CN110132810A - 一种pm2.5浓度检测方法及其检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种PM2.5浓度检测方法及其检测装置，属于测量测试领域。PM2.5浓度检测装置包括上壳体、下壳体、固定在下壳体内的PCBA板以及能整合灰尘数据的数据处理模块，其特征在于，所述PCBA板上设有能吸入灰尘的风道模块、能将灰尘颗粒数量转换成数字信号的信号转换模块以及能收集数据的微处理系统模块，所述微处理系统模块能将收集到的数据传输到数据处理模块中进行处理。本发明具有能准确且快捷的检测出空气中PM2.5的浓度的优点。

Description

一种PM2.5浓度检测方法及其检测装置
技术领域
本发明属于测量测试领域，涉及一种环境检测技术，特别是一种PM2.5浓度检测方法及其检测装置。
背景技术
随着工业的快速发展，工厂等制造企业不可避免的向大气中排放废气，造成大气污染，损害人体的健康。
在中国专利文献【授权公告号：CN20151026557】一种PM2.5的检测装置及检测方法，包括检测部分和控制部分：检测部分包括扬尘筒，扬尘筒与进风口连通，扬尘筒上端设置有过滤装置，扬尘筒下端设置有检测箱，检测箱内设置有激光束传感器和光电转换管，激光束传感器和信号传输装置分别于光电转换管连接；控制部分包括控制面板，控制面板上设置有检测所需功能按钮。该发明还公开了利用上述装置、运用斯托克斯定律进行PM2.5检测的方法。
在上述结构中，各个装置的运行都需要人工按下功能按钮来确认装置的正常运行，不适合长期的检测工作，无法进行长期的空气质量数据的收集。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种PM2.5浓度检测方法及其检测装置，本发明解决的技术问题是，如何更准确且快捷的检测出空气中PM2.5的浓度。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种PM2.5浓度检测方法，包括如下步骤：
步骤一，采样：
风机（11）运转后产生的吸力将空气吸入风道底座（1）内，对空气进行一定比例的采样；
步骤二，照射：
激光发射器40开始对采样空气进行发射光束，使得采样空气中的灰尘产生光散射现象；
步骤三，检测和收集数据：
光电转换器对散射光束进行周期性的采集并转换为脉冲信号，每个周期采集一次形成一个区间的脉冲信号，再将脉冲信号输送到微处理系统模块内，微处理系统模块能通过此时的波峰值和脉冲数即可得出每个粒径的大小和个数，从而计算得出粒子个数N，然后统计多个区间内的粒子个数，分别记为N1、N2、N3、....，最后将多个计算结果输送至计算机，安装在计算机上的软件CANoe会对接收到的数据进行汇集；
步骤四，拟合计算出参照数据：
将软件CANoe中汇集的数据输送至同样安装在计算机上的软件MATLAB中，软件MATLAB会将多个区间内的粒子个数和单位时间之间的关系生成对应区间的函数图像，并将多个区间的函数图像进行拟合成一个函数图像，从而得到对应的参照浓度值ρ。
步骤五，拟合计算出实际数据：
通过MATLAB中的regress函数对收集到的粒子的直径数据进行计算，能够得到粒子的直径相关系数值B，从而能推导出多个区间的粒子个数N对应的系数值分别为B1、B2、B3、....，再根据PM2.5的浓度计算公式ρ= B1*N1+B2*N2+B3*N3+...+Bn*Nn可以计算得出PM2.5的实际浓度的函数图像并得到实际浓度值ρ1。
步骤六，对比ρ和ρ1：
对ρ1的函数图像进行滤波处理，并对ρ和ρ1进行对比，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差不大，则得到正确的浓度值ρ1，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差过大，则重新进行数据采集；若ρ和ρ1之间的浓度值多次相差过大，则能认定产品出现故障，发出警告提示并停机检修。
一种能实现权利要求1的PM2.5浓度检测装置，包括上壳体、下壳体、固定在下壳体内的PCBA板以及能整合灰尘数据的数据处理模块，其特征在于，所述PCBA板上设有能吸入灰尘的风道模块、能将灰尘颗粒数量转换成数字信号的信号转换模块以及能收集数据的微处理系统模块，所述微处理系统模块能将收集到的数据传输到数据处理模块中进行处理。
风道模块在向外界吸取空气样本后，信号转换模块能将空气样本内的灰尘数量进行检测，并将检测到的灰尘数量转换为电信号输送到微处理系统模块中，然后通过微处理系统模块输送到数据处理模块中进行处理，最后实时得出空气中的PM2.5浓度，具有检测时间快捷和检测结果准确的优点。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述风道模块包括风道底座、盖设在风道底座上的风道盖板以及固定在风道底座一端的风机，所述风道底座的另一端为进风口，所述下壳体上与进风口相对的一侧开设有若干个进风孔，所述风道底座与风道盖板之间形成进风通道。风机运转后能产生吸力，并通过风道底座的进风口吸取外界的空气，并将采集的空气作为空气样本进入下一个步骤对其检测。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述信号转换模块包括用于照射空气中灰尘的激光发射器以及用于接收激光发射器发出的光束并将之转换成模拟信号的光电转换器，所述激光发射器和光电转换器均设在风道底座上。激光发射器产生的激光对进风通道内的空气中进行照射，由于空气中灰尘的阻挡，激光会形成若干道光束，光电转换器能接收到激光发射器发出的激光，并将接收到的激光变为模拟信号，能更高效的检测到灰尘。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述风道底座上位于进风口与风机之间的一侧开设有固定口，所述激光发射器固定在固定口的一侧，所述激光发射器的发射端朝向风道底座的另一侧设置，所述光电转换器位于固定口的底部并朝正上方设置，所述激光发射器的朝向与光电转换器的朝向具有交集区，所述交集区位于进风通道内。固定口能更好的固定住激光发射器，又能使得激光发射器不会占用过多的进风通道的空间，最主要能使激光发射器与光电转换器之间具有更多的交集区，从而能更好的得到检测数据。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述固定口处设有激光头支架，所述激光头支架密封抵靠在固定口处，所述风道盖板的底部抵靠在激光头支架的顶面上，所述激光头支架前端设有发射孔，所述激光发射器固定在激光头支架内且激光发射器的发射端与发射孔相对设置。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述风道底座包括进风段、检测段以及位于进风段和检测段之间挡光段，所述进风段和检测段相互平行，所述挡光段均与进风段和检测段之间相互垂直，所述进风口位于进风段的端部，所述固定口均位于检测段的一侧，所述风机固定在检测段的端部。挡光端的设置能防止外界光线通过进风口直射入进风通道，从而避免了外界光线对光电转换器检测结果的干扰。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述激光头支架靠近发射孔的一端开设有遮挡部，所述遮挡部位于激光头支架靠近PCBA板的一侧面，所述遮挡部与激光头支架之间形成相互垂直的台阶面一和台阶面二，所述发射孔开设在台阶面二上，所述台阶面一上开设有通孔，所述光电转换器位于激光头支架的底面且正对通孔设置。遮挡部能更好的保护光电转换器不受到其他方向照射过来的光线；通孔能使得光电转换器只能接收来自光电转换器正上方的光线，从而保证检测的准确性。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述风道底座上位于与发射孔相对的一侧设有吸光室，所述风道盖板同时盖设在风道底座和吸光室的正上方，所述吸光室与风道底座之间开设有吸光口，所述风道底座位于吸光口处设有向吸光室内倾斜设置的反光板，所述吸光室内与反光板正面相对的一侧设有波纹板，所述波纹板上开设有若干个反射槽。倾斜设置的反光板能将从激光发射器发射过来的光线反射至吸光室内，防止反光板反射的光线重新进入到进风通道内对空气中的灰尘进行照射；若干个反射槽能将从反光板中反射过来的激光只能在吸光室内进行反射，防止光线从吸光口中反射到进风通道内，从而保证检测数据的准确性。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述微处理系统模块包括模数转换模块以及通信模块，所述光电转换器将数据输送到模数转换模块中进行处理后再通过通信模块输送到数据处理模块，所述上壳体的顶面上设有插接头，所述插接头与通信模块之间通过pin针连接。模数转换模块能将从光电转换器中接收到的模拟信号转换为数字信号，并将这些数字信号通过通信模块输送到下个模块进行处理。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述数据处理模块为安装在计算机上的CANoe软件和MATLAB软件，所述通信模块与计算机之间通过TCP/TP和LIN进行通讯。模数转换模块中处理好的数字信号先导入到CANoe软件进行汇集统计，再导入到MATLAB软件中进行拟合计算，最后得到PM2.5浓度的计算结果；实用该通讯方式能够快速的且完整的将电信号输送到计算机中。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述上壳体与PCBA板之间设有上屏蔽罩，所述下壳体与PCBA板之间设有下屏蔽罩。上屏蔽罩和下屏蔽罩均能保护PCBA板不会受到外界磁场的干扰，保证检测结果的准确性。
在上述的PM2.5浓度检测装置中，所述风机通过若干颗螺钉固定在风道底座上，所述风机与风道底座之间设有减震垫，所述上壳体与风机相对的位置开设有若干个出风孔。风机在运转的时候会产生较大的震动，在风机和风道底座之间加上减震垫能吸收风机产生的震动，从而保证PCBA板的正常运行，延长PCBA板的使用寿命。
与现有技术相比，本PM2.5浓度检测方法及其检测装置具有能准确且快捷的检测出空气中PM2.5的浓度的优点。
附图说明
图1是从示波器中截取的其中一段电信号图。
图2是模数转换模块采集的五个区间的粒子个数。
图3是5个区间内粒子计数N与时间t曲线图。
图4是图3的五条曲线拟合后的浓度曲线与标准浓度曲线对比图。
图5是图4中拟合后的浓度曲线经过滤波处理后与标准浓度曲线对比图。
图6是本PM2.5浓度检测装置的结构布局示意图。
图7是本PM2.5浓度检测装置的正视剖视结构示意图。
图中，1、风道底座；10、风道盖板；11、进风通道；12、进风口；13、进风段；14、挡光段；15、检测段；16、固定口；2、风机；20、减震垫；3、吸光室；30、吸光口；31、反光板；32、反射槽；4、激光头支架；40、激光发射器；41、遮挡部；42、台阶面一；43、台阶面二；44、通孔；45、发射孔；5、光电转换器；6、微处理系统模块；7、上壳体；70、上屏蔽罩；71、插接头；72、出风孔；8、下壳体；80、下屏蔽罩；81、进风孔；9、PCBA板。
具体实施方式
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。
PM2.5浓度检测方法，包括如下步骤：
步骤一，采样：
如图6和图7所示，风机2运转后产生的吸力将空气吸入风道底座1内，对空气进行一定比例的采样；
步骤二，照射：
如图6和图7所示，激光发射器40开始对采样空气进行发射光束，使得采样空气中的灰尘产生光散射现象；
步骤三，检测和收集数据：
如图1所示，光电转换器5对散射光束进行周期性的采集并转换为脉冲信号，每个周期采集一次形成一个区间的脉冲信号，再将脉冲信号输送到微处理系统模块6内，微处理系统模块6能通过此时的波峰值和脉冲数即可得出每个粒径的大小和个数，从而计算得出粒子个数N，然后统计多个区间内的粒子个数，分别记为N1、N2、N3、....，最后将多个计算结果输送至计算机，安装在计算机上的软件CANoe会对接收到的数据进行汇集；由于电信号是不可见的，这里采用示波器连接光电转换器，使得光电转换器在转换信号时能通过示波器表示出电信号。
步骤四，拟合计算出参照数据：
将软件CANoe中汇集的数据输送至同样安装在计算机上的软件MATLAB中，软件MATLAB会将多个区间内的粒子个数和单位时间之间的关系生成对应区间的函数图像，并将多个区间的函数图像进行拟合成一个函数图像，从而得到对应的参照浓度值ρ。
步骤五，拟合计算出实际数据：
通过MATLAB中的regress函数对收集到的粒子的直径数据进行计算，能够得到粒子的直径相关系数值B，从而能推导出多个区间的粒子个数N对应的系数值分别为B1、B2、B3、....，再根据PM2.5的浓度计算公式ρ= B1*N1+B2*N2+B3*N3+...+Bn*Nn可以计算得出PM2.5的实际浓度的函数图像并得到实际浓度值ρ1。
步骤六，对比ρ和ρ1：
对ρ1的函数图像进行滤波处理，并对ρ和ρ1进行对比，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差不大，则得到正确的浓度值ρ1，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差过大，则重新进行数据采集；若ρ和ρ1之间的浓度值多次相差过大，则能认定产品出现故障，发出警告提示并停机检修。
PM2.5浓度检测装置包括上壳体7、下壳体8、固定在下壳体8内的PCBA板9以及能整合灰尘数据的数据处理模块，上壳体7与PCBA板9之间设有上屏蔽罩70，下壳体8与PCBA板9之间设有下屏蔽罩80，PCBA板9上设有能吸入灰尘的风道模块、能将灰尘颗粒数量转换成数字信号的信号转换模块以及能收集数据的微处理系统模块6，微处理系统模块6能将收集到的数据传输到数据处理模块中进行处理。
风道模块包括风道底座1、盖设在风道底座1上的风道盖板10以及固定在风道底座1一端的风机2，风道底座1的另一端为进风口12，下壳体8上与进风口12相对的一侧开设有若干个进风孔81，风道底座1与风道盖板10之间形成进风通道11，风道底座1上位于进风口12与风机2之间的一侧开设有固定口16，风道底座1包括进风段13、检测段15以及位于进风段13和检测段15之间挡光段14，进风段13和检测段15相互平行，挡光段14均与进风段13和检测段15之间相互垂直，进风口12位于进风段13的端部，固定口16和吸光口30均位于检测段15的一侧，风机2固定在检测段15的端部，风机2通过若干颗螺钉固定在风道底座1上，风机2与风道底座1之间设有减震垫20，上壳体7与风机2相对的位置开设有若干个出风孔72。
信号转换模块包括用于照射空气中灰尘的激光发射器40以及用于接收激光发射器40发出的光束并将之转换成模拟信号的光电转换器5，激光发射器40和光电转换器5均设在风道底座1上，激光发射器40固定在固定口16的一侧，激光发射器40的发射端朝向风道底座1的另一侧设置，光电转换器5位于固定口16的底部并朝正上方设置，激光发射器40的朝向与光电转换器5的朝向具有交集区，交集区位于进风通道11内。
固定口16处设有激光头支架4，激光头支架4密封抵靠在固定口16处，风道盖板10的底部抵靠在激光头支架4的顶面上，激光头支架4前端设有发射孔45，激光发射器40固定在激光头支架4内且激光发射器40的发射端与发射孔45相对设置，激光头支架4靠近发射孔45的一端开设有遮挡部41，遮挡部41位于激光头支架4靠近PCBA板9的一侧面，遮挡部41与激光头支架4之间形成相互垂直的台阶面一42和台阶面二43，发射孔45开设在台阶面二43上，台阶面一42上开设有通孔44，光电转换器5位于激光头支架4的底面且正对通孔44设置。
风道底座1上位于与发射孔45相对的一侧设有吸光室3，风道盖板10同时盖设在风道底座1和吸光室3的正上方，吸光室3与风道底座1之间开设有吸光口30，风道底座1位于吸光口30处设有向吸光室3内倾斜设置的反光板31，吸光室3内与反光板31正面相对的一侧设有波纹板，波纹板上开设有若干个反射槽32。
微处理系统模块6包括模数转换模块以及通信模块，光电转换器5将数据输送到模数转换模块中进行处理后再通过通信模块输送到数据处理模块，上壳体的顶面上设有插接头71，插接头71与通信模块之间通过pin针连接。
数据处理模块为安装在计算机上的CANoe软件和MATLAB软件，通信模块与计算机之间通过TCP/TP和LIN进行通讯。
风道模块在向外界吸取空气样本后，信号转换模块能将空气样本内的灰尘数量进行检测，并将检测到的灰尘数量转换为电信号输送到微处理系统模块中，然后通过微处理系统模块6输送到数据处理模块中进行处理，最后实时得出空气中的PM2.5浓度，具有检测时间快捷和检测结果准确的优点。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种PM2.5浓度检测方法，包括如下步骤：
步骤一，采样：
风机（2）运转后产生的吸力将空气吸入风道底座（1）内，对空气进行一定比例的采样；
步骤二，照射：
激光发射器（40）开始对采样空气进行发射光束，使得采样空气中的灰尘产生光散射现象；
步骤三，检测和收集数据：
光电转换器（5）对散射光束进行周期性的采集并转换为脉冲信号，每个周期采集一次形成一个区间的脉冲信号，再将脉冲信号输送到微处理系统模块（6）内，微处理系统模块（6）能通过此时的波峰值和脉冲数即可得出每个粒径的大小和个数，从而计算得出粒子个数N，然后统计多个区间内的粒子个数，分别记为N1、N2、N3、....，最后将多个计算结果输送至计算机，安装在计算机上的软件CANoe会对接收到的数据进行汇集；
步骤四，拟合计算出参照数据：
将软件CANoe中汇集的数据输送至同样安装在计算机上的软件MATLAB中，软件MATLAB会将多个区间内的粒子个数和单位时间之间的关系生成对应区间的函数图像，并将多个区间的函数图像进行拟合成一个函数图像，从而得到对应的参照浓度值ρ；
步骤五，拟合计算出实际数据：
通过MATLAB中的regress函数对收集到的粒子的直径数据进行计算，能够得到粒子的直径相关系数值B，从而能推导出多个区间的粒子个数N对应的系数值分别为B1、B2、B3、....，再根据PM2.5的浓度计算公式ρ= B1*N1+B2*N2+B3*N3+...+Bn*Nn可以计算得出PM2.5的实际浓度的函数图像并得到实际浓度值ρ1；
步骤六，对比ρ和ρ1：
对ρ1的函数图像进行滤波处理，并对ρ和ρ1进行对比，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差不大，则得到正确的浓度值ρ1，如果ρ和ρ1之间的浓度值相差过大，则重新进行数据采集；若ρ和ρ1之间的浓度值多次相差过大，则能认定产品出现故障，发出警告提示并停机检修。
2.一种能实现权利要求1的PM2.5浓度检测装置，包括上壳体（7）、下壳体（8）、固定在下壳体（8）内的PCBA板（9）以及能整合灰尘数据的数据处理模块，其特征在于，所述PCBA板（9）上设有能吸入灰尘的风道模块、能将灰尘颗粒数量转换成数字信号的信号转换模块以及能收集数据的微处理系统模块（6），所述微处理系统模块（6）能将收集到的数据传输到数据处理模块中进行处理。
3.根据权利要求2中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述风道模块包括风道底座（1）、盖设在风道底座（1）上的风道盖板（10）以及固定在风道底座（1）一端的风机（2），所述风道底座（1）的另一端为进风口（12），所述下壳体（8）上与进风口（12）相对的一侧开设有若干个进风孔（81），所述风道底座（1）与风道盖板（10）之间形成进风通道（11）。
4.根据权利要求3中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述信号转换模块包括用于照射空气中灰尘的激光发射器（40）以及用于接收激光发射器（40）发出的光束并将之转换成模拟信号的光电转换器（5），所述激光发射器（40）和光电转换器（5）均设在风道底座（1）上。
5.根据权利要求4中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述风道底座（1）上位于进风口（12）与风机（2）之间的一侧开设有固定口（16），所述激光发射器（40）固定在固定口（16）的一侧，所述激光发射器（40）的发射端朝向风道底座（1）的另一侧设置，所述光电转换器（5）位于固定口（16）的底部并朝正上方设置，所述激光发射器（40）的朝向与光电转换器（5）的朝向具有交集区，所述交集区位于进风通道（11）内。
6.根据权利要求5中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述固定口（16）处设有激光头支架（4），所述激光头支架（4）密封抵靠在固定口（16）处，所述风道盖板（10）的底部抵靠在激光头支架（4）的顶面上，所述激光头支架（4）前端设有发射孔（45），所述激光发射器（40）固定在激光头支架（4）内且激光发射器（40）的发射端与发射孔（45）相对设置。
7.根据权利要求5中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述风道底座（1）包括进风段（13）、检测段（15）以及位于进风段（13）和检测段（15）之间挡光段（14），所述进风段（13）和检测段（15）相互平行，所述挡光段（14）均与进风段（13）和检测段（15）之间相互垂直，所述进风口（12）位于进风段（13）的端部，所述固定口（16）位于检测段（15）的一侧，所述风机（2）固定在检测段（15）的端部。
8.根据权利要求6中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述激光头支架（4）靠近发射孔（45）的一端开设有遮挡部（41），所述遮挡部（41）位于激光头支架（4）靠近PCBA板（9）的一侧面，所述遮挡部（41）与激光头支架（4）之间形成相互垂直的台阶面一（42）和台阶面二（43），所述发射孔（45）开设在台阶面二（43）上，所述台阶面一（42）上开设有通孔（44），所述光电转换器（5）位于激光头支架（4）的底面且正对通孔（44）设置。
9.根据权利要求6中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述风道底座（1）上位于与发射孔（45）相对的一侧设有吸光室（3），所述风道盖板（10）同时盖设在风道底座（1）和吸光室（3）的正上方，所述吸光室（3）与风道底座（1）之间开设有吸光口（30），所述风道底座（1）位于吸光口（30）处设有向吸光室（3）内倾斜设置的反光板（31），所述吸光室（3）内与反光板（31）正面相对的一侧设有波纹板，所述波纹板上开设有若干个反射槽（32）。
10.根据权利要求4中所述的PM2.5浓度检测装置，其特征在于，所述微处理系统模块（6）包括模数转换模块以及通信模块，所述光电转换器（5）将数据输送到模数转换模块中进行处理后再通过通信模块输送到数据处理模块，所述上壳体（7）的顶面上设有插接头（71），所述插接头（71）与通信模块之间通过pin针连接，所述数据处理模块为安装在计算机上的CANoe软件和MATLAB软件，所述通信模块与计算机之间通过TCP/TP和LIN进行通讯。
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