CN113984601B - 环境粉尘监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境粉尘监测系统，包括：激光器、分光镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一光电传感器、第二光电传感器和数据采集处理器，其中：激光器用于向分光镜发射激光；分光镜将接收的激光分为第一光路激光和第二光路激光，光路激光经过平凸透镜后射入光电传感器；第一光电传感器和第二光电传感器测量得到竖直方向上的散射光强分布，并将测量结果输入所述数据采集处理器；数据采集处理器反演计算粉尘颗粒的第一粒径范围和第二粒径范围，根据粒径范围，确定输出粉尘分布结果。采用上述技术方案，通过双光路激光和反演计算，在克服测量范围狭窄、无法实时监测等问题的同时，避免环境中的干扰，保证监测结果的准确度和稳定性。

Description

环境粉尘监测系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种环境粉尘监测系统。

背景技术

现有技术中，环境粉尘监测的方案主要包括空气动力学粒径检测、化学反应法和激光散射法。其中，激光散射法主要包括MIE散射（米氏散射（Mie scattering））、夫琅禾费衍射和拉曼散射。

空气动力学粒径检测的问题在于，为了确保测量的高可靠性，其测量范围通常在0.5～50um，该测量范围往往不能覆盖粉尘颗粒的粒子等效粒径，限制了其使用的范围，同时，对于该类系统其维护和使用也较为麻烦。

化学反应法检测的问题在于，依赖于待测粉尘与化学试剂的化学反应速率，并且在检测前需要知道待测粉尘的成分才能确定相应的化学反应试剂，因此难以实现粉尘在线实时监测，大大限制了其使用范围。

拉曼散射的问题在于，测量结果依赖于散射光的强度，因此测量结果容易受到其它散射光和背景光的干扰，稳定性和可靠性较差。

发明内容

发明目的：本发明提供一种环境粉尘监测系统，基于激光散射法提出，可以克服测量范围狭窄、无法实时监测等问题，通过双光路激光和反演计算，克服环境中其他散射光和背景光的干扰，保证监测结果的准确度和稳定性。

技术方案： 本发明提供一种环境粉尘监测系统，包括：激光器、分光镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一光电传感器、第二光电传感器和数据采集处理器，其中：所述激光器，用于向所述分光镜发射激光；所述分光镜，将接收的激光分为第一光路激光和第二光路激光，所述第一光路激光经过所述第一平凸透镜后射入所述第一光电传感器，所述第二光路激光经过所述第二平凸透镜后射入第二光电传感器；所述第一光电传感器和所述第二光电传感器，测量得到竖直方向上的散射光强分布，并将测量结果输入所述数据采集处理器；所述数据采集处理器，根据测量结果分别计算得到被测环境的第一粉尘分布结果和第二粉尘分布结果，并且分别反演计算粉尘颗粒的第一粒径范围和第二粒径范围，根据粒径范围，以及第一粒径范围和第二粒径范围之间的比对结果，确定输出粉尘分布结果。

具体的，还包括：扩束镜组、光阑和全反镜，所述激光经过所述扩束镜组和光阑后，射入所述分光镜；所述激光的中心、扩束镜组的中心、光阑的中心和分光镜的中心共线；第二光路激光经过所述全反镜反射后，与第一光路激光平行。

具体的，还包括：两镀膜透镜，分别设置在平凸透镜和光电传感器之间，用于遮挡竖直方向一半的散射光。

具体的，光电传感器计算被测环境的粉尘的空间角度θ的过程包括：θ≈tan（θ）=s/l，其中，s为散射光环距光路激光光轴的距离，l为光电传感器与平凸透镜之间的距离。

具体的，所述数据采集处理器计算被测环境的粉尘的散射光强K（θ，λ，a）的过程包括：

，

其中，I₀为激光强度，λ为激光波长，a为粉尘颗粒的半径，r为粉尘等效半径，即球 心到场点的距离，

为垂直于散射平面方向的散射光强，

为平行于 散射平面方向的散射光强，S₁和S₂为相应的散射系数。

具体的，散射平面方向的散射光强采用如下公式进行计算：

，

，

其中，L为散射条纹个数，a_L、b_L为相应的散射振幅，π_L、τ_L为相应的一阶Legendre系数。

具体的，所述数据采集处理器计算被测环境的粉尘分布结果采用如下公式进行计算：

，

其中，当v取空间角度θ，I（v）为散射光强的角分布，当v取波长λ时，I（v）为散射光强的谱分布，f（a）为粉尘分布结果。

具体的，反演计算粉尘颗粒的粒径范围和比对过程，包括：采用马尔科夫链随机算法，对第一粉尘分布结果和第二粉尘分布结果分别进行反演计算；将第一粒径范围和第二粒径范围进行比对，若偏差在第一阈值之内，则认定通过；建立Jhonson-SB分布函数进行验证，将第一粒径范围和第二粒径范围分别与预先输入的粒径范围进行比对，若偏差均在第二阈值之内，则认定通过。

具体的，还包括不透明隔板，设置于第一光路激光和第二光路激光之间。

具体的，所述激光器为半导体激光器，波长为532nm，最大输出功率为300mw，出射光斑直径为1mm；扩束镜组的波长范围为0.25-7um，扩束倍数为4，最大入射光斑直径为3mm；光电传感器的像素为5000个，像素中心距为7um。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过双光路激光和反演计算，在克服测量范围狭窄、无法实时监测等问题的同时，避免环境中其他散射光和背景光的干扰，保证监测结果的准确度和稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的环境粉尘监测系统的结构示意图；

图2为本发明提供的环境粉尘分布计算的流程示意图；

1-激光器；2-扩束镜组；3-光阑；4-分光镜；5-第一平凸透镜；6-第一镀膜透镜；7-第一光电传感器；8-数据采集处理器；9-全反镜；10-第二平凸透镜；11-隔板；12-第二镀膜透镜；13-第二光电传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明提供的环境粉尘监测系统的结构示意图。

本发明实施例中，提供一种环境粉尘监测系统，包括：激光器1、分光镜4、第一平凸透镜5、第二平凸透镜10、第一光电传感器7、第二光电传感器13和数据采集处理器8，其中：所述激光器1，用于向所述分光镜4发射激光；所述分光镜4，将接收的激光分为第一光路激光和第二光路激光，所述第一光路激光经过所述第一平凸透镜5后射入所述第一光电传感器7，所述第二光路激光经过所述第二平凸透镜10后射入第二光电传感器13；所述第一光电传感器7和所述第二光电传感器13，测量得到竖直方向上的散射光强分布，并将测量结果输入所述数据采集处理器8；所述数据采集处理器8，根据测量结果分别计算得到被测环境的第一粉尘分布结果和第二粉尘分布结果，并且分别反演计算粉尘颗粒的第一粒径范围和第二粒径范围，根据粒径范围，以及第一粒径范围和第二粒径范围之间的比对结果，确定输出粉尘分布结果。

本发明实施例中，还包括：扩束镜组2、光阑3和全反镜9，所述激光经过所述扩束镜组2和光阑3后，射入所述分光镜4；所述激光的中心、扩束镜组2的中心、光阑3的中心和分光镜4的中心共线；第二光路激光经过所述全反镜9反射后，与第一光路激光平行。

本发明实施例中，还包括：两镀膜透镜6/12，分别设置在平凸透镜和光电传感器之间，用于遮挡竖直方向一半的散射光。

本发明实施例中，还包括不透明隔板11，设置于第一光路激光和第二光路激光之间。

本发明实施例中，所述激光器1为半导体激光器1，波长为532nm，最大输出功率为300mw，出射光斑直径为1mm；扩束镜组2的波长范围为0.25-7um，扩束倍数为4，最大入射光斑直径为3mm；光电传感器的像素为5000个，像素中心距为7um。

在具体实施中，激光器1发出1mm光斑直径的线激光，经扩束镜组2扩束后将线激光光斑直径扩大到3mm，并由光阑3滤去激光的边缘杂散光，过滤后的激光经分光镜4将激光分成两束，一束沿着原光轴传播，另一束经全反镜反射后，平行与原光轴传播，两束光路激光经过被测区域后，由于被测区域的粉尘会使两束光路激光分别出现MIE散射，散射光分别经过第一平凸透镜5和第二平凸透镜10的聚焦后，在两平凸透镜的焦点处由第一光电传感器7（线阵CCD-A）和第二光电传感器13（线阵CCD-B）接收，并经过光电转换将散射光的光信号转换成电信号，电信号经数据采集系统采集并处理。

在具体实施中，由于激光光强较强且散射光的分布角较大，所以利用第一镀膜透镜6和第二镀膜透镜12在竖直方向遮去一半的散射光，仅利用光电传感器接收散射光的一半，同时由于散射光是圆周对称分布，所以遮去一半不影响测量结果。通过镀膜透镜的设置，可以将激光光强较高，由此克服环境中的其他散射光和背景光的干扰，并且光电传感器不会发生饱和，避免了散射光的分布角较大的问题。

在具体实施中，通过光电传感器对散射光在竖直方向上散射光环的采集，可以间接得到散射光的分布角，从而利用MIE散射模型中麦克斯韦方程计算得到粉尘分布，间接检测环境中粉尘是否存在和粉尘的球形等效粒径。同时，为了防止该两束散射光存在相互干扰，在该两束散射光中间放置一不透明隔板11。

在具体实施中，激光器1输出功率不可过大或过小，过大时散射光易造成光电传感器饱和，过小时散射光易受环境背景光干扰。为保证检测的可靠性，检测粉尘的等效颗粒粒径应在0.5-500um范围内。

参阅图2，其为本发明提供的环境粉尘分布计算的流程示意图。

在具体实施中，粉尘分布检测的光学模型是：当一束强度为I₀、波长为λ的单色平行光照射半径为a的单个球形颗粒时，颗粒将会产生散射现象。在空间角度θ方向的颗粒所产生的散射光强为K（θ，λ，a），于是可得：

(1)

在式（1）中，当v取角度θ时, I（v）表示散射光强的角分布;当v取波长λ时, I（v）表示散射光强的谱分布，f（a）为粉尘分布结果（球形颗粒的分布）。

在具体实施中，本发明提供的监测系统利用MIE散射计算粉尘分布，是通过间接方式求解式（1）中的f（a）。

在具体实施中，实验测量I（v），利用本发明提供的监测系统可以检测被测环境粉尘的散射光强的角分布，主要是散射光在竖直方向上的角分布。具体方案是，光电传感器上像素单元之间的间距是一定的，结合散射光强在光电传感器上的分布，可以间接得到散射光环距光轴的距离s，且光电传感器距离平凸透镜的水平距离l是一定的，且l远远大于s，则得到：

θ≈tan（θ）=s/l (2)

同理可得另一条光路的散射光强的角分布。

在具体实施中，计算K（θ，λ，a），由于散射光强I（v）是可以测定的，对粉尘颗粒尺寸分布的测量，可以归结于对积分式(1)的求解，即在已知函数I（v）的情况下，计算未知数f（a）的解析表达式，根据MIE散射理论:

(3)

在式（3）中，

与

分别为垂直和平行于散射平面方向的散 射光强，其中

和

为散射系数，由式（4）和式（5）给出：

(4)

(5)

由以上计算得到的散射系数，和实际计算的粒子的散射和消光系数结果进行对比，以确保计算的准确性。

在具体实施中，反演粉尘粒径分布，当得到K（θ，λ，a）后，便可由式(1)计算得到粉尘分布f（a）。然而，在实际求解中发现，其会出现系数矩阵为病态矩阵的情况，不利于实际的求解。因此，本发明提供马尔科夫链的随机算法来反演粒径分布，通过数据采集处理器8建立Jhonson-SB分布函数验证其反演正确性，防止反演误差过大。为了便于反演，系统在实际使用时需输入粉尘粒径尺寸范围，可根据实际测量情况进行设定。

在具体实施中，计算结果对比分析，通过以上数据采集及分析，数据采集处理器8输出计算结果，也即粉尘分布图，通过对分布图的分析可以判断环境中是否有粉尘的存在或分布。

在具体实施中，本发明提供的检测系统利用MIE散射理论，通过系统的双检测点可以在线实时对比分析环境中两个检测点的粉尘分布情况，从而可以减小因仪器元件或采集系统误差而引起的检测误差。同时，采用的MIE散射检测法是利用球形介质在麦克斯韦方程组下的解析解来得到该介质的粒径分布，从而间接得到粉尘的分布情况，其测量结果主要是基于散射光的光强分布而不取决于散射光强，可以提高系统的可靠性和动态响应。

在具体实施中，本发明提供的监测系统利用MIE散射理论和马尔可夫链反演算法，提高了系统的计算速度，从而实现了系统的在线实时检测，提高了系统的动态响应速度，扩大了其使用范围，满足了对环境环境监测要求较高的应用。

在具体实施中，本发明提供的监测系统利用两束光路激光进行在线检测，主要目的是避免因为系统硬件故障而带来的误判，减少系统误差。同时，利用两点检测在粉尘分布的数值求解中可以有利于相互校核，增加系统可靠性。

Claims (10)

1.一种环境粉尘监测系统，其特征在于，包括：激光器、分光镜、第一平凸透镜、第二平凸透镜、第一光电传感器、第二光电传感器和数据采集处理器，其中：

所述激光器，用于向所述分光镜发射激光；

所述分光镜，将接收的激光分为第一光路激光和第二光路激光，所述第一光路激光经过所述第一平凸透镜后射入所述第一光电传感器，所述第二光路激光经过所述第二平凸透镜后射入第二光电传感器；

所述第一光电传感器和所述第二光电传感器，测量得到竖直方向上的散射光强分布，并将测量结果输入所述数据采集处理器；

所述数据采集处理器，根据测量结果分别计算得到被测环境的第一粉尘分布结果和第二粉尘分布结果，并且分别反演计算粉尘颗粒的第一粒径范围和第二粒径范围；

将第一粒径范围和第二粒径范围进行比对，若偏差在第一阈值之内，则认定通过，将第一粒径范围和第二粒径范围分别与预先输入的粒径范围进行比对，若偏差均在第二阈值之内，则认定通过，确定输出粉尘分布结果。

2.根据权利要求1所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，还包括：扩束镜组、光阑和全反镜，所述激光经过所述扩束镜组和光阑后，射入所述分光镜；所述激光的中心、扩束镜组的中心、光阑的中心和分光镜的中心共线；第二光路激光经过所述全反镜反射后，与第一光路激光平行。

3.根据权利要求2所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，还包括：两镀膜透镜，分别设置在平凸透镜和光电传感器之间，用于遮挡竖直方向一半的散射光。

4.根据权利要求3所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，光电传感器计算被测环境的粉尘的空间角度θ的过程包括：

θ≈tan（θ）=s/l，

其中，s为散射光环距光路激光光轴的距离，l为光电传感器与平凸透镜之间的距离。

5.根据权利要求4所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，所述数据采集处理器计算被测环境的粉尘的散射光强K（θ，λ，a）的过程包括：

，

其中，I₀为激光强度，λ为激光波长，a为粉尘颗粒的半径，r为粉尘等效半径，即球心到场 点的距离，

为垂直于散射平面方向的散射光强，

为平行于散射平 面方向的散射光强，S₁和S₂为相应的散射系数。

6.根据权利要求5所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，散射平面方向的散射光强采用如下公式进行计算：

，

，

其中，L为散射条纹个数，a_L、b_L为相应的散射振幅，π_L、τ_L为相应的一阶Legendre系数。

7.根据权利要求6所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，所述数据采集处理器计算被测环境的粉尘分布结果采用如下公式进行计算：

，

其中，当v取空间角度θ，I（v）为散射光强的角分布，当v取波长λ时，I（v）为散射光强的谱分布，f（a）为粉尘分布结果。

8.根据权利要求7所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，反演计算粉尘颗粒的粒径范围和比对过程，包括：

采用马尔科夫链随机算法，对第一粉尘分布结果和第二粉尘分布结果分别进行反演计算；

将第一粒径范围和第二粒径范围进行比对，若偏差在第一阈值之内，则认定通过；

建立Jhonson-SB分布函数进行验证，将第一粒径范围和第二粒径范围分别与预先输入的粒径范围进行比对，若偏差均在第二阈值之内，则认定通过。

9.根据权利要求8所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，还包括不透明隔板，设置于第一光路激光和第二光路激光之间。

10.根据权利要求9所述的环境粉尘监测系统，其特征在于，所述激光器为半导体激光器，波长为532nm，最大输出功率为300mw，出射光斑直径为1mm；扩束镜组的波长范围为0.25-7um，扩束倍数为4，最大入射光斑直径为3mm；光电传感器的像素为5000个，像素中心距为7um。

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