高度相同，对称设置，有利于降低外界光干扰并提高信噪比；第二信号处理电路模块对光强接收组件3接收到的信号做滤波与解调的处理，采集信号并发送到单片机，单片机将数据通过3G模块将扬尘浓度信息从测量现场传送到远端平台上，实现扬尘颗粒物浓度的远端测量。

本发明所述的基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，其使用方法包括以下步骤：

1)将系统放在洁净空间中，测出一组光强值I_test，将此时的光强值I_test作为系统在扬尘空间中的入射光强I₀；

2)将系统放在扬尘空间中，扩束镜4与聚光镜5面对面设置，被检测的扬尘空间2在中间，发射端发射四路调制激光信号，通过扬尘空间发生光散射衰减，衰减后的光强由接收端接收得到透射光强I；(激光器与光强接收组件一共有四路，图1只给出其中一个光路结构图，其他三路除激光器激光波长与滤光片波段不同外结构完全相同)

3)利用朗伯比尔定律结合光程计算各路波长下的浊度值；

4)建立空间中扬尘颗粒物粒径分布模型；然后根据Mie散射理论结合各路波长下的浊度值，通过优化算法反演颗粒物粒径分布的实际情况；最后结合反演得到的粒子浓度分布模型，通过积分得到PM2.5，PM10以及TSP的数值。

本发明一种基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，结构简单，使用方法科学，范围大、非接触、实时测量、准确可靠、能够远端监测，可长时间持续用于扬尘空间颗粒物浓度测量。

本发明通过四路激光器在扬尘空间一侧射出入射光束，入射光束通过粉尘空间被接收端检测，后续的计算都是基于测量到的光强，因此系统能够实时监测扬尘空间的颗粒物浓度变化。

本发明采用开放光程的测量方法，无需采样器与粒子切割器，不改变扬尘环境中测量空间的颗粒物浓度分布，并且减少测量的中间环节，增加了测量精度。

本发明的系统结构通过调整光程可实现大范围测量，能够根据需要检测扬尘空间不同位置的扬尘浓度。

本发明所述单片机系统使用的计算控制程序参考《新概念51单片机C语言教程:入门、提高、开发、拓展全攻略》(郭天祥著)，书籍亚马逊购买地址：http://www.amazon.cn/新概念51单片机C语言教程-入门-提高-开发-拓展全攻略-郭天祥/dp/B001P304PM/ref＝sr_1_1？m＝A1AJ19PSB66TGU&s＝books&ie＝UTF8&qid＝1420530762&sr＝1-1&keywords＝新概念51单片机C语言教程。

Claims (2)

1.基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，其特征在于：包括发射端、接收端和单片机系统，所述发射端由激光器、激光驱动模块、第一信号处理电路模块构成，所述激光器的数量为四个，PD输出端反馈四种不同波长，激光器前端设有扩束镜，第一信号处理电路模块，用来给激光器提供调制信号，对PD输出端信号进行采集并上传到单片机系统；所述接收端由光强接收组件、第二信号处理电路模块构成，光强接收组件采用硅光电池作为光电转换元件，与聚光镜、滤波片组成封闭的光路系统，光强接收组件的数量与激光器的数量相同，所述扩束镜与聚光镜高度相同，对称设置，第二信号处理电路模块对光强接收组件接收到的信号做滤波与解调的处理，采集信号并发送到单片机，单片机将数据通过3G模块将扬尘浓度信息从测量现场传送到远端平台上。

2.根据权利要求1所述的基于Mie散射理论的颗粒物浓度在线监测系统，其使用方法包括以下步骤：

1)将系统放在洁净空间中，测出一组光强值I_test，将此时的光强值I_test作为系统在扬尘空间中的入射光强I₀；

2)将系统放在扬尘空间中，发射端发射四路调制激光信号，通过扬尘空间发生光散射衰减，衰减后的光强由接收端接收得到透射光强I；

3)利用朗伯比尔定律结合光程计算各路波长下的浊度值；

4)建立空间中扬尘颗粒物粒径分布模型；然后根据Mie散射理论结合各路波长下的浊度值，通过优化算法反演颗粒物粒径分布的实际情况；最后结合反演得到的粒子浓度分布模型，通过积分得到PM2.5，PM10以及TSP的数值。