CN204203099U - 一种雾霾检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及空气质量检测装置。本实用新型针对现有技术中，空气质量指数体系检测既不能代表整个空气污染的严重程度的问题，提供一种雾霾检测装置，光发射模块，用于发出光谱，光谱经过光束变换模块转变成测试平行光；测试平行光经所述分光模块后，一部分分出到光源功率检测模块一，另一部分则分到光源功率检测模块二；光源功率检测模块一及光源功率检测模块二分别与处理模块连接。通过采用测量大气消光系数的方法来测量大气中污染物粒子的浓度，这种测试防范可以涵盖所有污染物粒子，反映了全部的污染物粒子的浓度，测试没有盲区，可以覆盖所有污染的情况；同时根据总污染物颗粒浓度的变化可以确定出污染源的定位。适用于雾霾检测装置。

Description

一种雾霾检测装置

技术领域

本实用新型涉及空气质量检测装置，特别涉及雾霾检测装置。

背景技术

当前我国的空气污染严重，在多个大中城市，出现了严重的雾霾，这对人们的身体健康形成了极大的威胁和危害。

雾霾的产生原因是空气污染，即各种空气污染排放物，这些排放物主要包括SO2，CO，NO2，PM10，PM2.5，Pb等，污染物进入大气中相互作用，并起化学反应生成新的污染物，如光化学反应产生臭氧等。但是空气污染的成分远远不止上述几种，要复杂多样得多。

目前，环保部门采用了国际上通用的空气质量检测体系来检测空气污染程度，分别检测SO2，NO2，O3，CO，PM10，PM2.5的浓度，然后按照各个浓度定义一个相对值，作为空气质量分指数，然后取最大值作为空气质量指数，其计算公式如下：

空气质量分指数：

${\mathrm{IAQ}}_P=\frac{{\mathrm{IAQI}}_{\mathrm{Hi}}-{\mathrm{IAQI}}_{\mathrm{LO}}}{{\mathrm{BP}}_{\mathrm{Hi}}-{\mathrm{BP}}_{\mathrm{LO}}}(C_P-{\mathrm{BP}}_{\mathrm{LO}})+{\mathrm{IAQI}}_{\mathrm{LO}};$

空气质量指数：

AQI＝max{IAQI1,IAQI2,···，IAQI_n}；

指定的检测方法如下：

1、采用紫外荧光/差分吸收光谱法检测SO2和O3；

2、采用差分吸收光谱法/化学发光法检测NO2；

3、采用气体滤波相关红外吸收光谱法/非分散红外吸收法检测CO；

4、采用微量震荡天平法/β射线法检测PM10，PM2.5。

前三项都利用了污染气体的光学吸收特性，测试其特征吸收谱线，来确定污染物的浓度。微量震荡天平法是利用称重原理；β射线法是利用MIE散射原理。

虽然空气质量体系可以很好地提示人们空气质量如何，指导人们合理地安排生产生活，但用空气质量指数体系来检测空气污染有其局限和不足之处：

第一，空气质量指数体系检测的是空气污染的主要来源的浓度，是个分项指标。这样既不能代表整个空气污染的严重程度，也有可能出现遗漏(因地区特点，污染物可能不是检测的这些项目之一，这个方法就无效了)。

第二，空气质量指数体系不适合于定位污染源。空气质量指数体系最适合的是表示当地的这些主要污染物的浓度情况，但当要定位污染源时，需要多个站点配合，使用区域检测的方法来确定污染源的位置，空气质量指数体系就不适合了。如果多站点，每个站点都用空气质量检测体系做的话，每个站点就需要3种以上的仪器，这导致成本大大增加，而且这些仪表还可能不能检测全部污染物的情况，存在检测盲区。

目前，我国已经大量地应用了空气质量检测体系来检测雾霾，但是雾霾依旧，污染源还是难以确定。需要一种能够测试总的空气污染的测试方法，来替代空气质量检测体系，完成污染源的定位问题。

雾霾是由空气污染所致，各种空气污染源排放出污染气体(分子)，颗粒等，这些粒子大小不一，但都对光有散射和吸收作用，造成大气消光系数上升，能见度下降，这就是雾霾现象。当空气湿度较低时，污染物颗粒是以分子和尘粒形式存在，粒径大于或近似于可见光波长，各种颜色的光都会发生散射，但是SO2，NO2等吸收蓝色光子，散射到地面的光中缺少蓝光而偏红或黄，这就是霾；当空气湿度比较大时，SO2，NO2以水合分子形式存在，粒子粒径更大，同样是各种颜色的光都被散射到地面，这时没有了SO2和NO2等对蓝光的吸收，散射到地面的光线包含了所有的光谱成分，因而是白色的，这就是雾。

其次，污染物粒子对可见光有较强的散射作用，并对某些波长的光线有吸收作用。大气污染的散射和吸收特性，就是大气的消光特性，其中：

气体分子(氧气，氮气，SO2)，其尺寸在0.3um以下，散射效率很低(不到0.3)；

细粒子，尺寸从0.3um～8.5um，散射效率先是逐步升高，达到最大值(1.5um处)，然后随着粒径增加，散射效率上下波动。PM2.5的粒子就是在这个区域里；

粗粒子，尺寸在8.5um以上，散射效率波动(2左右)缓慢下降。

而，污染物的光学吸收特性如下表所示：

从吸收特性可以看出，SO2，NO2，O3等分子，在蓝光、紫外光或红外区域存在吸收峰，可以通过测试光学吸收特性来确定其浓度。

具体的，颗粒散射与吸收的消光定律

考虑一介质对入射光进行不相关的单散射，如图2所示，假设介质中单位提价内有N个无规则分布的形状和尺寸均相同的散射颗粒。设散射颗粒的截面积为S，则厚度为dL的介质层中所包含的颗粒数为NSDL。由于受到颗粒的散射和吸收作用，光强为I的光经单元层dL后，单位时间内减少的光能为-SDI，按消光截面的定义可写出：

-SDL＝IC_extNSdL；

则光强为I0的入射光通过总厚度为L的介质层后，投射光的强度I可对上式积分后得：

$I=I_0{e}^{-{\mathrm{NC}}_{\mathrm{ext}}L}=I_0{e}^{-N_0{K}_{\mathrm{ext}}L};$

与达朗伯定律I＝I₀e^-τL比较，即可得出浊度与消光截面C_ext和消光系数τ之间的关系为：

τ＝NC_xet＝NK_extS_p；

不难看出，浊度即是单位体积内颗粒的总消光截面。对直径为d的球形颗粒，浊度为颗粒物的消光截面是C_ext，消光系数τ和颗粒物浓度N的关系是：

τ＝N*C_ext

即对某种颗粒物来说，测得其消光截面，即可确定通过上市，由测定的的消光系数(国外称为浊度)计算出颗粒物浓度：

$N=\frac{\mathrm{\τ}}{C_{\mathrm{ext}}}$

再次，空气污染严重程度和空气污染粒子浓度成正比，空气污染粒子浓度越高，其消光特性就越强。反之，通过测量消光特性，就可以确定空气污染粒子浓度和空气污染总浓度。

因此，利用大气小光特性来确定污染物颗粒浓度是可行且方便有效的，但目前为止，并没有一种有效的仪器，能够使用上述原理对雾霾进行检测。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，就是提供一种雾霾检测装置，以达到只使用一种仪器就可以测定全部污染物颗粒浓度，同时能够定位污染源的效果。

本实用新型解决所述技术问题，采用的技术方案是，一种雾霾检测装置，包括光发射模块、光束变换模块、分光模块、光源功率检测模块一、光源功率检测模块二及处理模块；所述光发射模块，用于发出光谱，光谱经过光束变换模块转变成测试平行光；测试平行光经所述分光模块后，一部分分出到光源功率检测模块一，另一部分则分到光源功率检测模块二；光源功率检测模块一及光源功率检测模块二分别与处理模块连接。

具体的，所述光发射模块至少包括白光LED、紫外LED和/或红外LED。

进一步的，所述雾霾检测装置还包括温度检测装置和/或湿度检测装置；所述温度检测装置和/或湿度检测装置分别与处理模块连接。

进一步的，所述分光模块为分光镜。

进一步的，所述光源功率检测模块一包括透镜一及光探测器一；

所述透镜一，用于将一部分测试平行光进行汇聚后，传送到光探测器一上；

所述光探测器一，用于对接收到的一部分测试平行光进行检测，得出发射光功率，并传输给处理模块。

进一步的，所述光源功率检测模块二包括透镜二及探测器二；

所述透镜二，用于将测试平行光进行汇聚后，传送到光探测器二上；

所述光探测器二，用于对接收到的测试平行光进行检测，得出接收光功率，并传输给处理模块。

进一步的，所述光源功率检测模块二包括分光装置及功率检测单元；

所述分光装置，用于对测试平行光中不同波长段的平行光进行分离，并将每种波长段的平行光分别传输给功率检测单元；

所述功率检测单元，用于检测不同波长段的平行光的功率并传输给处理模块；

所述处理模块，用于根据不同波长段的平行光的功率，确定空气污染的种类；同时，还用于根据不同波长段的平行光的功率计算得出不同波长段的平行光的消光系数，根据不同波长段的平行光的消光系数计算得出各个波长段对应的污染颗粒物浓度，并根据各个波长段对应的污染颗粒物浓度计算得出总污染颗粒物浓度。

进一步的，所述分光装置为三棱镜或光栅。

进一步的，所述功率检测单元至少包括透镜三及光探测器阵列；

所述透镜三，用于将不同波长段的平行光汇聚到光探测器阵列中，不同的光探测器上；

所述光探测器阵列，用于计算出不同波长段平行光的功率，并将其传输给处理模块。

进一步的，所述功率检测单元至少包括透镜四及电荷耦合元件阵列(简称CCD,)；

所述透镜四，用于不同波长段的平行光汇聚到电荷耦合元件阵列中，不同的电荷耦合元件上

所述电荷耦合元件阵列，用于计算出不同波长段平行光的功率，并将其传输给处理模块。

进一步的，所述功率检测单元至少包括透镜五、数字微镜装置(以下简称DMD,DigitalMicromirror Device)、透镜六及光探测器三；

所述透镜五，用于将不同波长段的平行光汇聚到数字微镜装置上；

所述DMD，用于根据用户输入命令对不同波长段的平行光中的一种测试平行光反射出来，经过透镜六汇聚到光探测器三上，光探测器三此时就可以测出该波长的光功率，并将其传输给处理模块。

本实用新型的有益效果是，通过选择适合的光源和接收系统，使用时，在增加相应软件后，可达到测量所有污染物粒子消光系数的需要，测量污染物粒子的消光系数后，可以根据消光系数确定污染物颗粒浓度；这种测试防范可以涵盖所有污染物粒子，反映了全部的污染物粒子的浓度，测试没有盲区，可以覆盖所有污染的情况；同时根据总污染物颗粒浓度的变化可以确定出污染源的定位。

附图说明

图1为本实用新型一种雾霾检测装置实施例1的结构图；

图2为本实用新型一种雾霾检测装置实施例1的浓度等值线；

图3为本实用新型一种雾霾检测装置实施例2的结构图；

图4为本实用新型一种雾霾检测装置实施例2的具体结构图；

图5为本实用新型一种雾霾检测装置实施例3的结构图；

图6为本实用新型一种雾霾检测装置实施例4的结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本实用新型的技术方案：

本实用新型针对现有技术中，空气质量指数体系检测的是空气污染的主要来源的浓度，是个分项指标，这样既不能代表整个空气污染的严重程度，也有可能出现遗漏，且，空气质量指数体系不适合于定位污染源并存在检测盲区的问题，提供一种雾霾检测装置，包括光发射模块、光束变换模块、分光模块、光源功率检测模块一、光源功率检测模块二及处理模块；所述光发射模块至少包括白光LED、紫外LED及红外LED；所述光发射模块，用于发出光谱，光谱经过光束变换模块转变成测试平行光；测试平行光经所述分光模块后，一部分分出到光源功率检测模块一，另一部分则分到光源功率检测模块二；光源功率检测模块一及光源功率检测模块二分别与处理模块连接。通过采用测量大气消光系数的方法来测量大气中污染物粒子的浓度，通过选择适合的光源和接收系统，以适应测量所有污染物粒子消光系数的需要，测量污染物例子的消光系数后可以根据消光系数确定污染物颗粒浓度；这种测试防范可以涵盖所有污染物粒子，反映了全部的污染物粒子的浓度，测试没有盲区，可以覆盖所有污染的情况；同时根据总污染物颗粒浓度的变化可以确定出污染源的定位。

实施例1

本例的雾霾检测装置，如图1所示，包括光发射模块、透镜三、分光镜、透镜一、光探测器一、透镜二、光探测器二、温度传感器、湿度传感器及处理器连接；其中，温度传感器、湿度传感器及处理器图中都未给出。透镜二及光探测器二组成接收机。

光发射模块可以由白光LED、紫外LED和/或红外LED组成，光谱包括可见光和紫外、红外波段，涵盖200～670nm波长范围。

本例的光发射模块为宽谱光源，发出可见光、紫外光及红外光，光束经透镜三进行变换，将光束变换成测试平行光；测试平行光又经分光镜进行分光，将一部分测试平行光发射给透镜一，其余则透射后经过待测大气后传输给透镜二，透镜一将接收到的一部分测试平行光聚焦后传输给光探测器一，光探测器一对接收到的测试平行光进行功率检测，得出这一部分测试平行光的功率，即是光源的发光功率Pt，将其传输给处理器；透镜二对经过待测大气后的测试平行光进行聚焦后传输给光探测器二，光探测器二对其进行检测，得出接收光功率Pr，并将其传输给处理器。

处理器根据得到的发光功率Pt及接收光功率Pr，计算得出待测大气的消光系数，计算公式为：

$\mathrm{\σ}=-\frac{\ln (K\·\frac{P_r}{P_t})}{L}$

其中，σ为待测大气消光系数，L为待测大气的长度，K为表征设备特性的参数，可以通过校准确定。

处理器再根据待测大气消光系数，计算得出污染颗粒物浓度，计算公式如下：

$N=\frac{\mathrm{\σ}}{C_{\mathrm{ext}}};$

其中，N为污染颗粒物浓度，C_ext为颗粒物的消光截面，每种污染颗粒物的消光截面都是一定的，且可测量的。

处理器，还用于根据污染物颗粒浓度的变化情况定位污染源，其中污染源的定位原理如下：

污染源的特性是：大气中污染物产生后，在大气中运动。大气中冷空气下降，热空气上升，并且有风的产生。因此污染物粒子在气温和风的作用下移动，表现为：

1)污染物从污染源开始，向其他方向扩散。扩散方向与风向有关，扩散速度与气温，风速有关。

2)污染物在离开污染源后，逐步沉降到地面；遇到降雨/雪，加快沉降速度

在检测污染物浓度时，总是污染源出浓度最高，离开污染源后，浓度逐步连续下降。这也可称为污染的区域相关原则。反之，检测到一个浓度最大的地方，那么污染源一定就在其附近。这就是污染源定位的原理。

实际定位污染源的方法是：在一个地区安装多个检测设备，每个站点都检测出污染源的浓度，将其传输给处理器，处理器根据各个地区检测设备检测出的污染源的浓度变化，绘制出浓度等值线，如图2所示，然后确认区域内出现浓度极值的地点，即可确认污染源，如图中，有三个极值点，应该有三个不同污染源。其中处理器的处理结果等信息都可以通过显示模块进行显示，方便用户进行查看。

同时，处理器还与温度传感器及湿度传感器连接，温度传感器及湿度传感器分别对待测大气的温度及湿度进行检测，处理器对温度及湿度进行分析后，自动做出对K进行调整，具体调整数据的设置由用户根据测试需求进行人为设定。

实施例2

本例的具体实施方式与实施例1基本相同，具体如图3所示，其区别在于：

本例中的接收机由分光装置及光探测器阵列组成。测试平行光经过待测大气之后，经过分光装置进行分光，具体表现为，将测试平行光分为各个波长段的光束后，各个波长段的光束通过光探测器阵列中不同的光探测器进行检测，得出各个波长段光束的功率P_rn，其中n为1、2、3……。每个光探测器接收到一个波长段的功率，这样就可以得到各个波长段的功率，根据各个波长段的消光系数，可以确定空气污染的种类，每种的浓度，最后将各个浓度求和即可得到总的浓度。

具体的，如图4所示，测试平行光经过待测大气之后，经过光栅进行分光后，各个波长段的光束通过光透镜后投射在探测器阵列中不同的光探测器进行检测，得出各个波长段光束的功率P_rn，其中n为1、2、3……。每个光探测器接收到一个波长段的功率，这样就可以得到各个波长段的功率，根据各个波长段的消光系数，可以确定空气污染的种类，每种的浓度，最后将各个浓度求和即可得到总的浓度。

其中，分光装置也可以由棱镜代替，也可以是其他可以用来分光的装置。

实施例3

本例的具体实施方式与实施例2基本相同，具体如图5所示，其区别在于：

本例中的光接收模块由分光装置、透镜四及CCD组成。CCD：(Charge-coupled Device)电荷耦合元件，由多个检测单元组成阵列(这里用线性阵列即可)

采用CCD线性阵列检测后，不同的CCD位置检测到不同波长的光功率。依照不同波长的光的吸收特性，可以分别计算出各种污染物的颗粒浓度，这些污染物浓度之和就是总的污染物浓度。

其中，分光装置可以是光栅，也可以是棱镜，也可以是其他可以用来分光的装置。

实施例4

本例的具体实施方式与实施例2基本相同，具体如图6所示，其区别在于：

本例中的光接收模块由分光装置、透镜五、DMD及透镜六组成。DMD是一系列微反射镜片组成，每个镜片都可以由软件控制。测试光在光栅反射后被分光，在空间上，不同波长的光经过透镜五后，投射到DMD的不同位置上。

通过软件控制某一区域的镜片偏转(其它区域的镜片不偏转)，即可将该区域对应的波长的测试光反射出来，经过透镜六汇聚到光探测器上，光探测器此时就可以测出该波长的光功率。

通过软件逐步启动各个区域的镜片偏转，就可得到一系列光功率，(按照波长特性)，计算出对应的污染物浓度。最后将各个浓度求和即可得到总的浓度。

实施例5

本例提供一种雾霾检测方法，包括以下几个步骤：

步骤1、系统发出测试光谱，对待测大气进行测试；所述光谱至少包括可见光、紫外光及红外光；

步骤2、系统对测试光谱进行光束变换，所述光束变换至少包括将点光源转变成测试平行光；

步骤3、系统对测试平行光进行功率检测，得出测试平行光功的功率值；

步骤4、系统对经过待测大气后的测试平行光进行功率检测，得出经过待测大气后的测试平行光的功率值；

步骤5、系统根据测试平行光功的功率值及经过待测大气后的测试平行光的功率值计算得出消光系数，并根据消光系数计算得出污染颗粒物浓度，同时根据污染物颗粒浓度的变化情况定位污染源。

进一步的，所述步骤5中，系统根据测试平行光功的功率值及经过待测大气后的测试平行光的功率值计算得出消光系数的计算方式为：

$\mathrm{\σ}=-\frac{\ln (K\·\frac{P_r}{P_t})}{L}$

其中，σ为待测大气消光系数，L为待测大气的长度，K为表征设备特性的参数，可以通过校准确定。

进一步的，所述步骤5中，系统根据消光系数计算得出污染颗粒物浓度的计算方式为：

$N=\frac{\mathrm{\σ}}{C_{\mathrm{ext}}}$

其中，N为污染颗粒物浓度，C_ext为颗粒物的消光截面，每种污染颗粒物的消光截面都是一定的，且可测量的。

进一步的，所述步骤5中，系统根据污染物颗粒浓度的变化情况定位污染源的方法包括：

系统检测一个地区多个站点的污染物颗粒浓度，根据各个站点的污染物颗粒浓度变化，确认区域内出现浓度极值的地点，即可确认污染源。

具体的，雾霾检测方法还包括：

系统检测待测大气的温度系数和/或湿度系数，对根据温度系数和/或湿度系数对消光系数进行修正，并根据修正后的消光系数计算得出污染颗粒物浓度，同时根据污染物颗粒浓度的变化情况定位污染源。

综上所述，本实用新型通过选择适合的光源和接收系统，使用时，在增加相应软件后，可达到测量所有污染物粒子消光系数的需要，测量污染物粒子的消光系数后，可以根据消光系数确定污染物颗粒浓度；这种测试防范可以涵盖所有污染物粒子，反映了全部的污染物粒子的浓度，测试没有盲区，可以覆盖所有污染的情况；同时根据总污染物颗粒浓度的变化可以确定出污染源的定位。

Claims (11)

1.一种雾霾检测装置，其特征在于，包括光发射模块、光束变换模块、分光模块、光源功率检测模块一、光源功率检测模块二及处理模块；所述光发射模块，用于发出光谱，光谱经过光束变换模块转变成测试平行光；测试平行光经所述分光模块后，一部分分出到光源功率检测模块一，另一部分则分到光源功率检测模块二；光源功率检测模块一及光源功率检测模块二分别与处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述光发射模块至少包括白光LED、紫外LED和/或红外LED。

3.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述雾霾检测装置还包括温度检测装置和/或湿度检测装置；所述温度检测装置和/或湿度检测装置分别与处理模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述分光模块为分光镜。

5.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述光源功率检测模块一包括透镜一及光探测器一；

所述透镜一，用于将一部分测试平行光进行汇聚后，传送到光探测器一上；

所述光探测器一，用于对接收到的一部分测试平行光进行检测，得出发射光功率，并传输给处理模块。

6.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述光源功率检测模块二包括透镜二及探测器二；

所述透镜二，用于将测试平行光进行汇聚后，传送到光探测器二上；

所述光探测器二，用于对接收到的测试平行光进行检测，得出接收光功率，并传输给处理模块。

7.根据权利要求1所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述光源功率检测模块二包括分光装置及功率检测单元；

所述分光装置，用于对测试平行光中不同波长段的平行光进行分离，并将每种波长段的平行光分别传输给功率检测单元；

所述功率检测单元，用于检测不同波长段的平行光的功率并传输给处理模块。

8.根据权利要求7所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述分光装置为三棱镜或光栅。

9.根据权利要求7或8所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述功率检测单元至少包括透镜三及光探测器阵列；

所述透镜三，用于将不同波长段的平行光汇聚到光探测器阵列中，不同的光探测器上；

所述光探测器阵列，用于计算出不同波长段平行光的功率，并将其传输给处理模块。

10.根据权利要求7或8所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述功率检测单元至少包括透镜四及电荷耦合元件阵列；

所述透镜四，用于不同波长段的平行光汇聚到电荷耦合元件阵列中，不同的电荷耦合元件上；

所述电荷耦合元件阵列，用于计算出不同波长段平行光的功率，并将其传输给处理模块。

11.根据权利要求7或8所述的一种雾霾检测装置，其特征在于，所述功率检测单元至少包括透镜五、数字微镜装置、透镜六及光探测器三；

所述透镜五，用于将不同波长段的平行光汇聚到数字微镜装置上；

所述数字微镜装置，用于根据用户输入命令对不同波长段的平行光中的一种测试平行光反射出来，经过透镜六汇聚到光探测器三上，光探测器三此时就可以测出该波长的光功率，并将其传输给处理模块。