CN111398114A - 一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，该装置包括细颗粒浓度检测装置、温湿度检测装置、MCU控制器和LCD显示屏，MCU控制器分别与温湿度检测装置、LCD显示屏电性连接，温湿度检测装置用于采集环境的温度和湿度；细颗粒浓度检测装置包括颗粒物采样腔和光学测量系统，颗粒物采样腔用于采集空气样品，光学测量系统包括对应设置的光源和散射光强度检测仪，散射光强度检测仪用于测定空气样品中细颗粒物散射强度，散射光强度检测仪与MCU控制器电性连接。本发明提供的基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，结构合理、使用方便，并且综合考虑环境条件，测温精度高。

Description

一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法

技术领域

本发明涉及空气颗粒浓度检测技术领域，特别是涉及一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法。

背景技术

随着工业水平的不断提高，工业过程控制中各个环节精度要求不断上升，对颗粒浓度分布参数的精确测量和在线监测环节越来越重视。传统的颗粒浓度分布测量方法很难满足实时在线测量的要求，开发一种简单、高效、实用、高精度的颗粒浓度在线测量系统是工业需求和科研发展的重点课题之一。

颗粒物监测的方法有很多种，市场上比较成熟的测量方法有手工称重法、β射线法、光散射法。手工称重法不能实时在线监测，β射线法虽然可以在线监测，但是射线法的测量方法是测量积分的过程，一次测量结果需要最少半个小时的累计时间，而某些场合的细颗粒浓度变化是一个快变化过程，因此需要在线实时快速监测的场合下，通常使用光散射的原理进行测量。

光散射法是近些年发展较快并受到广泛关注的测量方法，利用光散射原理的方法测量颗粒浓度具有操作简单、测量结果精确、适用范围较广、非接触性测量以及实时在线测量的优点。正因如此，鉴于前述公知技术所有的各类颗粒浓度测量方法相比，光散射法颗粒浓度测量是适应现代测量技术高标准要求的方法。本申请正是基于光散射原理进行的改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，结构合理、使用方便，并且综合考虑环境条件，测温精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置，包括装置主体以及设置在装置主体上的细颗粒浓度检测装置、温湿度检测装置、MCU控制器和LCD显示屏，所述MCU控制器分别与所述温湿度检测装置、LCD显示屏电性连接，所述温湿度检测装置用于采集环境的温度和湿度；所述细颗粒浓度检测装置包括颗粒物采样腔和光学测量系统，所述颗粒物采样腔用于采集空气样品，所述光学测量系统包括对应设置的光源和散射光强度检测仪，所述散射光强度检测仪用于测定空气样品中细颗粒物散射强度，所述散射光强度检测仪与所述MCU控制器电性连接，所述MCU控制器用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度。

可选的，所述细颗粒浓度检测装置还包括空气动力系统，所述空气动力系统包括空气管道以及设置在空气管道出口的气泵，所述空气管道与所述颗粒物采样腔相连通。

可选的，所述光源为激光源，所述激光源和所述散射光强度检测仪分别设置在所述颗粒物采样腔相对的两个侧壁上。

可选的，所述颗粒物采样腔开设有采样窗。

可选的，所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括无线传输装置，所述无线传输装置与所述MCU控制器电性连接，所述MCU控制器通过所述无线传输装置与电子监控终端通信连接。

可选的，所述无线传输装置为串口wifi模块，所述电子监控终端为手机。

可选的，所述串口wifi模块采用ESP8266串口wifi模块。

可选的，所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括电源装置，所述电源装置包括充电电池以及与充电电池电性连接的电源开关和充电口，所述电源装置用于提供电源。

可选的，所述温湿度检测装置为DHT11温湿度模块，LCD显示屏采用12864液晶显示屏，MCU控制器采用Arduno UNO单片机。

本发明还提供了一种基于光散射原理的细颗粒物检测方法，应用于上述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，具体包括：

采用偏最小二乘回归求得细颗粒浓度对温度、湿度的标准回归系数，去除系数较小项，选取温度、湿度作为细颗粒浓度的输入变量，采用下列线性补偿方程，得到温湿度补偿后的颗粒浓度值：

C_PM2.5＝C_PM2.5-1.662Temp′+2.431Humi′+89.49

式中：C′_PM2.5是经过温湿度补偿后的颗粒浓度值，C_PM2.5是细颗粒浓度检测装置测得的颗粒浓度值，Temp′、Humi′是经过补偿后的温度、湿度修正值，修正公式为：

Temp＝-401+001·SO_T

Humi＝-2.0468+0.5872·SO_RH

式中：SO_T、SO_RH是温湿度检测装置测量到的温度、相对湿度的电信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，利用光散射原理测量当前环境的细颗粒浓度，并且可以通过温湿度检测装置检测环境的温度和湿度，结合环境条件的影响分析当前空气中的细颗粒浓度，从而使得测量数据更加具有科学性；同时借助LCD显示屏显示各项采集数据，便于用户使用；此外，设置无线传输装置实现检测数据的在线同步传输，通过无线传播方式实时显示在已连接的电子监控终端中，使用更加方便；因此，本发明具有测温精度高、长期稳定性好等特点，它可以很方便地与其它设备相联接，完全符合有关的国家标准要求，可广泛用于煤矿开采、电厂发电、化工以及加工等行业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例基于光散射原理的细颗粒物检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例基于光散射原理的细颗粒物检测装置的控制原理框图；

附图标记说明：1、电源开关；2、充电电池；3、充电口；4、MCU控制器；5、LCD显示屏；6、无线传输装置；7、采样窗；8、温湿度检测装置；9、光源；10、散射光强度检测仪；11、空气动力系统；12、装置本体；13、颗粒物采样腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，结构合理、使用方便，并且综合考虑环境条件，测温精度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图2所示，本发明提供的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，包括装置主体12以及设置在装置主体12上的细颗粒浓度检测装置、温湿度检测装置8、MCU控制器4和LCD显示屏5，所述MCU控制器4分别与所述温湿度检测装置8、LCD显示屏5电性连接，所述温湿度检测装置8用于采集环境的温度和湿度；所述细颗粒浓度检测装置包括颗粒物采样腔13和光学测量系统，所述颗粒物采样腔13用于采集空气样品，所述光学测量系统包括对应设置的光源9和散射光强度检测仪10，所述散射光强度检测仪10用于测定空气样品中细颗粒物散射强度，所述散射光强度检测仪10与所述MCU控制器4电性连接，所述MCU控制器4用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度。

所述细颗粒浓度检测装置还包括空气动力系统11，所述空气动力系统11包括空气管道以及设置在空气管道出口的气泵，所述空气管道与所述颗粒物采样腔13相连通。

所述光源9为激光源，所述激光源和所述散射光强度检测仪10分别设置在所述颗粒物采样腔13相对的两个侧壁上。

所述颗粒物采样腔13开设有采样窗7。

所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括无线传输装置6，所述无线传输装置6与所述MCU控制器4电性连接，所述MCU控制器4通过所述无线传输装置6与电子监控终端通信连接；可以通过电子监控终端的客户端显示检测数据。

所述无线传输装置6为串口wifi模块，所述电子监控终端为手机。

所述串口wifi模块采用ESP8266串口wifi模块。

所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括电源装置，所述电源装置包括充电电池2以及与充电电池2电性连接的电源开关1和充电口3，所述电源装置用于提供电源。

所述温湿度检测装置8为DHT11温湿度模块，LCD显示屏5采用12864液晶显示屏，MCU控制器4采用Arduno UNO单片机。

使用前先将充电电池2放入充电盒内，当充电电池2电量使用完后可以通过充电口3对电池进行充电。当需要使用该基于光散射原理的细颗粒物检测装置进行测量当前环境颗粒浓度时，先打开电源开关1，此时，空气动力系统11会开始工作，外部环境中的颗粒物会通过采样窗7进入颗粒物采样腔13。光源9发出光线，在颗粒物采样腔13中照射到颗粒上而反射到散射光强度检测仪10上，散射光强度检测仪10将测得的数据有线传输给MCU控制器4。温湿度检测装置8实时检测当前环境的温度与湿度，并将测得的数据有线传输给MCU控制器4，MCU控制器4将散射光强度检测仪10测得的数据和温湿度检测装置8测得的数据进行整合，并计算出最符合当前环境的颗粒浓度，然后通过有线传输给LCD显示屏5进行显示，并同时通过无线传输装置6利用网络传输给外部已经连接的电子监控终端中。

空气动力系统11工作时，通过气泵在空气管道内产生负压使待测颗粒进入颗粒物采样腔13中，然后在在气体动力系统的作用下，待测颗粒在测量装置中均匀分布，其中空气动力系统11在测量装置中产生的均匀流场是实现待测颗粒均匀分布，完成颗粒浓度分布准确测量的基础条件。光源为光散射颗粒分布测量提供入射光波。

基于光散射原理的细颗粒物检测装置主要利用Mie散射的方法对颗粒进行测量。Mie利用反射、折射、衍射的原理去逼近散射模型，其本质是对麦克斯韦方程的精确解，Mie公式中给出了不同尺度、不同折射率粒子的散射特性，能够适用于粒径较大的颗粒等，同时此时的粒子发生光散射时会伴随着Mie散射。对于颗粒的散射光强I_θ分布有：

式中：θ是散射角；I_θ是散射光光强；I₀是入射光光强；d是颗粒物直径；m是折射率；

利用式(1)可以求得空间内含有N个粒子时的散射光光强为：

颗粒物数量N和质量浓度W间的关系有：

进一步得到：

式(4)表示了：当固定入射光光强I₀、波长λ时，颗粒物粒径d及折射率m可以取定值，则可以得到定义：

即：

I_θ＝CW(1+cos²θ) (6)

当λ≤D时，散射光光强会集中在40°～60°的角度内，一般情况下，光电二极管是以特定的角度接收散射光，即θ为定值，这样(1+cos²θ)可看为一个定值系数K，因此光电二极管接收到的一定角度的散射光强为：

I＝KCW (7)

可见散射光的光强和颗粒物质量浓度W呈线性关系。由此，根据Mie散射理论推导出：在保持一定入射光的波长、光强、颗粒物组成时，散射光光强和颗粒物浓度之间呈比例变化。因此颗粒检测装置只需要检测某一固定角度、位置不变的散射光强便可以计算出样本空气中颗粒的浓度。其中本装置中光源是由一个红外发光二极管定向发出，通过检测经过粉尘折射后由光电晶体管所接收去判断粉尘的浓度。其中浓度的测量的公式为：

温湿度检测装置采用可以同时测量温度和湿度的DHT11温湿度模块。通过测量当前环境中的温度与湿度从而对颗粒检测装置测得的数据进行修正。单片机将温度、湿度、和颗粒浓度多重变量间的相互关系，经由多线性回归、典型相关分析发展而来的偏最小二乘回归能够概括自变量，解释因变量，排除噪声干扰，很好的解决了多重自变量间的相互影响的回归建模问题。

本发明还提供了一种基于光散射原理的细颗粒物检测方法，应用于上述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，具体包括：

以气象参数(温度、湿度)为光散射原理的细颗粒物检测装置系统的输入量X，相对应输出的结果为颗粒浓度Y，采用偏最小二乘回归求得Y对X的标准回归系数，去除系数较小项最终选取温度、湿度作为颗粒浓度的输入变量，由此得到线性补偿方程：

C′_PM2.5＝C_PM2.5-1.662Temp′+2.431Humi′+89.49 (9)

式中：C′_PM2.5是经过温湿度补偿后的颗粒浓度值，C_PM2.5是颗粒检测装置所测得颗粒浓度值，Temp′、Humi′是经过补偿后的温度、湿度修正值，修正公式为：

Temp′＝-40.1+0.01·SO_T (10)

Humi′＝-2.0468+0.5872·SO_RH (11)

式中：SO_T、SO_RH是温湿度传感器DHT11测量到的温度、相对湿度的电信号。由于湿度受温度的影响显著，所以需要对湿度值进行温度补偿：

Humi＝(T-25)(0.01+0.00128·SO_RH)+Humi′ (12)

式中：Humi为温度补偿后的湿度值，即最后系统所需要显示、记录的湿度值。

MCU控制器用于采集颗粒检测装置和温湿度检测装置已经测得的数据，并且通过一定的运算，发送到LCD显示屏进行显示，同时发送到已经通过无线连接的电子设备中。

本发明提供的基于光散射原理的细颗粒物检测装置及方法，利用光散射原理测量当前环境的细颗粒浓度，并且可以通过温湿度检测装置检测环境的温度和湿度，结合环境条件的影响分析当前空气中的细颗粒浓度，从而使得测量数据更加具有科学性；同时借助LCD显示屏显示各项采集数据，便于用户使用；此外，设置无线传输装置实现检测数据的在线同步传输，通过无线传播方式实时显示在已连接的电子监控终端中，使用更加方便；因此，本发明具有测温精度高、长期稳定性好等特点，它可以很方便地与其它设备相联接，完全符合有关的国家标准要求，可广泛用于煤矿开采、电厂发电、化工以及加工等行业。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，包括：装置主体以及设置在装置主体上的细颗粒浓度检测装置、温湿度检测装置、MCU控制器和LCD显示屏，所述MCU控制器分别与所述温湿度检测装置、LCD显示屏电性连接，所述温湿度检测装置用于采集环境的温度和湿度；所述细颗粒浓度检测装置包括颗粒物采样腔和光学测量系统，所述颗粒物采样腔用于采集空气样品，所述光学测量系统包括对应设置的光源和散射光强度检测仪，所述散射光强度检测仪用于测定空气样品中细颗粒物散射强度，所述散射光强度检测仪与所述MCU控制器电性连接，所述MCU控制器用于将所述细颗粒物散射强度转换为细颗粒物浓度。

2.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述细颗粒浓度检测装置还包括空气动力系统，所述空气动力系统包括空气管道以及设置在空气管道出口的气泵，所述空气管道与所述颗粒物采样腔相连通。

3.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述光源为激光源，所述激光源和所述散射光强度检测仪分别设置在所述颗粒物采样腔相对的两个侧壁上。

4.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述颗粒物采样腔开设有采样窗。

5.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括无线传输装置，所述无线传输装置与所述MCU控制器电性连接，所述MCU控制器通过所述无线传输装置与电子监控终端通信连接。

6.根据权利要求5所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述无线传输装置为串口wifi模块，所述电子监控终端为手机。

7.根据权利要求6所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述串口wifi模块采用ESP8266串口wifi模块。

8.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述基于光散射原理的细颗粒物检测装置还包括电源装置，所述电源装置包括充电电池以及与充电电池电性连接的电源开关和充电口，所述电源装置用于提供电源。

9.根据权利要求1所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，其特征在于，所述温湿度检测装置为DHT11温湿度模块，LCD显示屏采用12864液晶显示屏，MCU控制器采用ArdunouNO单片机。

10.一种基于光散射原理的细颗粒物检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一所述的基于光散射原理的细颗粒物检测装置，具体包括：

采用偏最小二乘回归求得细颗粒浓度对温度、湿度的标准回归系数，去除系数较小项，选取温度、湿度作为细颗粒浓度的输入变量，采用下列线性补偿方程，得到温湿度补偿后的颗粒浓度值：

C′_PM2.5＝C_PM2.5-1.662Temp′+2.431Humi′+89.49

式中：C′_PM2.5是经过温湿度补偿后的颗粒浓度值，C_PM2.5是细颗粒浓度检测装置测得的颗粒浓度值，Temp′、Humi′是经过补偿后的温度、湿度修正值，修正公式为：

Temp′＝-40.1+0.01·SO_T

Humi′＝-2.0468+0.5872·SO_RH

式中：SO_T、SO_RH是温湿度检测装置测量到的温度、相对湿度的电信号。

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