CN116818623A - 一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及大气污染物检测领域，公开了一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，包括光学腔室、散热风扇、准直镜组、标定镜组、高光谱相机、真空发生器，光学腔室安装在安装底板上，散热风扇设置在光学腔室的右端，真空发生器设置在光学腔室的后侧壁上，高光谱相机设置在光学腔室上方。本发明的优点在于：该颗粒物检测方法的具有相干性强、准直性好、分辨率高、稳定性高、测量精度高、抗污染性好、不受环境影响、不受水汽干扰等优点，不需配置切割器，不需严格控制采样流量即可实现对不同粒径颗粒物浓度的快速检测，被应用于城市颗粒物检测。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染物检测技术领域，特别涉及一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统及检测方法。
背景技术
城市颗粒物通常以固体颗粒和悬浮液体混合的气溶胶形态长时间悬浮于大气环境中。这些城市颗粒物是自然活动、燃料燃烧和人类活动的结果。近年来，越来越多的研究已经关注到颗粒物对人类健康、生态系统和地球化学循环产生的重大影响。目前，我国正面临严峻的大气复合污染问题。空气中含有多种颗粒物，其中包括细小颗粒物如PM10、PM2.5、PM1.0等，这些颗粒物可以通过人体呼吸系统进入人体，对人体健康造成严重危害。随着科技的快速发展，人们对生活质量的要求越来越高，各省市对空气中颗粒物的监测和治理越发重视。许多地方政府要求定期停止土石方工程、限制高污染车辆行驶等。我国对环境空气颗粒物污染治理的政策越来越严格。连续监测城市颗粒物浓度的特点成为当前急需解决的问题。因此，对于城市颗粒物浓度的检测具有重大意义。然而，现有技术中缺乏一种成本更低、通用性更强、稳定性更高、测量精度更高，并且不受环境因素影响的检测方法。
目前，颗粒物浓度检测方法主要包括微振荡天平法、β射线法、称重法和光散射法。微振荡天平法的校准复杂，对温湿度敏感，成本高且维护工作繁琐。β射线法需要使用射线源，维护复杂且昂贵，不适用于大规模应用，同时无法实时获取颗粒物的质量浓度。称重法采样时间较长，精度受环境因素的影响较大，无法实时获取颗粒物的质量浓度。光散射法在使用时校准不方便，不同应用环境需要重新校准，其长期测量稳定性、测量精度和抗污染性有待提高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统及检测方法，无需提供标准物质、无需专业技术人员即可以实现颗粒物检测系统生产制造过程及使用过程自动标定工作，解决颗粒物检测系统标定操作复杂等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，包括光学腔室、散热风扇、准直镜组、标定镜组、高光谱相机、真空发生器，光学腔室安装在安装底板上，光学腔室的左端设置有气幕快插接头，且前侧设置有采样口和准直镜组，散热风扇设置在光学腔室的右端，真空发生器设置在光学腔室的后侧壁上，真空发生器两端分别设置有第一压缩空气快插接口和排气口，高光谱相机设置在光学腔室上方，且通过管道与光学腔室相连接，安装底板上安装有主控PCBA。
作为改进，光学腔室内部从右至左以此设置有激光光源、第二压缩空气快插接口、准直腔室、窗片玻璃、散射腔室、光阱，激光光源设置在恒功率光源PCBA的侧壁上。
作为改进，标定镜组包括磨砂窗片玻璃、镜座、微型气缸，微型气缸底部设置有安装座，且通过安装座固定在安装底板上，镜座设置在微型气缸的后侧，镜座上开设有通孔，通孔内安装有磨砂窗片玻璃，镜座上套设有O型圈，微型气缸右端设置有前快插接头和后快插接头，镜座延伸至光学腔室内部。
一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测方法，包括如下步骤：
标定步骤一：颗粒物检测系统主控板程序烧录，参数设定标定周期、标定时间。
标定步骤二：颗粒物检测系统在正常工作状态下，长期运行，直至到达所设定标定周期，颗粒物检测系统主控程序执行自定标定动作。
标定步骤三：零点标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室，第二路压缩空气开启，标定镜组气缸动作，镜座上的通孔与准直镜组同心位置，检测激光依次经过准直镜组、标定镜组通孔、光学腔室后散射光被高光谱相机捕捉，其他激光进入光阱消光，高光谱相机探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将零点参数自动写入颗粒物检测系统。
标定步骤四：量程标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室，第三路压缩空气开启，标定镜组气缸动作，标定镜组磨砂窗片玻璃与准直镜组同心位置，检测激光依次经过准直镜组、标定镜组磨砂窗片玻璃、光学腔室后被高光谱相机捕捉，其他激光进入光阱消光，光谱仪探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将量程参数自动写入颗粒物检测系统。
标定步骤五：标定工作结束，颗粒物检测系统恢复正常工作状态，真空发生器工作，颗粒物采样工作进行，颗粒物进入光学散射腔室，检测激光依次经过准直镜组、标定镜组镜座通孔、进入散射腔室，照射在颗粒物样气，散射光及颗粒物图像被高光谱相机捕捉，其他激光进入光阱消光，高光谱相机运用成像技术实现对不同粒径颗粒物分辨，运用光谱技术建立散射光强与城市颗粒物浓度之间的关系并拟合二者的函数曲线进而实现城市颗粒物浓度的检测，颗粒物检测系统实时显示颗粒物检测浓度和分辨不同粒径的颗粒物。
标定步骤六：循环步骤二、三、四、五。
作为改进，标定步骤一中的标定时间设定为1min。
本发明与现有技术相比优点在于：该颗粒检测方法利用了高光谱相机和其他组件构成的城市颗粒监测系统，相比传统的颗粒物监测方法，高光谱技术可以提供更丰富、更准确的光谱信息，使得粒径、成分等方面的检测更加详细和精确，光学腔室内部通过一系列组件的设置，如激光光源、散射腔室、光阱等，实现了对颗粒物的准确检测和测量，这些组件相互配合，能够控制光的路径和散射过程，使得测量结果更加可靠和准确，通过标定镜组实现了零点标定和量程标定。通过控制气缸动作和镜座位置，可以调整激光通过准直镜组和标定镜组的路径，从而获得准确的光谱数据，这样在后续的颗粒物检测中，可以根据已建立好的光强与颗粒物浓度之间的关系拟合函数曲线，实现自动写入参数，提高检测的准确性和稳定性，高光谱相机运用成像技术，可以实时对不同粒径的颗粒物进行分辨和检测。同时，结合光谱技术建立散射光强与城市颗粒物浓度之间的关系，并通过拟合函数曲线的方法，将检测到的散射光谱数据转化为颗粒物浓度信息，这样可以实现对城市颗粒物浓度的准确监测，并能够显示不同粒径颗粒物的分布情况。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为本发明的主视剖视结构示意图；
图3为本发明的标定镜组右视结构示意图；
图4为本发明的标定镜组俯视结构示意图；
图5为本发明检测流程图。
如图所示：1、光学腔室；2、散热风扇；3、准直镜组；4、标定镜组；5、高光谱相机；6、真空发生器；7、安装底板；8、气幕快插接头；9、采样口；10、第一压缩空气快插接口；11、排气口；12、主控PCBA；13、激光光源；14、第二压缩空气快插接口；15、准直腔室；16、窗片玻璃；17、散射腔室；18、光阱；19、恒功率光源PCBA；20、磨砂窗片玻璃；21、镜座；22、微型气缸；23、安装座；24、通孔；25、O型圈；26、前快插接头；27、后快插接头。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式，该颗粒物检测方法具有出色的相干性、优秀的准直性、高分辨率、极高的稳定性、卓越的测量精度、良好的抗污染性、不受环境影响且不受水汽干扰等优点。它无需配置切割器，也不需要严格控制采样流量，就能快速检测不同粒径颗粒物的浓度，结合附图1-图4所示，一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，包括光学腔室1、散热风扇2、准直镜组3、标定镜组4、高光谱相机5、真空发生器6，光学腔室1安装在安装底板7上，光学腔室1内部从右至左以此设置有激光光源13、第二压缩空气快插接口14、准直腔室15、窗片玻璃16、散射腔室17、光阱18，激光光源13设置在恒功率光源PCBA19的侧壁上，光学腔室1的左端设置有气幕快插接头8，且前侧设置有采样口9和准直镜组3，散热风扇2设置在光学腔室1的右端，真空发生器6设置在光学腔室1的后侧壁上，真空发生器6两端分别设置有第一压缩空气快插接口10和排气口11，高光谱相机5设置在光学腔室1上方，且通过管道与光学腔室1相连接，标定镜组4包括磨砂窗片玻璃20、镜座21、微型气缸22，微型气缸22底部设置有安装座23，且通过安装座23固定在安装底板7上，镜座21设置在微型气缸22的后侧，镜座21上开设有通孔24，通孔24内安装有磨砂窗片玻璃20，镜座21上套设有O型圈25，微型气缸22右端设置有前快插接头26和后快插接头27，镜座21延伸至光学腔室1内部，安装底板7上安装有主控PCBA12。
结合附图5所示，一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测方法，包括如下步骤：
标定步骤一：颗粒物检测系统主控板程序烧录，参数设定标定周期、标定时间，标定时间设定为1min。
标定步骤二：颗粒物检测系统在正常工作状态下，长期运行，直至到达所设定标定周期，颗粒物检测系统主控程序执行自定标定动作。
标定步骤三：零点标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器6工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室1，第二路压缩空气开启，标定镜组4气缸动作，镜座21上的通孔24与准直镜组3同心位置，检测激光依次经过准直镜组3、标定镜组4通孔24、光学腔室1后散射光被高光谱相机5捕捉，其他激光进入光阱18消光，高光谱相机5探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA12通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将零点参数自动写入颗粒物检测系统。
标定步骤四：量程标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器6工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室1，第三路压缩空气开启，标定镜组4气缸动作，标定镜组4磨砂窗片玻璃20与准直镜组3同心位置，检测激光依次经过准直镜组3、标定镜组4磨砂窗片玻璃20、光学腔室后被高光谱相机5捕捉，其他激光进入光阱18消光。光谱仪探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA12通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将量程参数自动写入颗粒物检测系统。
标定步骤五：标定工作结束，颗粒物检测系统恢复正常工作状态，真空发生器6工作，颗粒物采样工作进行，颗粒物进入散射腔室17，检测激光依次经过准直镜组3、标定镜组4的镜座21上的通孔24、进入散射腔室17，照射在颗粒物样气，散射光及颗粒物图像被高光谱相机5捕捉，其他激光进入光阱18消光，高光谱相机5运用成像技术实现对不同粒径颗粒物分辨，运用光谱技术建立散射光强与城市颗粒物浓度之间的关系并拟合二者的函数曲线进而实现城市颗粒物浓度的检测，颗粒物检测系统实时显示颗粒物检测浓度和分辨不同粒径的颗粒物。
标定步骤六：循环步骤二、三、四、五。
本发明再具体实施时，颗粒物检测系统在正常工作状态下，长期运行，颗粒物检测系统正常工作包括如下步骤：
正常工作步骤一：外部压缩气源经电磁阀组分成6路。第一路接入真空发生器压缩空气接口，驱动真空发生器工作，进行颗粒物采样。第二路接入标定镜组4中微型气缸22的第二压缩空气快插接口14，驱动标定镜组4微型气缸22工作，标定镜组4中微型气缸22动作，镜座21上的通孔24与准直镜组3同心位置，第三路处于关闭状态，与标定镜组4中微型气缸22的第二压缩空气快插接口14，第四路接入准直镜组3气幕快插接头8，形成准直镜组3保护气幕，解决颗粒物污染准直镜组3，第五路接入高光谱相机5镜头气幕快插接头，形成高光谱相机5镜头保护气幕，解决颗粒物污染高光谱相机5镜头，第六路接入采样口气幕快插接头8，形成采样口9保护气幕，解决颗粒物污染散射腔室17。
正常工作步骤二：恒功率光源PCBA19发出检测激光，散热风扇2持续工作对激光光源13散热，标定镜组4中微型气缸22动作，镜座21上的通孔24与准直镜组3同心位置，检测激光依次经过准直镜组3、标定镜组4的通孔24、进入散射腔室17，照射在颗粒物样气，散射光及颗粒物图像被高光谱相机5捕捉，其他激光进入光阱18消光，高光谱相机5运用成像技术实现对不同粒径颗粒物分辨，运用光谱技术建立散射光强与城市颗粒物浓度之间的关系并拟合二者的函数曲线进而实现城市颗粒物浓度的检测，颗粒物检测系统实时显示颗粒物检测浓度和分辨不同粒径的颗粒物。
Claims (5)
1.一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，其特征在于：包括光学腔室(1)、散热风扇(2)、准直镜组(3)、标定镜组(4)、高光谱相机(5)、真空发生器(6)，所述光学腔室(1)安装在安装底板(7)上，所述光学腔室(1)的左端设置有气幕快插接头(8)，且前侧设置有采样口(9)和准直镜组(3)，所述散热风扇(2)设置在光学腔室(1)的右端，所述真空发生器(6)设置在光学腔室(1)的后侧壁上，所述真空发生器(6)两端分别设置有第一压缩空气快插接口(10)和排气口(11)，所述高光谱相机(5)设置在光学腔室(1)上方，且通过管道与光学腔室(1)相连接，所述安装底板(7)上安装有主控PCBA(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，其特征在于：所述光学腔室(1)内部从右至左以此设置有激光光源(13)、第二压缩空气快插接口(14)、准直腔室(15)、窗片玻璃(16)、散射腔室(17)、光阱(18)，所述激光光源(13)设置在恒功率光源PCBA(19)的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测系统，其特征在于：所述标定镜组(4)包括磨砂窗片玻璃(20)、镜座(21)、微型气缸(22)，所述微型气缸(22)底部设置有安装座(23)，且通过安装座(23)固定在安装底板(7)上，所述镜座(21)设置在微型气缸(22)的后侧，所述镜座(21)上开设有通孔(24)，所述通孔(24)内安装有磨砂窗片玻璃(20)，所述镜座(21)上套设有O型圈(25)，所述微型气缸(22)右端设置有前快插接头(26)和后快插接头(27)，所述镜座(21)延伸至光学腔室(1)内部。
4.一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
标定步骤一：颗粒物检测系统主控板程序烧录，参数设定标定周期、标定时间；
标定步骤二：颗粒物检测系统在正常工作状态下，长期运行，直至到达所设定标定周期，颗粒物检测系统主控程序执行自定标定动作；
标定步骤三：零点标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器(6)工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室(1)，第二路压缩空气开启，标定镜组(4)气缸动作，镜座(21)上的通孔(24)与准直镜组(3)同心位置，检测激光依次经过准直镜组(3)、标定镜组(4)通孔(24)、光学腔室(1)后散射光被高光谱相机(5)捕捉，其他激光进入光阱(18)消光；高光谱相机(5)探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA(12)通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将零点参数自动写入颗粒物检测系统；
标定步骤四：量程标定，第一路压缩空气关闭，真空发生器(6)工作停止，颗粒物采样工作停止，不再有颗粒物进入光学腔室(1)，第三路压缩空气开启，标定镜组(4)气缸动作，标定镜组(4)磨砂窗片玻璃(20)与准直镜组(3)同心位置，检测激光依次经过准直镜组(3)、标定镜组(4)磨砂窗片玻璃(20)、光学腔室后被高光谱相机(5)捕捉，其他激光进入光阱(18)消光，光谱仪探测获得检测激光的频谱数据，主控PCBA(12)通过执行已经建立好的光强与城市颗粒物浓度之间的关系拟合来的函数曲线算法，将量程参数自动写入颗粒物检测系统；
标定步骤五：标定工作结束，颗粒物检测系统恢复正常工作状态，真空发生器(6)工作，颗粒物采样工作进行，颗粒物进入散射腔室(17)，检测激光依次经过准直镜组(3)、标定镜组(4)镜座(21)通孔(24)、进入散射腔室(17)，照射在颗粒物样气，散射光及颗粒物图像被高光谱相机(5)捕捉，其他激光进入光阱(18)消光，高光谱相机(5)运用成像技术实现对不同粒径颗粒物分辨，运用光谱技术建立散射光强与城市颗粒物浓度之间的关系并拟合二者的函数曲线进而实现城市颗粒物浓度的检测，颗粒物检测系统实时显示颗粒物检测浓度和分辨不同粒径的颗粒物；
标定步骤六：循环步骤二、三、四、五。
5.根据权利要求4所述的一种基于高光谱技术的城市颗粒物检测方法，其特征在于：标定步骤一中的标定时间设定为1min。
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| CN117637436B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-05-07 | 合肥谱佳医学检验实验室有限公司 | 一种三重四极杆质谱仪及自动控制、显示系统 |
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