CN110987745A - 颗粒物检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境检测设备技术领域，尤其涉及一种颗粒物检测装置，包括照明系统、散射光收集系统以及气路系统；所述照明系统包含激光模组、透镜安装座以及透镜，激光模组固定于透镜安装座的外侧，透镜安装于透镜安装座的内侧并与激光模组对应；散射光收集系统包含散射腔、第一光电探测器、第二光电探测器和PCB板，透镜安装座固定在散射腔的侧部，散射腔的下端开口用于安装PCB板，第一光电探测器和第二光电探测器分别安装于固定板上；气路系统包含进气口、出气口和气泵，进气口固定于散射腔的上表面，出气口固定于PCB板上。本发明改变了现有颗粒物检测装置中光电探测器状态无法校验、长期应用数据准确性无法保证等问题，提高了测量数据精度。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测设备技术领域，尤其涉及一种颗粒物检测装置及检测方法。
背景技术
近年来激光散射法测量大气颗粒物的检测装置得到了长足的发展，其主要原理是利用激光照射大气中的颗粒物产生散射，并通过散射光收集系统对散射光进行收集，根据收集的信号进行颗粒物数量及质量的计算。
激光散射法颗粒物传感器的实际应用中，检测装置的照明系统、气路系统、散射光收集系统等设计均会影响检测装置的测量精度。照明系统的光强不均匀分布导致颗粒物粒径被错判，从而使测量结果偏低；气路系统中部分颗粒物沉降到感光区，日积月累导致检测装置性能降低；散射光收集系统的设计不合理导致收集信号弱，小粒径(D＜1μm)和大粒径(10μm＜D＜100μm)颗粒物难以同时检出，光电探测器状态无法校验，不能及时发现光电探测器的异常状态等问题制约着颗粒物检测装置的进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种颗粒物检测装置及检测方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种颗粒物检测装置，其特征在于：包括照明系统、散射光收集系统、气路系统以及分析处理单元；所述照明系统包含激光模组、透镜安装座以及透镜，所述激光模组固定于透镜安装座的外侧，所述透镜安装于透镜安装座的内侧并与所述激光模组对应；所述散射光收集系统包含散射腔、第一光电探测器、第二光电探测器和PCB板，所述透镜安装座固定在所述散射腔的侧部，所述散射腔的下端开口用于安装PCB板并进行腔室的密封，所述PCB板上有用于安装和定位光电探测器的固定板，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别安装于固定板上；所述气路系统包含进气口、出气口、气泵以及过滤器，所述进气口固定于散射腔的上表面，所述出气口固定于PCB板上，所述过滤器与出气口相连，所述气泵通过采样管与过滤器相接。
优选地，所述散射腔为一个圆形或者矩形空腔。
优选地，所述散射腔内壁使用消光漆进行表面处理。
优选地，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别位于光敏区的两侧。
优选地，所述第一光电探测器和第二光电探测器固定在一块固定板上并位于所述光敏区的同侧。
优选地，第一光电探测器和第二光电探测器的安装位置位于进气口和出气口连线的同一侧。
优选地，进气口采用外圆内方模式，即与采样管相连端为圆形，而与散射腔相连端为方形，且变形处经过试验优选确定，该处进行倒圆角设计。
一种颗粒物检测装置的检测方法，其特征在于：该方法中，第一光电探测器对应第一信号检测电路以及第一分析处理单元，检测粒径2.5-100μm颗粒物，所述第二光电探测器对应第二信号检测电路以及第二分析处理单元，检测粒径0.3-5μm颗粒物，其中，第一光电探测器和第二光电探测器在粒径2.5-5μm之间检测范围重合，对彼此的状态进行校验，同一检测装置能够同时检测粒径小于1μm范围的颗粒物和粒径大于10μm小于100μm范围内的颗粒物，状态校验包括以下步骤：
步骤一、当检测装置第一次工作时，从步骤二开始执行，否则，从步骤三开始执行；
步骤二、对所述颗粒物检测装置的第一分析处理单元和第二分析处理单元进行标定；
步骤三、进行正式测量，计算第一分析处理单元和第二分析处理单元所对应的粒径范围内的不同粒径的颗粒物个数及质量浓度；
步骤四、分别提取第一分析处理单元和第二分析处理单元的计算结果中2.5-5μm之间的颗粒物个数及质量浓度，并计算其比值X；
步骤五、记录一段连续时间(如一小时或一天)内X＞设定值A的个数N，其中A可以根据测量的精度进行设定，如A可取0.95-1.05；
步骤六、若N＞设定数值B，则判定光电探测器状态不佳，需要进行维修和更换，数值B可以根据实验进行优选设定，根据连续时间的不同，B可取不同数值，如一小时可取10，一天可取200。
在上述步骤三中进行正式测量时，采用一种信号峰值校正算法，对收集到的颗粒物脉冲信号峰值进行校正，根据校正后的信号峰值进行颗粒物粒径分区及质量浓度的计算，包括以下步骤：
步骤一：当检测装置第一次工作时，从步骤二开始执行，否则，从步骤三开始执行；
步骤二：根据激光光源的高斯光束特性以及照明系统的设计，计算光敏区处不同位置的光强与中心光强的比例系数K并保存；
步骤三：分析处理单元提取颗粒物脉冲信号峰值，并根据概率计算颗粒物通过光敏区时的位置；
步骤四：读取相应的光强与中心光强的比例系数K；
步骤五：通过系数K对分析处理单元的脉冲信号峰值进行校正；
步骤六：将校正后的脉冲信号峰值与通过标定的各个分区的阈值进行比较，并放入对应的分区中，同时对该分区中的脉冲信号峰值个数进行计数；
步骤七：计算单位采样体积内颗粒物的个数以及体积浓度；
步骤八：计算颗粒物的质量浓度。
本发明的有益效果是:相对于现有技术，本发明通过对散射光收集系统进行优化设计，改变了目前常见的直角散射式收集系统的反射光多次到达光电探测器干扰测量的问题。选用双光电探测器，并将光电探测器的相对位置进行优化设计，使光电探测器之间能够相互校验，保证光电探测器的准确性，双光电探测器的设计增加小粒径颗粒物的检出效率，同时对不同粒径的颗粒物进行详细分档，质量浓度的计算结果更加准确。
附图说明
图1是本发明的分解图；
图2是本发明的立体图；
图3是本发明中光电探测器的安装位置与气流运动方向示意图；
图4是本发明中照明系统遮光光阑位置示意图；
图5a是本发明中光电探测器的一种安装结构图；
图5b是本发明中光电探测器另一种安装结构图；
图6是本发明中进气口结构示意图；
图7为本方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1和图2所示，一种颗粒物检测装置，包括照明系统、散射光收集系统、气路系统以及分析处理单元；所述照明系统包含激光模组1、透镜安装座2以及透镜3，所述激光模组固定于透镜安装座的外侧，具体为，透镜安装座的外侧设置一个圆筒，与内侧是相通的，该激光模组安装在该圆筒内，所述透镜安装于透镜安装座的内侧并与所述激光模组对应，激光模组产生的激光经透镜一维聚焦于光敏区。本装置中透镜安装座的长度小于20mm,透镜的焦距小于25mm,从而使颗粒物检测装置尺寸减小，方便安装与集成。在透镜3后增加垂直遮光光阑11和水平遮光光阑12如图4所示，从而截取照明光束中均匀度较高的部分到达光敏区，且整个光敏区的光斑宽度保持一致，提高测量的准确性。
所述散射光收集系统包含散射腔4、第一光电探测器5、第二光电探测器6和PCB板7，所述散射腔内壁使用消光漆进行表面处理，最大限度的减少杂散光，提高测量准确性。所述透镜安装座固定在所述散射腔的侧部，所述散射腔的下端开口用于安装PCB板并进行腔室的密封，所述PCB板上有用于安装和定位光电探测器的固定板8，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别安装于固定板上。双光电探测器设计，提高散射光收集能力，有效检测小粒径颗粒物，提高检出效率。
所述气路系统包含进气口9、出气口10、气泵以及过滤器，所述进气口固定于散射腔的上表面，所述出气口固定于PCB板上，所述过滤器与出气口相连，所述气泵通过采样管与过滤器相接。进气口经过特殊设计，采用外圆内方模式，即与采样管相连端为圆形，直径4mm。而与散射腔相连端为扁平长方形，尺寸1.5×3mm，且变形处经过试验优选确定，该处进行倒圆角设计，减少颗粒物沉降堆积。进气口的圆形入口方便与圆形采样管相连，长方形出口能够约束颗粒物到达光敏区时运行区域为长方形，保证采样气流中所有的颗粒物被主光束照明，同时让颗粒物逐个通过光敏区，减少多个颗粒物抱团通过，被错判的现象。
本发明中光电探测器的相对位置有多种可能性，如图5a所示，第一光电探测器5和第二光电探测器6分居光敏区13两侧，且两光电探测器分别接收不同散射角度范围的散射光14，两个光电探测器的收集信号进行互相校验。为了保证测量的准确性，第一光电探测器靠近光敏区，接近直角散射，检测大粒径颗粒物；第二光电探测器远离光敏区，因此更接近前向散射，散射光强度大，检测小粒径颗粒物。或如图5b所示，所述第一光电探测器5和第二光电探测器6固定在一块固定板上并位于所述光敏区13的同侧且两光电探测器接收不同散射角度的散射光14。为了保证测量的准确性，第一光电探测器靠近光敏区，接近直角散射，检测大粒径颗粒物；第二光电探测器远离光敏区，因此更接近前向散射，散射光强度大，检测小粒径颗粒物。光电探测器的放置均避开了直角方向的反射光，因此可以有效避免光线经过多次反射到达光电探测器，干扰测量。
本发明中光电探测器的安装位置与气流运动方向形成一定距离，如图3所示，气流的边界与光电探测器的边界彼此分开一定距离(大于5mm)保证颗粒物被检测后随气流运动到散射腔外部，避免颗粒物沉积到光电探测器干扰测量。
本发明中第一光电探测器5与第二光电探测器6对彼此的状态进行校验，具体的，第一光电探测器5检测粒径2.5-100μm，而第二光电探测器6检测粒径0.3-5μm，二者在2.5-5μm粒径范围内进行重复检测，当检测结果偏差过大时，认为检测装置出现问题，需要进行检修。
本实施例提供一种颗粒物检测装置的检测方法，该方法中，第一光电探测器对应第一信号检测电路以及第一分析处理单元，检测粒径2.5-100μm颗粒物，所述第二光电探测器对应第二信号检测电路以及第二分析处理单元，检测粒径0.3-5μm颗粒物，其中，第一光电探测器和第二光电探测器在粒径2.5-5μm之间检测范围重合，对彼此的状态进行校验，同一检测装置能够同时检测粒径小于1μm范围的颗粒物和粒径大于10μm小于100μm范围内的颗粒物，状态校验包括以下步骤：
步骤一、当检测装置第一次工作时，从步骤二开始执行，否则，从步骤三开始执行；
步骤二、对所述颗粒物检测装置的第一分析处理单元和第二分析处理单元进行标定；
步骤三、进行正式测量，计算第一分析处理单元和第二分析处理单元所对应的粒径范围内的不同粒径的颗粒物个数及质量浓度；
步骤四、分别提取第一分析处理单元和第二分析处理单元的计算结果中2.5-5μm之间的颗粒物个数及质量浓度，并计算其比值X；
步骤五、记录一段连续时间(如一小时或一天)内X＞设定值A的个数N，其中A可以根据测量的精度进行设定，如A可取0.95-1.05；
步骤六、若N＞设定数值B，则判定光电探测器状态不佳，需要进行维修和更换，数值B可以根据实验进行优选设定，根据连续时间的不同，B可取不同数值，如一小时可取10，一天可取200。
如图7所示，在上述步骤三中进行正式测量时，采用一种信号峰值校正算法，对收集到的颗粒物脉冲信号峰值进行校正，根据校正后的信号峰值进行颗粒物粒径分区及质量浓度的计算，包括以下步骤：
步骤一：当检测装置第一次工作时，先执行步骤二再执行步骤三，否则直接执行步骤三；
步骤二：根据激光光源的高斯光束特性以及照明系统的设计，计算光敏区处不同位置的光强与中心光强的比例系数K并保存；
步骤三：分析处理单元提取颗粒物脉冲信号峰值，并根据概率计算颗粒物通过光敏区时的位置；
步骤四：读取相应的光强与中心光强的比例系数K；
步骤五：通过系数K对分析处理单元的脉冲信号峰值进行校正；
步骤六：将校正后的脉冲信号峰值与通过标定的各个分区的阈值进行比较，并放入对应的分区中，同时对该分区中的脉冲信号峰值个数进行计数；
步骤七：计算单位采样体积内颗粒物的个数以及体积浓度；
步骤八：计算颗粒物的质量浓度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种颗粒物检测装置，其特征在于：包括照明系统、散射光收集系统、气路系统以及分析处理单元；所述照明系统包含激光模组、透镜安装座以及透镜，所述激光模组固定于透镜安装座的外侧，所述透镜安装于透镜安装座的内侧并与所述激光模组对应；所述散射光收集系统包含散射腔、第一光电探测器、第二光电探测器和PCB板，所述透镜安装座固定在所述散射腔的侧部，所述散射腔的下端开口用于安装PCB板并进行腔室的密封，所述PCB板上有用于安装和定位光电探测器的固定板，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别安装于固定板上；所述气路系统包含进气口、出气口、气泵以及过滤器，所述进气口固定于散射腔的上表面，所述出气口固定于PCB板上，所述过滤器与出气口相连，所述气泵通过采样管与过滤器相接。
2.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：所述散射腔为一个圆形或者矩形空腔。
3.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：所述散射腔内壁使用消光漆进行表面处理。
4.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器分别位于光敏区的两侧。
5.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器固定在一块固定板上并位于所述光敏区的同侧。
6.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：第一光电探测器和第二光电探测器的安装位置位于进气口和出气口连线的同一侧。
7.根据权利要求1所述的颗粒物检测装置，其特征在于：所述进气口与采样管相连端为圆形，而与散射腔相连端为方形，且变形处进行倒圆角设计。
8.一种如权利要求1-7任意一项所述颗粒物检测装置的检测方法，其特征在于：该方法中，第一光电探测器对应第一信号检测电路以及第一分析处理单元，检测粒径2.5-100μm颗粒物，所述第二光电探测器对应第二信号检测电路以及第二分析处理单元，检测粒径0.3-5μm颗粒物，其中，第一光电探测器和第二光电探测器在粒径2.5-5μm之间检测范围重合，对彼此的状态进行校验，同一检测装置能够同时检测粒径小于1μm范围的颗粒物和粒径大于10μm小于100μm范围内的颗粒物，状态校验包括以下步骤：
步骤一、当检测装置第一次工作时，从步骤二开始执行，否则，从步骤三开始执行；
步骤二、对所述颗粒物检测装置的第一分析处理单元和第二分析处理单元进行标定；
步骤三、进行正式测量，计算第一分析处理单元和第二分析处理单元所对应的粒径范围内的不同粒径的颗粒物个数及质量浓度；
步骤四、分别提取第一分析处理单元和第二分析处理单元的计算结果中2.5-5μm之间的颗粒物个数及质量浓度，并计算其比值X；
步骤五、记录一段连续时间内X＞设定值A的个数N，其中A可以根据测量的精度进行设定；
步骤六、若N＞设定数值B，则判定光电探测器状态不佳，需要进行维修和更换，数值B可以根据实验进行优选设定。
9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：所述步骤三中，采用一种信号峰值校正算法对收集到的颗粒物脉冲信号峰值进行校正，根据校正后的信号峰值进行颗粒物粒径分区及质量浓度的计算，包括以下步骤：
步骤一：当检测装置第一次工作时，从步骤二开始执行，否则，从步骤三开始执行；
步骤二：根据激光光源的高斯光束特性以及照明系统的设计，计算光敏区处不同位置的光强与中心光强的比例系数K并保存；
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步骤八：计算颗粒物的质量浓度。
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