CN108693142A - 一种基于光学散射原理的pm2.5检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，先驱动检测位置处空气流动，然后在固定风速下获取到单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量，再换算为该处空气的PM2.5含量。本发明能够实现空气PM2.5浓度的检测，且具有实施简单，方便快捷，检测结果精确可靠等优点。

Description

一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法

技术领域

本发明涉及空气质量检测技术领域；特别是涉及一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法。

背景技术

细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5。是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有 害物质（例如，重金属、微生物等），且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

目前随着社会的发展和人们生活水平的提高，大家对环境健康和空气质量等方面的重视程度越来越大。而PM2.5含量是表征城市空气质量的一个非常重要的指标参数。PM2.5不仅造成了大面积的雾霾灾害，导致空气严重污染，还容易引起气喘、呼吸道感染等疾病，同时还可能含有致癌性，危害人体健康。因此，PM2.5的检测对于人们的外出是十分必要的。

目前国内外对于PM2.5的检测方法有重量法、微量振荡天平法、β射线吸收法、单波长光散射法，而目前便携式的PM2.5检测器主要采用单波长散射法。单波长散射法的关键元件PM2.5切割器采用油吸附法吸收干扰大颗粒，以达到去干扰的目的，但切割器具有难以清洗、维护成本高等缺点，易造成检测器因切割机工作效率降低而误差增大的现象。

故如何设计一种能够更好地屏蔽大颗粒物的干扰，提高PM2.5检测准确性，且实施简单，方便快捷，检测结果精确可靠的PM2.5检测技术，成为本领域技术人员有待考虑解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够实现空气PM2.5浓度的检测，且实施简单，方便快捷，检测结果精确可靠的基于光学散射原理的PM2.5检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，先驱动检测位置处空气流动，然后在固定风速下获取到单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量，再换算为该处空气的PM2.5含量。

由于空气的PM2.5浓度固定，同时风速固定情况下，单位时间内通过横截面为2.5微米的单位空间体积的PM2.5颗粒物数量也是固定的，故本方法可以依靠这样的原理方便快捷且准确可靠地检测到空气的PM2.5浓度。

进一步地，可以根据光散射原理，依靠有色光照射该检测位置并采用颜色传感器根据检测到的散射光情况，判断确定单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量。

作为优化，本方法采用以下检测装置实现，该检测装置包括壳体，壳体内部形成有一个检测腔，检测腔一侧连通设置有入射光通道，入射光通道远离检测腔的一端设置有双色光生成机构，所述双色光生成机构用于生成正对检测腔内检测位置入射的双色光光柱，所述双色光光柱包括截面呈圆形的第一颜色光柱和截面呈相接于第一颜色光柱截面圆外的环形的第二颜色光柱，第一颜色光柱的截面圆直径为2.5微米，检测腔上还设置有和外界相连通的通风道，通风道内设置有通风装置，通风装置用于在检测腔内的检测位置形成稳定的风流，检测腔内壁上还设置有颜色传感器，颜色传感器感应方向正对检测位置设置，颜色传感器和计算机通讯连接。

本设备的工作原理是在空气的PM2.5浓度固定，同时风速固定情况下，单位时间内通过横截面为2.5微米的单位空间体积的PM2.5颗粒物数量也是固定的，这样即可通过检测该PM2.5颗粒物数量换算得到对应的空气PM2.5浓度。本设备具体使用时，依靠通风装置在检测腔内检测位置形成稳定的风流，依靠双色光生成机构生成正对检测位置入射的双色光光柱，其中第一颜色光柱和第二颜色光柱颜色不同，当空气中固体颗粒经过第一颜色光柱时，发生散射，不同大小的颗粒物会散射出强度不同的光。光信号通过颜色传感器捕捉采集，然后根据采集到的颜色信号可以确定第一颜色光柱内有无PM2.5颗粒物通过，最后通过对单个周期内通过的PM2.5颗粒物的值进行计算即可得出当前测试环境下PM2.5的浓度。其中第二颜色光柱用于判断时过滤掉直径大于2.5微米的颗粒，即当采集到颗粒物只散射出第一颜色光，则可判断该颗粒物为PM2.5，如果该颗粒物同时散射出第一颜色光和第二颜色光，即可根据两种颜色光的比例，判断出该颗粒物是否大于2.5微米，计算时先删除直径大于2.5微米的固体颗粒，这样就可以完美地屏蔽掉大颗粒固体物质对检测的干扰，极大地提高检测精确度。其中，具体的计算方式，可以根据上述原理，依靠预设在计算机中的换算公式直接进行计算；或者在恒定风流条件下，事先将不同PM2.5浓度的空气对应颜色传感器测定的值一一对应地测定并预设到计算机中，实际检测时根据颜色传感器测定数据匹配上对应的PM2.5浓度即可得到检测结果。

进一步地，通风道包括和检测腔相通的进风通道和出风通道，所述通风装置为抽气泵且设置在出风通道内。这样，以抽风的方式形成风流，避免采用鼓风的方式容易将通风装置中润滑油带入检测腔影响检测精度。

进一步地，进风通道和出风通道沿垂直入射光通道方向水平贯通壳体设置，同时沿正对入射光通道方向还设置有校验通道。这样，可以更好地保证风流沿垂直入射光方向流动，利于检测。同时设置的校验通道可以实现对入射光的检验校准，保证检测精确可靠。检验校准可以采用显微镜实现，检验校准完毕后可以封闭校验通道，降低对风流方向的干扰。

进一步地，检测腔内壁设置有黑色材料层。这样，可以降低检测器内壁反射光线对检测造成的干扰，提高检测精度。

进一步地，壳体为金属材料制得，所述黑色材料层采用黑色阳极氧化方式得到。这样，可以保证壳体的强度，且方便黑色材料层的设置。壳体材料更优选择为铝合金。加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易于抛光、上色膜，阳极氧化效果优良。

进一步地，壳体一侧设置有颜色传感器嵌入口并用于安装所述颜色传感器，这样方便颜色传感器的安装固定。

进一步地，颜色传感器设置方向和入射光光柱入射方向垂直设置，颜色传感器检测头两侧各设置有一块垂直于入射光光柱入射方向的挡板。这样，可以更好地实现单位空间体积内的颗粒物数量检测，避免经过光柱其它空间位置的颗粒物散射光对检测的干扰，极大地提高了检测精度。

进一步地，第二颜色光柱的截面圆直径为10微米。该直径可以更好地保证检测精度，因为第二颜色光柱的截面圆直径如果过小，则难以反应出大颗粒固体颗粒的散射情况。如果过大则检测容易被第二颜色光柱内的小颗粒固体颗粒造成干扰。

进一步地，所述双色光生成机构包括垂直于入射光通道设置的第一入射通道，第一入射通道和入射光通道相交位置设置有与二者呈45度夹角的分光片，第一入射通道外端设置有第一激光器，第一激光器发出激光经分光片发射形成第一颜色光柱或者第二颜色光柱，分光片背离入射光通道一侧沿入射光通道方向设置有第二入射通道，第二入射通道外端设置有第二激光器，第二激光器发出的激光经分光片折射形成第二颜色光柱或第一颜色光柱。

这样，能够稳定可靠地生成所述的双色光柱。

进一步地，所述第一入射通道形成在一个第一入射构件内，第一入射构件一端固定在壳体上，另一端固定有第一激光器安装座并用于安装第一激光器，所述第二入射通道形成在一个第二入射管内，第二入射管通过一个连接片可拆卸地固定在壳体上，第二入射管外端固定有第二激光器安装座并用于安装第二激光器。

这样，具有结构简单，拆装方便，利于清洗等优点。

进一步地，连接片和第二入射管固定的一端设置有沿第二入射管长度方向的长条孔并通过螺栓固定。这样，可以方便调节第二入射管前后方向，进而实现调焦对准。

进一步地，用于生成第二颜色光柱的激光器发射端镜头圆心位置设置有黑色屏蔽块，黑色屏蔽块用于在检测位置形成直径2.5微米截面圆的屏蔽范围。这样，避免检测位置的第一颜色光柱实际为两种颜色的混合光造成颜色传感器识别的难度加大，可以更好地提高检测精度。其中，第一颜色光柱可采用蓝光，第二颜色光柱可采用红光，这样是因为红蓝二色光更容易被颜色传感器采集和区别。

实施时，激光器可以采用激光二极管并经准直透镜聚焦得到所需光柱。成本低廉，利于实施。具体地说，为了使不同光散射的区分度扩大，选用650nm（5mw）红光激光二极管以及405nm（5mw）偏紫光激光二极管。之所以选定的功率都为5mw的激光二极管，是为了避免由于功率太高，发射光经过准直透镜聚焦后，焦点的光强太大导致颗粒物汽化，影响测试结果。

故本发明能够实现空气PM2.5浓度的检测，且具有实施简单，方便快捷，检测结果精确可靠等优点。

附图说明

图1为本发明实施例采用的检测设备的结构的正视图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。图1-3为本发明实施例采用的检测设备的结构示意图，但图中未显示通风装置、颜色传感器和激光器。

实施例：一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特点在于，先驱动检测位置处空气流动，然后在固定风速下获取到单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量，再换算为该处空气的PM2.5含量。

由于空气的PM2.5浓度固定，同时风速固定情况下，单位时间内通过横截面为2.5微米的单位空间体积的PM2.5颗粒物数量也是固定的，故本方法可以依靠这样的原理方便快捷且准确可靠地检测到空气的PM2.5浓度。

本实施方式中，是根据光散射原理，依靠有色光照射该检测位置并采用颜色传感器根据检测到的散射光情况，判断确定单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量

本实施例的方法采用图1-3所示的检测装置实现，该检测装置，包括壳体1，壳体内部形成有一个检测腔2，检测腔2一侧连通设置有入射光通道3，入射光通道3远离检测腔的一端设置有双色光生成机构，所述双色光生成机构用于生成正对检测腔内检测位置入射的双色光光柱，所述双色光光柱包括截面呈圆形的第一颜色光柱和截面呈相接于第一颜色光柱截面圆外的环形的第二颜色光柱，第一颜色光柱的截面圆直径为2.5微米，检测腔上还设置有和外界相连通的通风道4，通风道内设置有通风装置，通风装置用于在检测腔内的检测位置形成稳定的风流，检测腔内壁上还设置有颜色传感器，颜色传感器感应方向正对检测位置设置，颜色传感器和计算机通讯连接。

上述设备的工作原理是在空气的PM2.5浓度固定，同时风速固定情况下，单位时间内通过横截面为2.5微米的单位空间体积的PM2.5颗粒物数量也是固定的，这样即可通过检测该PM2.5颗粒物数量换算得到对应的空气PM2.5浓度。本设备具体使用时，依靠通风装置在检测腔内检测位置形成稳定的风流，依靠双色光生成机构生成正对检测位置入射的双色光光柱，其中第一颜色光柱和第二颜色光柱颜色不同，当空气中固体颗粒经过第一颜色光柱时，发生散射，不同大小的颗粒物会散射出强度不同的光。光信号通过颜色传感器捕捉采集，然后根据采集到的颜色信号可以确定第一颜色光柱内有无PM2.5颗粒物通过，最后通过对单个周期内通过的PM2.5颗粒物的值进行计算即可得出当前测试环境下PM2.5的浓度。其中第二颜色光柱用于判断时过滤掉直径大于2.5微米的颗粒，即当采集到颗粒物只散射出第一颜色光，则可判断该颗粒物为PM2.5，如果该颗粒物同时散射出第一颜色光和第二颜色光，即可根据两种颜色光的比例，判断出该颗粒物是否大于2.5微米，计算时先删除直径大于2.5微米的固体颗粒，这样就可以完美地屏蔽掉大颗粒固体物质对检测的干扰，极大地提高检测精确度。其中，具体的计算方式，可以根据上述原理，依靠预设在计算机中的换算公式直接进行计算；或者在恒定风流条件下，事先将不同PM2.5浓度的空气对应颜色传感器测定的值一一对应地测定并预设到计算机中，实际检测时根据颜色传感器测定数据匹配上对应的PM2.5浓度即可得到检测结果。

实施时，颜色传感器为成熟现有技术，核心构件可以采用TCS230颜色识别芯片，通过该芯片实现颜色识别，进而判断出散射光的颜色，TCS230是一款可编程的彩色光与频率转换器，其通过将可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器,是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字量,可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入,因此也可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接；具体不在此详述。

其中，通风道4包括和检测腔相通的进风通道和出风通道，所述通风装置为抽气泵且设置在出风通道内。这样，以抽风的方式形成风流，避免采用鼓风的方式容易将通风装置中润滑油带入检测腔影响检测精度。

其中，进风通道和出风通道沿垂直入射光通道方向水平贯通壳体1设置，同时沿正对入射光通道方向还设置有校验通道。这样，可以更好地保证风流沿垂直入射光方向流动，利于检测。同时设置的校验通道可以实现对入射光的检验校准，保证检测精确可靠。检验校准可以采用显微镜实现，检验校准完毕后可以封闭校验通道，降低对风流方向的干扰。

其中，检测腔2内壁设置有黑色材料层。这样，可以降低检测器内壁反射光线对检测造成的干扰，提高检测精度。

其中，壳体1为金属材料制得，所述黑色材料层采用黑色阳极氧化方式得到。这样，可以保证壳体的强度，且方便黑色材料层的设置。壳体材料更优选择为铝合金。加工性能极佳、优良的可焊接性、挤出性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性，易于抛光、上色膜，阳极氧化效果优良。

其中，壳体1一侧设置有颜色传感器嵌入口5并用于安装所述颜色传感器，这样方便颜色传感器的安装固定。

其中，颜色传感器设置方向和入射光光柱入射方向垂直设置，颜色传感器检测头两侧各设置有一块垂直于入射光光柱入射方向的挡板（图中未显示）。这样，可以更好地实现单位空间体积内的颗粒物数量检测，避免经过光柱其它空间位置的颗粒物散射光对检测的干扰，极大地提高了检测精度。

其中，第二颜色光柱的截面圆直径为10微米。该直径可以更好地保证检测精度，因为第二颜色光柱的截面圆直径如果过小，则难以反应出大颗粒固体颗粒的散射情况。如果过大则检测容易被第二颜色光柱内的小颗粒固体颗粒造成干扰。

其中，所述双色光生成机构包括垂直于入射光通道设置的第一入射通道6，第一入射通道6和入射光通道3相交位置设置有与二者呈45度夹角的分光片7，第一入射通道6外端设置有第一激光器，第一激光器发出激光经分光片发射形成第一颜色光柱或者第二颜色光柱，分光7片背离入射光通道一侧沿入射光通道方向设置有第二入射通道，第二入射通道外端设置有第二激光器，第二激光器发出的激光经分光片折射形成第二颜色光柱或第一颜色光柱。

这样，能够稳定可靠地生成所述的双色光柱。

其中，所述第一入射通道形成在一个第一入射构8件内，第一入射构件8一端固定在壳体1上，另一端固定有第一激光器安装座9并用于安装第一激光器，所述第二入射通道形成在一个第二入射管10内，第二入射管10通过一个连接片11可拆卸地固定在壳体上，第二入射管10外端固定有第二激光器安装座并用于安装第二激光器。实施时，第二入射管下端固定在安装台上，安装台通过连接片可拆卸地固定在壳体上。这样更加方便其安装固定。

这样，具有结构简单，拆装方便，利于清洗等优点。

其中，连接片11和第二入射管固定的一端设置有沿第二入射管10长度方向的长条孔并通过螺栓固定。这样，可以方便调节第二入射管前后方向，进而实现调焦对准。

其中，用于生成第二颜色光柱的激光器发射端镜头圆心位置设置有黑色屏蔽块，黑色屏蔽块用于在检测位置形成直径2.5微米截面圆的屏蔽范围。这样，避免检测位置的第一颜色光柱实际为两种颜色的混合光造成颜色传感器识别的难度加大，可以更好地提高检测精度。其中，第一颜色光柱可采用蓝光，第二颜色光柱可采用红光，这样是因为红蓝二色光更容易被颜色传感器采集和区别。

实施时，激光器可以采用激光二极管并经准直透镜聚焦得到所需光柱。成本低廉，利于实施。具体地说，为了使不同光散射的区分度扩大，选用650nm（5mw）红光激光二极管以及405nm（5mw）偏紫光激光二极管。之所以选定的功率都为5mw的激光二极管，是为了避免由于功率太高，发射光经过准直透镜聚焦后，焦点的光强太大导致颗粒物汽化，影响测试结果。

为了实际测试上述检测设备的测试精度，以确定双波长法是否可以切实用于PM2.5监测，申请人进行了相关的测试，具体实验过程如下：

（1）实验器材：上述检测设备，某型号高精度PM2.5检测仪。

（2）实验地点:郑州市某学校

（3）操作方法：

每个时间点间隔5分钟测试3组数据取平均值，计入结果。所得结果如表1所示

表1两种不同PM2.5测试法测试结果

本检测设备平均值	对比检测器平均值
		37	31.5
39	34.8
		37	32.6
37	33.1
		39	35.4

由于各区PM2.5平均浓度值系郑州市各区县的平均值，各地PM2.5实际值存在一定的差异。市面上一般的PM2.5浓度测试仪允许的误差范围为25%。为了方便测量我们购买了某型号的PM2.5检测仪，其检测报告显示其精度误差在±10%内，系实验者目前能购买到精度最高的测试仪。这里将双波长法的测试经过与该型号的检测仪结果进行对比。得出误差率如表2所示：

表2本申请双波长光散射法的检测设备与某型高精度PM2.5检测仪结果对比

PM2.5平均浓度值	本检测设备偏差比
		31.5	17.46%
34.8	12.07%
		32.6	13.50%
33.1	11.78%
		35.4	10.17%

由表2可知，当空气质量较好的情况下，双波长光散射法测量PM2.5浓度的误差在25%以下，符合市面上一般的PM2.5浓度测试仪允许的误差范围。

因此，在空气质量较好的环境中，本申请的基于双波长光散射法的检测设备可以用于PM2.5检测，可以满足国家对于检测精度的要求，故双波长光散射法也可以应用于PM2.5浓度检测，实验成功。

Claims (10)

1.一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，先驱动检测位置处空气流动，然后在固定风速下获取到单位时间内通过横截面圆直径为2.5微米的单位空间体积内的PM2.5颗粒物数量，再换算为该处空气的PM2.5含量。

2.如权利要求1所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，采用以下的检测装置实现，所述检测装置包括壳体，壳体内部形成有一个检测腔，检测腔一侧连通设置有入射光通道，入射光通道远离检测腔的一端设置有双色光生成机构，所述双色光生成机构用于生成正对检测腔内检测位置入射的双色光光柱，所述双色光光柱包括截面呈圆形的第一颜色光柱和截面呈相接于第一颜色光柱截面圆外的环形的第二颜色光柱，第一颜色光柱的截面圆直径为2.5微米，检测腔上还设置有和外界相连通的通风道，通风道内设置有通风装置，通风装置用于在检测腔内的检测位置形成稳定的风流，检测腔内壁上还设置有颜色传感器，颜色传感器感应方向正对检测位置设置，颜色传感器和计算机通讯连接。

3.如权利要求1所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，通风道包括和检测腔相通的进风通道和出风通道，所述通风装置为抽气泵且设置在出风通道内；

进风通道和出风通道沿垂直入射光通道方向水平贯通壳体设置，同时沿正对入射光通道方向还设置有校验通道。

4.如权利要求2所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，检测腔内壁设置有黑色材料层。

5.如权利要求4所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，壳体为金属材料制得，所述黑色材料层采用黑色阳极氧化方式得到。

6.如权利要求2所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，壳体一侧设置有颜色传感器嵌入口并用于安装所述颜色传感器。

7.如权利要求2所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，第二颜色光柱的截面圆直径为10微米。

8.如权利要求2所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，所述双色光生成机构包括垂直于入射光通道设置的第一入射通道，第一入射通道和入射光通道相交位置设置有与二者呈45度夹角的分光片，第一入射通道外端设置有第一激光器，第一激光器发出激光经分光片发射形成第一颜色光柱或者第二颜色光柱，分光片背离入射光通道一侧沿入射光通道方向设置有第二入射通道，第二入射通道外端设置有第二激光器，第二激光器发出的激光经分光片折射形成第二颜色光柱或第一颜色光柱。

9.如权利要求8所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，所述第一入射通道形成在一个第一入射构件内，第一入射构件一端固定在壳体上，另一端固定有第一激光器安装座并用于安装第一激光器，所述第二入射通道形成在一个第二入射管内，第二入射管通过一个连接片可拆卸地固定在壳体上，第二入射管外端固定有第二激光器安装座并用于安装第二激光器。

10.如权利要求9所述的一种基于光学散射原理的PM2.5检测方法，其特征在于，连接片和第二入射管固定的一端设置有沿第二入射管长度方向的长条孔并通过螺栓固定。