WO2022105257A1

WO2022105257A1 - 一种尾气监测设备

Info

Publication number: WO2022105257A1
Application number: PCT/CN2021/105315
Authority: WO
Inventors: 赵栋; 钱枫; 曹红枫; 宋同健; 孙祥; 姜宝龙; 崔桐林; 祁佳琳; 刘涛; 石磊; 杨栋; 张步; 喻远艺; 张豪; 解洪兴; 何新
Original assignee: 山东鸣川汽车集团有限公司
Priority date: 2020-11-21
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2022-05-27
Also published as: WO2022105258A1; WO2022105256A1

Abstract

一种尾气监测设备(50)，包括光束发射端(200)、光束接收端(300)，所述光束发射端(200)可操作以建立发射光路，所述光束接收端(300)被构造以接收来自所述发射光路中的监测区域的散射光线，从而形成接收光路。通过将监测仪器设置在排气管之外，主要监测器件不与高温、高污的尾气接触的方式，可以有效减少高温、高污染对于监测仪器造成的影响，实现对机动车尾气颗粒物浓度的实时监测。

Description

一种尾气监测设备

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及气体/流体监测的技术领域。

背景技术

近年来，中国经济的迅猛发展在推动社会进步和人民生活水平提高的同时，也造成许多诸如雾霾、光化学烟雾等复合型大气污染的生态环境问题，蓄电池储能严重影响到城市及区域的大气环境及公共健康。而造成大气污染，导致空气质量下降的主要贡献因素之一就是机动车污染物的排放。随着中国汽车保有量逐年增加，机动车污染物对空气质量造成巨大压力。

因此，作为中国区域复合型大气污染的重要贡献源，机动车尾气在线实时高时空分辨率的监测，并将数据实时在线上传评估显得十分重要，可以有效帮助管理部门了解各排放源的实时排放以及超达标状况，可以为环境污染防治提供有效的技术支撑和数据基础。随着国内环境管理工作的精细化发展，环保部门对机动车污染数据的实时掌握的需求也在逐年上升。尤其是针对机动车尾气排放的监测需求很强，但事实上目前没有可靠且低成本的技术可以满足这方面的需求，如小型化、耐高温和高污染环境、高精度等特性。

目前，在市面上存在多种对机动车尾气的监测方法与监测设备，主要包括如机动车尾气遥测技术、电阻式尾气颗粒物传感器、便携式排放测试系统(PEMS)。上述相关技术与产品存在很多如下未解决的问题：机动车尾气遥测技术的尾气遥测设备通常需要设置在道路两旁，对来往车辆的瞬时排放尾气进行遥测，造价高昂(平均售价在50万元左右)，无法实现车载且不能针对每辆车的排放数据进行精确测量；电阻式颗粒物传感器技术，通常以博世公司生产的电阻式颗粒物传感器为代表，该类传感器的功能原理基于对电阻测量，当烟尘颗粒沉积在电极结构上并形成导电的烟尘痕迹，通过测量电极的电阻的变化来得出颗粒物的浓度，由于该类传感器的原理是测量颗粒物一段时间沉积量的电阻，因此该类传感器的测量原理无法实现颗粒物浓度的精确测量；便携式排放测试系统(PEMS)是通过与汽车尾气管道相连的探针采集污染物的浓度，并结合车辆的行驶参数进行测量的试验测量工具，该系统体积较大，成本也比较高，大都在少量车辆(如新车型的环保测试)的应用场景下使用，无法满足监管部门对车载传感器小型化、低成本、大规模使用的需求。

现有技术中，还有一种手持式机动车尾气测量装置，即使用导管将汽车尾气从排气管内抽出，抽出的尾气被导入外置的分析装置中，外置分析装置通过测量尾气的不透光度，从而对尾气进行监测。外置的分析装置配有风扇、光电传感设备等。这种抽气式并采用外置分析装置是尾气测量装置，由于尾气被抽出后，温度会降低，随着温度的降低湿度会发生变化，颗粒物也会发生聚合的现象，因此这种外置分析装置的尾气监测设备还有测量不准确的问题，同时由于抽气部件的存在，设备体积较大、成本较高，不能实现实时监测。风扇等运动部件的寿命较短，影响监测设备的整体寿命。

因此，目前现有的机动车尾气排放的污染监控和监管手段中，难以实现车载化的可靠、低成本且高精度的尾气监测。

发明内容

目前，由于现有技术使用的测量基本原理、设备的安装方式，以及设备小型化的现状，使得现有的机动车尾气监测技术存在着监测步骤繁杂、成本高、无法在实现小型化的同时实现在高温高污环境下的实时精确监测的问题。

现有技术中小型化的尾气监测设备，主要是利用抽气的方式，将目标监测气体抽取至监测设备内，还会应用配气降温、配气稀释等手段解决高温高浓度的难题，再通过光学的方法(如散射、吸收等)对被抽取气体中的污染物浓度进行测定。为了实现抽取、稀释等功能，监测设备还需要配置风扇、监测腔等部件和结构。此外，这种抽取式的尾气监测设备，由于温度降低会造成气态有机组分凝结导致新生成颗粒物、湿度变化等现象，从而造成测量不准确的问题。同时由于风扇、监测腔等部件的存在，设备体积较大不易小型化。此外，风扇等运动部件的寿命较短，影响监测设备的整体寿命。

在为解决上述的技术问题而进行的试验和研究的过程中，发明人发现可以通过应用创新的技术方案，不从腔体中抽取气体，直接利用腔体作为监测腔，在监测腔内部形成监测区域的方法，实现对目标监测流体污染物的监测，可大幅减少系统的复杂性，有利于设备的小型化。应用该技术构思以及相关的技术方案还可以实现将监测仪器设置在排气管之外，主要监测器件不与高温、高污的尾气接触的方式，可以有效减少高温、高污染对于监测仪器造成的影响。

本发明所涉及的一些实施例中，提供了一种尾气监测设备，主要包括光束发射端和光束接收端。光束发射端向颗粒物发射光束，发射端所发射的光可以是红外线、可见光以及紫外线等光线，光束发射端可以是激光发生器、LED等发光装置；光束接收端是用于将颗粒物散射的光转化为电信号的装置，可以是如光电二极管(PD)的光电转换元件。光束照射颗粒物后，会发生散射现象，光束接收端将接收到的光信号转换为电信号后，经过对电信号的计算，即可反馈出颗粒物的浓度。当具有一定波长的光照射到颗粒物时会产生透射和散射，当入射光波长相近或者大于颗粒物的粒径尺寸时主要发生光散射作用，散射光的大小和方向与颗粒物的浓度遵循一定的对应规律。通过测量入射光强度与散射光强度的大小及散射光的方向，可以计算出颗粒物的浓度及粒径范围。发明人还发现，利用散射原理，可以将监测仪器设置在排气管之外，远离排气管高温和高污染的区域，同时实现对机动车尾气颗粒物浓度的实时监测。

另一方面，本发明一些实施例提供了一种优选的技术方案，即应用米氏散射原理。根据该原理，当粒子尺度接近或大于入射光波长，或者当颗粒物的尺寸与入射光的波长处在同一量级时，将产生米氏散射效应。米氏散射的散射强度与波长的二次方成反比。当光源及观测方向确定后，可以通过检测监测区域的光强即可计算出监测区域的颗粒物浓度。接收端都可以接收到颗粒物发出的散射光，从而实现对颗粒物的监测。散射光的方向如果与原有光束方向相同，可以称之为前向散射；如果散射光的方向与原有光束方向相反，可以称之为后向散射，即接收相对于入射光入射方向的散射角在例如90°-270°范围内散射光，籍此进行颗粒物的测量。在实现本发明的一个实施例中，发明人发现由于设备小型化的需求，利用后散射光的原理，可以更方便将光束接收端与光束发射端集成封装在一起，有效的减少设备体积，从而更适合机动车的相关应用场景，便于大规模标准化的生产。

本发明所涉及的一个技术方案的特点在于，主要监测器件不与高温高污的尾气接触，不进入需要监测的腔室、不需要对监测气体进行采样的特点。因此可以对高污染、高温的尾气或者烟气进行监测。如监测机动车、非道路工程机械、机动船的尾气；还可以对锅炉、管道烟气、餐饮油烟的排气的颗粒物浓度监测。

实施例1.一种尾气监测设备，包括光束发射端、光束接收端，其特征在于，所述光束发射端可操作以建立发射光路，所述光束接收端被构造以接收来自所述发射光路中的监测区域的散射光线，从而形成接收光路。

2.根据实施例1所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端、所述光束接收端集中地/分布地设置于一腔体上，从该腔体的外部朝向所述腔体内部，所述光束接收端被构造为接收来自所述监测区域的后向/侧向散射光线。

3.根据实施例1-2所述的尾气监测设备，其中，所述接收光路与所述发射光路之间夹角为[6° -20°]、[9° -12°]、15°邻域(例如±2°)、90°邻域三者之中任一值。

4.根据实施例1-3所述的尾气监测设备，其中，靠近所述底座前端的发射孔/接收孔的所述监测区域的第一端，相对于：i)所述底座前端的发射孔、ii)所述底座前端的接收孔，iii)所述光束接收端所对应的所述腔体内壁，iiii)所述腔体内颗粒物流体边界四者中任一者的间距，不超过[0.5mm-5mm]中任意数值；或者所述发射光路上从所述底座前端的发射孔到所述监测区域的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值；或者所述接收光路上从所述监测区域到所述底座前端的接收孔的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值。

5.根据实施例1-4所述的尾气监测设备，其中，a)所述监测区域中最接近所述基座上的接收孔的第一端与b)所述监测区域中最远离所述基座上的接收孔的第二端，之间的间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为[3cm,4/5管径(腔体直径)]中任一数值。

6.根据实施例1-5所述的尾气监测设备，其中，所述第一端与所述第二端之间间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为：所述腔体管径的0.1-0.9倍、0.2-0.8倍、0.3-0.7倍、0.4倍或者5cm-7cm。

7.根据实施例1-6中任一项所述的尾气监测设备，其中，所述腔体为排气装置(包括烟囱、汽车排气管，机动车或机动船尾气排放管)；所述光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一基座安装于所述排气装置的壁上，所述光光束接收端还包括第一透镜组，所述光束发射端还包括第二透镜组，该第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴基本垂直于所述排气管的壁。可选地，两个透镜组的光轴之间的夹角，即接收光路和发射光路之间夹角。

8.根据实施例1-7所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端还包括激光发生器或者LED光源，所述激光发生器可操作以经由所述第二透镜组向所述监测区域发射光线；所述光信号转换器被配置为经由所述第一透镜组接收来自所述监测区域的散射光线。

9.根据实施例1-8所述的尾气监测设备，其中，还包括第一光纤、与所述第二透镜组光学耦合的第二光纤；所述底座的前端开设有朝向所述腔体内的发射孔和接收孔，所述第二透镜组为光学准直透镜和/或菲尼尔透镜；所述光束发射端通过所述第二透镜组和/或所述第二光纤对准所述发射孔；所述第一透镜组、第一光纤、光束接收端沿所述接收光路方向依次光学耦合。

10.根据实施例1-9所述的尾气监测设备，其中，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。

11.如实施例1-10中任一项所述的尾气监测设备，其特征在于，所述基座连接于所述排气管管壁，并开设有接收孔朝向所述排气管内部，以允许所述腔体内散射的光线通过所述接收孔入射所述第一透镜组，并经由所述第一光纤，所述接收孔的面积为0.5mm ²-20mm ²。

12.如实施例1-11所述的尾气监测设备，其特征在于，所述的接收孔的形状为圆形、椭圆或正多边形、狭长形、扁平跑道形、类凸透镜截面形，所述的接收孔的面积为2-4平方毫米；所述椭圆、跑道圆、矩形的长宽比为1.5:1-2:1，优选比例为1.6:1。

13.如实施例1-12所述的尾气监测设备，其特征在于，所述接收孔为狭长形，矩形，圆角矩形，其最大维度为2.2毫米，最小维度为1毫米，所述接收孔与所述第二透镜组的距离是3厘米/所述接收孔后空腔长度是3厘米。

14.如实施例1-13所述的尾气监测设备，其特征在于，来自所述监测区域内的散射光通过所述接收孔入射所述第二透镜组。

15.如实施例1-14所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束接收端或光束发射端，与机动车排气管壁的距离是2-5厘米。

16.如实施例1-15所述的尾气监测设备，其特征在于，所述激光发生器，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤、光学耦合至所述第二透镜组。

17.如实施例1-16所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束接收端采用两组透镜放大，单组的放大倍数是64倍。

18.一种汽车，装配了如实施例1-17中任一项的尾气监测设备。

实施例2.根据实施例1所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束发射端、所述光束接收端集中地/分布地设置于一腔体上，从该腔体的外部朝向所述腔体内部，所述光束接收端被构造为接收来自所述监测区域的后向/侧向散射光线。

实施例3.根据实施例1-2所述的尾气监测设备，其特征在于，所述接收光路与所述发射光路之间夹角为[6° -20°]、[9° -12°]、15°邻域、90°邻域三者之中任一值。

实施例4.根据实施例1-3所述的尾气监测设备，其特征在于，所述尾气监测设备还包括底座，靠近所述底座前端的发射孔/接收孔的所述监测区域的第一端，相对于：i)所述底座前端的发射孔、ii)所述底座前端的接收孔，iii)所述光束接收端所对应的所述腔体内壁，iiii)所述腔体内颗粒物流体边界四者中任一者的间距，不超过[0.5mm-5mm]中任意数值；或者所述发射光路上从所述底座前端的发射孔到所述监测区域的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值；或者所述接收光路上从所述监测区域到所述底座前端的接收孔的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值。

实施例5.根据实施例1-4所述的尾气监测设备，其特征在于，a)所述监测区域中最接近所述底座上的接收孔的第一端与b)所述监测区域中最远离所述底座上的接收孔的第二端，之间的间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为[3cm,4/5管径(腔体直径)]中任一数值。

实施例6.根据实施例1-5所述的尾气监测设备，其特征在于，所述第一端与所述第二端之间间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为：所述腔体管径的0.1-0.9倍、0.2-0.8倍、0.3-0.7倍、0.4倍或者5cm-7cm。

实施例7.根据实施例1-6中任一项所述的尾气监测设备，其特征在于，所述腔体为排气装置；所述光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一基座安装于所述排气装置的壁上，所述光束接收端还包括第一透镜组，所述光束发射端还包括第二透镜组，该第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴基本垂直于所述排气管的壁。

实施例8.根据实施例1-7所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束发射端还包括激光发生器或者LED光源，所述激光发生器可操作以经由所述第二透镜组向所述监测区域发射光线；所述光束接收端被配置为经由所述第一透镜组接收来自所述监测区域的散射光线。

实施例9.根据实施例1-8所述的尾气监测设备，其特征在于，还包括第一光纤、与所述第二透镜组光学耦合的第二光纤；所述底座前端开设的所述发射孔和接收孔连通/朝向所述腔体内，所述第二透镜组为光学准直透镜和/或菲尼尔透镜；所述光束发射端通过所述第二透镜组和/或所述第二光纤对准所述发射孔；所述第一透镜组、第一光纤、光束接收端沿所述接收光路的方向依次光学耦合。

实施例10.根据实施例1-9所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束发射端发射的激光波长为400-600nm。

实施例11.根据实施例1-10所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束发射端的发射功率为30-50mw。

实施例12.根据实施例1-11所述的尾气监测设备，其特征在于，还包括加热烧蚀装置，可操作以加热所述底座、光束发射孔、光束接收孔以去除积累的灰尘。

实施例13.根据实施例1-12所述的尾气监测设备，其特征在于，所述加热烧蚀装置为陶瓷加热环或电阻式加热环。

实施例14.根据实施例1-13所述的尾气监测设备，其特征在于，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。

实施例15.根据实施例1-14中任一项所述的尾气监测设备，其特征在于，所述基座连接于所述排气管管壁，并开设有接收孔朝向所述排气管内部，以允许所述腔体内散射的光线通过所述接收孔入射所述第一透镜组，并经由所述第一光纤，所述接收孔的面积为0.5mm ²-20mm ²。

实施例16.根据实施例1-15所述的尾气监测设备，其特征在于，所述的接收孔的形状为圆形、椭圆或正多边形、狭长形、扁平跑道形、类凸透镜截面形，所述的接收孔的面积为2-4平方毫米；所述椭圆、跑道圆、矩形的长宽比为1.5:1-2:1，优选比例为1.6:1。

实施例17.根据实施例1-16所述的尾气监测设备，其特征在于，所述接收孔为狭长形，矩形，圆角矩形，其最大维度为2.2毫米，最小维度为1毫米，所述接收孔与所述第二透镜组的距离是3厘米/所述接收孔后空腔长度是3厘米。

实施例18.根据实施例1-17所述的尾气监测设备，其特征在于，来自所述监测区域内的散射光通过所述接收孔入射所述第二透镜组。

实施例19.根据实施例1-18所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束接收端或所述光束发射端，与机动车排气管壁的距离是2-5厘米。

实施例20.根据实施例1-19所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束发射端，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤、光学耦合至所述第二透镜组。

实施例21.根据实施例1-20所述的尾气监测设备，其特征在于，所述光束接收端采用两组透镜放大，单组的放大倍数是64倍。

实施例22.一种汽车，装配了根据实施例1-21中任一项的尾气监测设备。

在另外一些实施例中，通过合理地设置光发射端与光接收端的方位，调整发射光路和接收光路的交叠区，使得该a)交叠区与b)光发射端和/或光接收端(例如光束发射端的发射孔)之间距离尽量小，从而在这a)b)两者之间的颗粒物数量尽量少，进而降低了a)b)两者之间可能存在的颗粒物对1)由光束发射端射向上述光路交叠区的光线的影响，或者对2)来自上述光路交叠区的后向散射、侧向散射光线的干扰/影响，因而，提升了通过后向散射方式对排气管等腔体内颗粒物、污染物的监测效果。

附图说明

图1是环境监测方法基础原理示意图

图2是改进的原理示意图

图3是前散射、后散射示意图，角度/米氏散射原理图

图4是颗粒物粒径均匀情况下区域和直径的关系示意图

图5是颗粒物粒径不均匀情况下区域和直径的关系示意图

图6是颗粒物粒径不均匀情况下区域和直径的关系示意图

图7是监测区域和腔体壁的关系示意图

图8是90°实施例示意图示意图

图9是监测区域示意图示意图

图10是带有GPS定位模块的监测设备示意图

图11是可以连接OBD的监测设备示意图

图12是具备SIM卡槽通讯模块的监测设备示意图

图13是环境监测设备结构示意图

图14是环境监测设备结构示意图

图15是具有加热装置环境监测设备结构示意图

图16是具有气幕保护装置环境监测设备结构示意图

图17是数据平台示意图

图18是水平排气管上的安装角度

图19是水平排气管上的安装方向

图20是水平排气管上的安装位置

图21是垂直排气管上的安装位置

图22是具有导流结构的监测区域设定的示意图

图23是波长相同的双发射端的监测区域示意图

图24是波长不同的双发射端的监测区域示意图

图25是导流结构与其引导的流体流动区域边缘示意图

图26是流线型导流结构与其引导的流体流动区域边缘的示意图

图27是浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图

图28是有导流结构的浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图

图29是有导流结构的双侧浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图

图30是腔体中浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图

图31是监测设备倾斜安装示意图

图32是监测区域靠近接收端的一端置于流体流动区域边缘并距目标监测物质浓度降低区域10mm的示意图及局部放大图

图33是监测区域靠近接收端的一端置于流体流动区域边缘并距目标监测物质浓度降低区域10mm的示意图

图中：50-尾气监测设备；100-底座；110-销钉；120-金属薄壳；130-隔温组件；140-气流导流结构；141-不稳定气流；151-气幕气孔；152-气幕气管；160-加热烧蚀装置；200-光束发射端；210-光纤；230-发射光通路；240-发射孔；250-发射光；300-光束接收端；310-接收孔；320-接收光；330-透镜；340-接收光通路；400-腔体；410-腔体壁；420-均匀烟气；430-不均匀烟气；500-目标监测流体；600-主控模块；610-定位模块；620-OBD模块；630-通讯模块；710-数据平台；720-环境监测系统；730-用户终端；810-气流导引装置。

具体实施方式

在下面的详细描述中陈述了许多具体细节，以便提供对各种所描述的实施方案的充分理解。但是，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，各种所描述的实施方案可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他情况下，没有详细地描述众所周知的方法、过程、部件，从而不会不必要地使实施方案的各个方面晦涩难懂。

术语解释

光束发射端：光束发射端是光源，其发射的光可用于照射目标监测流体。

光束接收端：光束接收端是接收目标监测流体散射光的装置，其可以将散射光转换为电信号。

目标监测流体：目标监测流体是含有目标监测物质的流体，目标监测物质包括颗粒、颗粒物、气体等物质，气体物质可以SO ₂、NO _X等。

腔体：密闭或半密闭的结构，内部可以容纳目标监测流体，可以为一端/两端有开口的管状结构，也可以是多端有开口的管状结构，例如汽车尾气排气管、中央空调的管道系统等。

监测区域远端：监测区域中与“传感器安装一侧的腔体内壁”相距最远的点或线或面。

传感器监测距离：传感器远端垂直截面至接收光路与腔体内壁相交截面的距离。

观测区域：观测区域是接收孔可以观察到的目标监测流体的范围。

监测区域：监测区域是观测区域内，照射目标监测流体的光束与观测区域重叠的区域。

光路夹角：光路夹角是发射光通路与接收光通路的夹角。

浓度临界层：目标监测物质在目标检测流体中浓度变化率最大的界面是浓度临界层。

零界区域：目标监测流体流动时，在流体的边缘形成的目标监测物质浓度趋近于零的区域。

零界效应：在零界区域，目标监测物质的浓度趋近于零，该区域内的目标监测物质对散射的干扰趋近于零的现象。

整体方案

在本发明所涉及的一个实施例中，尾气监测设备包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，在尾气监测设备50工作过程中，底座100内部形成发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。

光束发射端200发出的光依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束照射到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。发射光通路230是光束发射端200发出的光照射入腔体400之前经过的空腔，发射光路是光线照射入腔体所经过的路径。接收光通路340是散射光照射至光束接收端300之前经过的空腔，接收光路是散射光传入光束接收端所经过的路径。

本技术方案中，尾气监测设备50不从腔体中抽取气体，直接利用腔体作为监测腔，在监测腔内部形成监测区域的方法，实现对目标监测流体500污染物的监测。

可选地，应用该方法还可以实现将尾气监测设备50设置在排气管之外，主要监测器件不与高温、高污的尾气接触的方式，可以有效减少高温、高污染对于监测仪器造成的影响。

可选地，光束发射端200前部还可以连接光纤210，光束发射端200发出的光线通过光纤210传导进入发射光通路230，并通过发射孔240照射进腔体400内。由于光纤210的存在，使得光束发射端200可以在空间上远离排气管的外壁，这样可以减少机动车尾气产生的高温对光束发射端 200的影响。

可选地，光束发射端200前部还可以连接相关的光学装置。例如，光束发射端200前部还可以连接光学准直器，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内。此外，光束发射端200前部还可以依次连接光学准直器、光纤210，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，再通过光纤210传导建立发射光通路230，并通过发射孔240照射进腔体400内。

可选地，光束接收端300前部设置有光学装置，如透镜330或透镜组，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，并经过透镜组汇聚，照射至光束接收端300上。光束接收端300前部还可以增设其他光学装置，如依次设置光纤210和透镜330或透镜组，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，并经透镜330或透镜组汇聚，照射至光纤210上，光纤210将汇聚的散射光传导至光束接收端300。用于接收汇聚散射光的透镜组也叫第一透镜组。

可选地，由于排气管附近的温度较高，外壳内部可以设置隔热材料制成的隔温组件、填充隔热材料，保护光束发射端200和光束接收端300不受温度影响；外壳与底座100连接部位可以增加隔温结构，如陶瓷材料制成的隔温环来保护光束发射端200与光束接收端300；底座100以及其他相关部件的材料也可以由耐温隔温的材料制成。

优选的方案

在本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100。底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。光束发射端200发出的光依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内射入观测区域，光束与观测区域交汇的三维空间(交叠区)即为传感器的监测区域。光束射入到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300，如图1或图2所示。

观测区域是接收孔310可以观测的空间范围，光束发射端200发射的光束射入观测区域，光束与观测区域交汇的立体空间即为传感器的监测区域。在实现本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案过程中，发明人发现监测区域最靠近接收孔310的一端(即监测区域的起始点)位置的设置对测量精度的有重大的影响。非抽气散射式监测设备在使用散射法测量过程中，由于监测区域与接收孔310之间的颗粒物由于无法被光束照射，因而无法发生散射现象；但是在颗粒物浓度较高的情况下，这个区域内的颗粒物会遮挡或者影响传入接收孔310散射光的通路，同时还会发生复散射效应，影响测量结果，如图9所示。

目标监测流体500在腔体400内流动时，目标监测流体500的浓度会随着腔体400的形状和结构，以及流体的流动状态发生变化，目标监测物质的浓度在流体流动过程中会在流体流动区域的边缘形成浓度梯度，由于浓度梯度的产生会导致在不同浓度区域的散射干扰的程度不同。发明人发现，当目标监测区的起始点靠近目标监测物质浓度降低的区域，或置于目标监测物质浓度降低的区域内，可以有效的降低复散射的干扰。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，将监测区域起始位置设置在距离监测设备较近一侧的浓度临界层上，或浓度临界层邻域，或浓度临界层低浓度区域的一侧(远离高浓度目标检测物质的方向)。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，监测区域靠近接收端的一端，置于距含有目标监测物质的浓度临界层0-30mm的位置。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，所述监测区域靠近接收端的一端，置于距含有目标监测物质的浓度临界层5-10mm的位置。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，所述监测区域靠近接收端的一端，置于距含有目标监测物质的浓度临界层1-3mm的位置。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，所述监测区域靠近接收端的一端，置于流体流动区域边缘，距目标监测物质浓度降低区域30mm、20mm或10mm、5mm内的空间。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，如图5所示，是确保监测区域最靠近接收孔310的一端与临近腔体400内壁的距离不超过10mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为10cm。监测区域起始点的设置可以通过发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340位置,以及监测设备的结构和安装位置进行调节。

本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，将监测区域起始位置(靠近接收端的一端)是设置在零界区域内，该区域内由于发生零界效应，目标监测物质的浓度趋近于零，使得该区域内的目标监测物质对散射的干扰趋近于零。目标监测物质的浓度趋近于零是指如颗粒物的浓度小于排放瞬时浓度5％的或颗粒物的浓度小于排放瞬时浓度1％。

本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案，是确保监测区域最靠近接收孔310的一端与临近腔体400内壁的距离不超过10mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为10cm。本发明的一个实施例所涉及的一个优选的监测区域起始位置是设置在排气管的管壁位置(即目标监测流体500的边缘与观测区域的交界处)。

本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案，目标监测区靠近接收孔的一端距接收孔的平面距离，小于等于设定距离，这个距离可以是0-100mm，优选0-30mm；可以是腔体直径的0-0.2倍；也可以是监测设备直径的0-1.5倍。

接收孔310直径越大能够接收散射的角度范围越大，接收孔310孔径越小其接收范围的夹角越小，以孔径2.5mm为例，可接收的散射光角度范围约为12°。观测区域的焦距决定了其观测距离范围，透镜组合焦距计算公式为(f1*f2)/(f1+f2-S)＝f。

此外，监测区域最远离接收孔310的一端(即监测区域的终点)位置的设置对测量精度的同样有影响。监测区域的终点的位置应当避开腔体壁的位置，因为腔体壁会造成反射，干扰散射光，影响设备的测量结果。当腔体400内的烟气会存在浓度分布不均匀的情况，因此监测区域的范围过小、过大，或不均匀的颗粒物浓度无法反映腔体400内总体的颗粒物浓度情况，影响测量精度和效果。以截面为圆形的腔体400为例，优选的监测区域范围应当为直径的0.4-0.9倍。如果腔体400内烟气浓度分布均匀的情况下(如汽车尾气监测中排气管烟气流速快、背压高的环境)，小范围的监测区域也可以反应腔体400内总体的颗粒物浓度情况，优选的监测区域范围可以为腔体400直径的0.1-0.5倍。如图4至图7所示。

监测区域位于腔体400内，腔体400可以是机动车、工程机械、机动船的排气管道；还可以是烟气管道如餐饮油烟的排气管道、锅炉的排气管道。

优选的方案

在本发明所涉及的一个技术方案中，可以实现将尾气监测设备50设置在排气管之外，该排气管可以是发动机后如机动车、发电机组等后部的排气管，也可以是锅炉等燃烧设备后部的排气管，如图18至图21所示，主要监测器件不与高温、高污的尾气接触的方式，可以有效减少高温、高污染对于监测仪器造成的影响。

底座100具有发射孔240与接收孔310平面的一端，与腔体壁的距离范围是0-50mm，优选的距离范围可以是0-30mm。为实现设备小型化，优选的距离范围可以是2.5-5.5mm。

优选的方案

在本发明所涉及的一个技术方案中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。发明人发现接收孔310的几何结构会影响光束接收端300对散射光的接收，从而影响监测设备的准确性。发明人还发现接收孔310的几何结构还会影响监测设备抗污染的性能，从而影响设备的维护周期以及使用寿命。

接收孔310的开孔面积如果设置的较大，则可以获得较大观测的区域。但是较大的接收孔310会带来目标监测流体500中颗粒物沉积的问题，颗粒物可能会通过接收孔310进入设备，附着或者覆盖光束接收端300或者光束接收端300前端设置的透镜330，长期使用后，沉积的颗粒物会影响光束接收端300接收散射光的效果，影响监测设备的测量精度；散射光在传播过程中，还会发生复散射现象，即散射光照射至颗粒物上再次发生散射现象，复散射现象所形成的复散射光，对颗粒物浓度的测量会带来负面的作用，影响测量精度，如果接收孔310开孔面积过大，复散射光会对监测设备的精度造成影响。

接收孔310的开孔面积如果设置的较小，又会限制散射光的进入，使得照射到光束接收端300的散射光光强过低，无法实现监测的目标，或者影响监测设备的精度与灵敏度。

在本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案中，优选的接收孔310几何形状包括矩形和椭圆形，以及跑道圆形状。优选接收孔310是矩形，矩形的长边平行于发射孔240中心与矩形中心的连线，长边与短边的比例范围是1-2:1；优选接收孔310是椭圆形，椭圆的长轴平行于发射孔240中心与椭圆中心的连线，长轴与短轴的比例范围是1-3:1；优选接收孔310是跑道圆形状，跑道圆的长边平行于发射孔240中心与跑道圆几何中点的连线，长轴与短轴的比例范围是1-3:1。优选的接收孔310的开孔面积是0.5mm ²-5mm ²；

在实现本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案过程中，发明人发现，孔径的与管径具有相对应的关系。

排气管径(cm)	接收孔孔径mm
5-15cm	1.5-2.4mm
15-30cm	2.4-4mm

优选的方案

在本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳。发射光通路230与接收光通路340的夹角区间为(0°，180°)，例如(0°，90°)、(85°，95°)，尤其是(1°，20°)、(3°，17°)、(6°，10°)等较小的区间范围，如图3所示，在这个角度范围内光束发射端200和光束接收端300可以较容易的封装为一体，减小设备体积。一些颗粒物监测应用场景中，比如在机动车尾气、机动船尾气、油烟管道的监测环境中，按照以上角度，可以实现传感器设备的小型化。第一、第二光纤210之间夹角(光路夹角)被设置为5-15°，也就是说第一第二光纤210之间角度(光路夹角)被设置以使得发射光路和接收光路之间夹角为5-15°。第一光纤是用于传输接收的散射光的光纤；第二光纤是用于传输发射光的光纤。

在本发明的一个实施例所涉及的一个优选的实施例，通过调整光束发射端200、光束接收端300或其所耦合的光纤210、透镜组的相对位置，以及光束发射端200与光束接收端300形成的夹角，使得腔体400内光斑(腔体400内光斑指光束发射端200发出的光束，在腔体400内壁形成的光斑，亦即，发射光通路230与对侧的腔体400内壁的相交处)位于观测区域之外。通过接收光通路340与发射光通路230的设置，使得观测区域避开上述光斑，即光斑处于观测区域之外，可以减少腔体400内壁的反射光，对监测造成的影响。

监测设备工作的基本过程为，光束发射端200发出的光依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束受到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路 340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。

优选的方案

在本发明的一个实施例所涉及的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳。光束发射端200发出的光线进入目标监测流体500的光功率，应当保持在一定功率之上，保证监测的准确。

当目标监测流体500内的颗粒物是不均匀的时候，如5所示，监测区域的范围可以是管径的0.4-0.9倍。当目标监测流体500内的颗粒物是均匀的时候，监测区域的范围可以是管径的0.2-0.5倍，如图4所示。

发射光通路230与接收光通路340，可以是共用一个空间的通路，还可以是分离开的两个通路。分离开的发通路可以降低两者之间的相互干扰。

光束发射端200向颗粒物发射光束，可以是激光发生器、LED光源发出的光束；光束接收端是用于将颗粒物散射的光转化为电信号的装置，可以是如光电二极管(PD)的光电转换元件。

光束发射端200前部还可以连接光纤210，光束发射端200发出的光线通过光纤210传导进入发射光通路230，并通过发射孔240照射进腔体400内。这样可以避免机动车尾气产生的高温，对光束发射端200的影响。

光束发射端200前部还可以连接光学准直器，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内。光束发射端200采用的光学准直器，光耦合效率≥75％，可以降低光束发射端200光源的功率，低功率的光源的耐温、工作寿命以及稳定性较高，可以提高监测设备的可靠性及使用寿命。光学准直器可以使用的透镜330包括菲尼尔透镜、自聚焦透镜Glens、Clens等；还可以使用透镜组，对光源发射的光进行准直。用于光束发射端200的透镜组、光学器件，也可以称为第二透镜组。

光束发射端200前部还可以依次连接光学准直器、光纤210，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，在通过光纤210传导进入进发射光通路230，并通过发射孔240照射进腔体400内。

光束接收端300前部设置有透镜330或透镜组，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，并经透镜330汇聚，照射至光束接收端300上。光束接收端300前部还可以依次设置光纤210和透镜330，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，并经透镜330汇聚，照射至光纤210上，光纤210将汇聚的散射光传导至光束接收端300上。光束接收端300前部设置的透镜330或透镜组使用的透镜330类型可以是凸透镜、傅里叶透镜等。

优选的方案

在本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。

发明人发现，在高污环境中，监测设备发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，以及光纤210、透镜330等其他附件易受烟气的污染，颗粒物会沉积。因此在底座100与烟气接触的部位进行防积灰设计可以减少烟气的污染，保证监测数据的准确。

一种优选的防积灰设计是在烟气气流冲击的部位设置气流导流结构140，导流结构引导烟气气流，使得气流不直接冲击底座100、发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340，以及底座100内部的光纤210、透镜330等其他附件。

一种优选的防积灰设计是在底座100的设置气幕保护结构，气幕保护结构可以向底座100、发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340，以及底座100内部的光纤210、透镜330等其他附件吹送干净的保护气幕，减少和防止灰尘在上述结构上的积累。

一种优选的防积灰设计是在底座100设置有加热烧蚀装置160，在底座100、发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340，以及底座100内部的光纤210、透镜330等其他附件的灰尘积累达到设定的条件，或者手动设定触发条件，开启加热烧蚀装置160，将积灰烧蚀处理。

发明人发现，在高温环境中如机动车尾气监测情况下，光束发射端200、光束接收端300的相关元器件会受到高温的影响，会发生灵敏度降低、灵敏度的飘移、发射功率的不稳定等情况，影响监测数据的准确性。因此，传感器通过结构及材料方面的隔热技术手段，可以减少温度对监测设备的影响。

一种优选的隔热方式是加大光束发射端200与光束接收端300与发射孔240与接收孔310的距离，降低温度对光束发射端200与光束接收端300的影响。

一种优选的隔热方式是，在外壳内部设置隔热材料制成的隔温组件130，或者填充隔热材料，保护光束发射端200和光束接收端300受温度的影响。

一种优选的隔热方式是，外壳与底座100连接部位可以增加隔温组件130，如陶瓷材料制成的隔温环来保护光束发射端200与光束接收端300；底座100的材料也可以由耐温隔温的材料制成。

优选的方案

在本发明的一个实施例中，环境监测系统720包括尾气监测设备50、主控模块600、通讯模块、OBD模块620，尾气监测设备50包括光束接收端300，光束发射端200、底座100、底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。光束接收端300，光束发射端200集成封装于外壳中。

环境监测系统720具备信息传输功能，通讯模块用环境监测系统720与数据平台710的通讯，可以上传监测数据、位置信息、时间信息、车辆运行信息等数据，还可以接收数据平台710下发的调整环境监测系统720运行的指令。通讯模块630可以将监测到的数据、位置数据和时间信息通过无线的方式回传至数据平台710。通讯模块630使用GPRS、4G、5G、蓝牙、WIFI、物联网等数据传输方式与数据平台710。通讯模块630也可以查SIM用于联网进行数据传输。通讯模块630可以以秒级、分钟级的间隔，向数据平台710传送数据。

主控模块600连接车辆电源，为尾气监测设备50、通讯模块630、OBD模块620供电，并控制和处理尾气监测设备50、通讯模块630、OBD模块620间的数据。主控模块600可以具备定位功能或具备与定位模块610的数据接口，定位功能或者定位模块可以利用GPS、北斗等定位技术实时记录车辆时空信息。

OBD模块620与车辆总线相连接并进行数据交换，OBD模块620可以采集车辆运行信息，如发动机转速、发动机扭矩、油门位置、进气流量、排气温度、DPF温度、位置、时间等信息数据，并通过数据接口传送至主控模块600。

数据平台710可以接收环境监测系统720回传的数据，数据平台710对这些数据进行储存、处理。数据平台710环境监测系统720回传的数据，以及其他可以收集到的数据。利用这些数据，数据平台710可以综合处理这些数据，生成数据列表、数据排名、可视化地图等数据呈现方式。这些生成的生成数据列表、数据排名、可视化地图等处理结果可以通过网络的方式发送至用户终端730，用户可以根据需求查询和使用。数据平台710还可以环境监测系统720的运行，如开启关闭尾气监测设备50、调整尾气监测设备50的参数等，如图17所示。

实施例1

在本发明的一个实施例中，监测区域的范围过小、过大，会导致不均匀的颗粒物会遮挡或者影响传入接收孔310散射光的通路，而无法反映腔体400内总体的颗粒物浓度情况，影响测量精度和效果。尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种汽车尾气排气管，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为2.2mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是10厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过5mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为4cm。

实施例2

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种汽车尾气排气管，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为2.5mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是10厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过3mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为5cm。

实施例3

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种汽车尾气排气管，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为3.0mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是20厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过8mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端之间间距，或该间距在接收光通路340轴线上投影的优选距离为12cm左右。

实施例4

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种汽车尾气排气管，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为3.0mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是20厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过3mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端之间间距，或该间距在接收光通路340轴线上投影的距离优选为5cm左右。

实施例5

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种烟道，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为1.5mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是50厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过10mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为10cm。

实施例6

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳，当腔体400为一种烟道，监测设备的接收孔310为圆形，孔径为5mm，排气管的横截面为圆形，排气管的直径是100厘米，监测区域最靠近接收孔310的一端，与腔体400内壁的距离应当不超过6mm；监测区域相较于接收孔310的最近端与最远端，在接收光通路340轴线上投影的距离为30cm。

实施例7

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300，光束发射端200，底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳。光束发射端200发出的光束与接收光通路340的夹角为5°-15°。光束发射端200发出的光束依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束受到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。一些颗粒物监测应用场景中，比如在机动车尾气、机动船尾气、油烟管道的监测环境中，按照以上角度，可以实现传感器设备的小型化。

实施例8

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳。光束发射端200发出的光束，作为发射广通路的一部分，与接收光通路340的夹角为7°-10°。光束发射端200发出的光束依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束受到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。一些颗粒物监测应用场景中，比如在机动车尾气、机动船尾气、油烟管道的监测环境中，按照以上角度，可以实现传感器设备的小型化。

实施例9

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接监测设备外壳。光束发射端200发出的光束与接收光通路340的夹角为90°或120°或者90°±10°，或者120°±10°。90°情况如图8所示。光束发射端200发出的光束依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束受到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。

实施例10

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。接收孔310与发射孔240的相对距离的范围是1mm-10mm。接收孔 310与发射孔240接收孔310。接收孔310的几何形状可以是矩形(例如长宽之比大于1.5:1、5:1或2:1的狭长的矩形)，矩形的长边平行于发射孔240中心与矩形中心的连线；接收孔310的几何形状可以是椭圆，椭圆的长轴平行于发射孔240中心与椭圆中心的连线；接收孔310的几何形状可以是跑道圆，跑道圆的长边平行于发射孔240中心与跑道圆几何中点的连线。矩形和椭圆形，以及跑道圆形状。

实施例11

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。在实现本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案过程中，发明人发现，孔径的与管径可具备如下的对应关系。

排气管径(cm)	接收孔孔径(mm)
5-15cm	1.5mm-2.4mm
15-20cm	2.4mm-2.8mm
20-30cm	2.8mm-3.5mm

实施例12

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。在实现本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案过程中，排气管的管径为8cm，接收孔310孔径2.2mm。

实施例13

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。在实现本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案过程中，发明人发现接排气管径、光斑直径、光路夹角可具备如下的对应关系。

实施例14

在本发明的一个实施例中，优选接收孔310是矩形，矩形的长边平行于发射孔240中心与矩形中心的连线，长边与短边的比例范围是1.5-1.8:1；优选接收孔310是椭圆形，椭圆的长轴平行于发射孔240中心与椭圆中心的连线，长轴与短轴的比例范围是1-2.5:1；优选接收孔310是跑道圆形状，跑道圆的长边平行于发射孔240中心与跑道圆几何中点的连线，长轴与短轴的比例范围是1-2:1。

实施例15

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。为了避免复散射及积尘问题，优选的圆形接收孔310的半径是0.5mm-3mm。

实施例16

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。为了避免复散射及积尘问题，接收孔310的面积为19.625mm ²。发射光通路230的长度是2-5cm；接收光通路340的长度是2-5cm。

实施例17

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。为了避免复散射及积尘问题，接收孔310几何结构为圆形，接收孔310的直径为2.5mm。接收光通路340的长度是3cm。

实施例18

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340。为了避免复散射及积尘问题，接收孔310几何结构为圆形，接收孔310的直径为2mm；接收孔310几何结构为圆形。

实施例19

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。光束发射端200发出的光依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内，光束受到腔体400内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300将接收到的光信号转化为电信号，电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。

光束接收端300前部设置有透镜330，如图13所示，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，经过透镜330或者透镜组放大，透镜组可以为双片直径≤8mm的单凸透镜330，放大倍数可以为36-100倍，汇聚后的光束照射至光束接收端300上。光束接收端300前部可以依次设置光纤210和透镜330，散射光通过接收孔310进入接收光通路340，并经透镜330汇聚，照射至光纤210上，光纤210将汇聚的散射光传导至光束接收端300上。光束接收端300的光电转换元件可以是APD(雪崩光电二极管)探测器。

实施例20

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束发射端200，光束发射端200前部可以连接光学准直器，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到腔体400内。光束发射端200采用的光学准直器，光耦合效率≥75％，可以降低光束发射端200光源的功率，低功率的光源的耐温、工作寿命以及稳定性较高，可以提高监测设备的可靠性及使用寿命。光学准直器可以使用的透镜330包括菲尼尔透镜、自聚焦透镜、Glens、Clens等；还可以使用透镜组，对光源发射的光进行准直。光束发射端200的光束发射元件可以是激光发生器、led光源等，优选的激光发生器可以是低功率的激光发生器，发射功率为30-50mw。

优选的经过光学准直器，或者光学准直器与光纤210组合的光束，其功率应当大于6mw，光斑的直径应当在2-3mm之间。光斑的大小与功率可以通过光学标定手段确定。当功率低于6mw的时候，将会对标定造成比较大的问题。

实施例21

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束发射端200，光束发射端200前部可以依次连接光学准直器、光纤210，光束发射端200发出的光线经过光学准直器形成平行光后，在通过光纤210传导进入进发射光通路230，并通过发射孔240照射进腔体400内。优选的光学准直器是非球面透镜，耦合效率超过≥50％；优选的光纤210为105芯径的低损耗高折射率的耐高温传能光纤210。光斑直径为1mm-4mm，总体耦合效率为40％-80％，照射进入发射光通路230的光功率≥8mW。

实施例22

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。底座100部分设置有销钉110，用于固定和定位尾气监测设备50，如图13所示。在高温环境中如机动车尾气监测情况下，光束发射端200、光束接收端300的相关元器件会受到高温的影响，会发生灵敏度降低、灵敏度的飘移、发射功率的不稳定等情况，影响监测数据的准确性。因此，传感器通过结构及材料方面的隔热技术手段，可以减少温度对监测设备的影响。

结构上的隔热可以将光束发射端200与光束接收端300后移一段距离，加大光束发射端200与光束接收端300与发射孔240与接收孔310的距离，降低温度对光束发射端200与光束接收端300的影响。光束发射端200与发射孔240的距离可以为0.5-5cm；光束接收端300与接收孔310的距离可以为0.5-5cm。

外壳使用金属薄壳120，金属薄壳120的厚度为1-3mm，降低金属可导热的面积，如图14所示。

外壳内部设置隔热材料制成的隔温组件130，或者填充隔热材料，保护光束发射端200和光束接收端300受温度的影响。金属薄壳120内部用填充隔热材料，将光路的元件直接固定到陶瓷内部，上述隔温材料可以是气凝胶、陶瓷粉、聚四氟乙烯、PEEK、POM的玻纤混合物等。

外壳与底座100连接部位可以增加隔温组件130/结构，如陶瓷材料制成的隔温环、隔热垫片来保护光束发射端200与光束接收端300；底座100的材料也可以由耐温隔温的材料制成。陶瓷件连接可以是先进行整体烧结或者加工出来的，通过装配的方式进行连接，用陶瓷体保护住光路元件。

光束发射端200和光束接收端300的电子元件，以及后续的线束，可以使用耐高温热塑管或材料包裹。

实施例23

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。在高污环境中，监测设备发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，以及光纤210、透镜330等其他附件易受烟气的污染，颗粒物会沉积。因此在底座100与烟气接触的部位进行防积灰设计可以减少烟气的污染，保证监测数据的准确。

在底座100设有小孔、受烟气气流冲击的一端，设置气流导流结构140，阻挡烟气，并引导烟气不直接冲击底座100及底座100上的结构。气流导流结构140可以是半圆形气流挡片，挡片高度可以是0.5-15mm。气流导流结构140可以是半圆形、半圆形斜切结构，挡片最高处高度可以是0.5-15mm，挡片最高处是烟气的气流的来向，如图15所示。

实施例24

在底座100的设置气幕保护结构是一种防积灰设计，气幕保护结构可以向底座100、发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340，以及底座100内部的光纤210、透镜330等其他附件吹送干净的保护气幕，减少和防止灰尘在上述结构上的积累。在底座100内可以设置气路，气路包括气幕气管152、气幕气孔151，气路一端开孔设置在接收光通路340、发射光通路230内部，另一端连接供气装置。气路可以向接收光通路340、发射光通路230内部供气，形成正压，使得烟气不易进入，保护监测设备不受烟气污染。供气装置可以是气泵，也可以是汽车自身气源。供气装置为气泵或车辆的车载气源，可操作以形成气幕，如图16所示。

实施例25

在底座100设置有加热烧蚀装置160是一种防积灰设计，在底座100、发射孔240、接收孔310、发射光通路230、接收光通路340，以及底座100内部的光纤210、透镜330等其他附件的灰尘积累达到设定的条件，或者手动设定触发条件，开启加热烧蚀装置160，将积灰烧蚀处理。加热装置设置在底座100有发射孔240和接收孔310的一端，加热烧蚀装置160可以是陶瓷加热环、电阻式加热环等。

实施例26

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。在高温环境中如机动车尾气监测情况下，光束发射端200、光束接收端300的相关元器件会受到高温的影响，会发生灵敏度降低、灵敏度的飘移、发射功率的不稳定等情况，影响监测数据的准确性。

本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案是，底座100具有发射孔240与接收孔310平面的一端，与腔体壁的距离范围是0-20mm，优选的距离范围可以是0-10mm，优选的距离范围可以是2.5-5.5mm。

实施例27

结构上的隔热可以将光束发射端200与光束接收端300后移一段距离，加大光束发射端200与光束接收端300与发射孔240与接收孔310的距离，降低温度对光束发射端200与光束接收端300的影响。光束发射端200与发射孔240的距离可以为1-4cm；光束接收端300与接收孔310的距离可以为1-3.5cm。

本发明的一个实施例所涉及的一个技术方案是底座100具有发射孔240与接收孔310平面的一端，与腔体壁的距离范围是0-10mm，优选的距离可以是2.8mm。

实施例28

在本发明的一个实施例中的尾气监测设备50，可以应用于机动车尾气监测场景中。尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200、底座100，底座100一端设有发射孔240、接收孔310、排气管，底座100内部有发射光通路230和接收光通路340，底座100另一端连接设备外壳。所述光束发射端200、光束接收端300集成装配于所述排气管的壁部，所述接收光通路340的轴线基本垂直于所述排气管的壁部。例如，光束发射端200、光束接收端300可以集成装配于一探测杆内，该探测杆基本垂直于排气管壁部，安装于该排气管上，探测杆一端部贯穿排气管壁部，与排气管的内壁齐平，或者以较小的长度延伸入该排气管之内。另外，探测杆一端部(例如，在该端部的端面上)可以安装气流导流结构140。

汽车电源系统为尾气监测设备50供电，尾气监测设备50可以与汽车OBD系统进行数据交换，根据OBD系统中的数据，可以调整监测设备的运行。OBD系统中的数据可以包括车辆基础数据，如发动机转速、发动机扭矩、油门位置、进气流量、排气温度、DPF温度、位置、时间等。监测设备可以根据这些数据，对监测设备的运行进行联动调整，可以调整的方面包括监测设备的开关机状态、校准触发、采样频率等。尾气监测设备50还可以集成或者连接数据传输装置，将监测到的颗粒物浓度信息，以及其他车辆的车辆基础数据传输至云端平台。

实施例29

在本发明的一个实施例中的尾气监测设备50，可以应用于锅炉烟气/排烟的监测、餐饮油烟的监测。监测设备的供电方式可以是太阳能供电、电池供电。尾气监测设备50还可以集成或者连接数据传输装置，将监测到的颗粒物浓度信息等数据传输至云端平台。

实施例30

在本发明的一个实施例中，包括光束发射端200和光束接收端300。为降低激光器使用时间，保证激光器使用寿命，光束发射端激光器间歇性向颗粒物发射光束。如每秒发光时间50ms-800ms，每秒其余时间激光器关机或者降低功率。发光的形式可以是频闪的方式，也可以是长亮的方式。优选的发光时间是每秒发光300ms、400ms、500ms、600ms。光束发射端200发出的光依次通过发射光通路230、发射孔240，照射到排气管内，光束受到排气管内部颗粒物发生散射，散射光经由接收孔310、接收光通路340，照射到光束接收端300。光束接收端300的光电二极管(PD)将接收到的光信号转化为电信号，为保证瞬态工况下监测数据的准确性，电压信号采样频率为10-100Hz。电信号经过计算后，得出颗粒物的浓度。

实施例31

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200。由于颗粒的粒径对散射光具有影响，大颗粒引发的散射光散射角越小，颗粒越小散射光角度越大；波长越长越不容易被散射，波长越短，越容易散射。因此针对粒径为0.5um-1um的颗粒，光束发射端200可以使用能发射波长为600-700nm的光源；对粒径为＜50nm，光束发射端200可以使用能发射波长为400-600nm之间的光源。

实施例32

在本发明的一个实施例中，尾气监测设备50包括光束接收端300、光束发射端200。由于颗粒的粒径对散射光具有影响，大颗粒引发的散射光散射角越小，颗粒越小散射光角度越大；波长越长越不容易被散射，波长越短，越容易散射。因此针对粒径为0.5um-1um的颗粒，光束发射端200可以使用能发射波长为650nm的光源；对粒径为＜50nm，光束发射端200可以使用能发射波长为450-575nm之间的光源。

实施例33

在本发明的一个实施例中，根据电压信号及相关机动车运行数据，触发尾气颗粒物传感器的校准模式，定义校准前接收端电压为基准电压(E0)，校准时接收端实际接收电压为E0，每次校准时会保存当前的接收端基准电压E0,当实际接收端电压E持续5s高于基准电压(E0)时，自动触发校准逻辑，且新的基准电压E0＝5s内的E的平均值。此外，在机动车运行过程中，若有转速信号，当转速低于1000rpm时可以进行校准，其中优选转速低于700rpm时进行校准。若无转速信号，不采用转速信号校准。若有扭矩百分比信号，则扭矩百分比低于7％时可以进行校准，其中优选扭矩百分比低于3％时进行校准；若无扭矩百分比信号，则不采用扭矩百分比进行校准。若无转速扭矩信号，则接收端电压在5min内变化幅度均低于0.2V时可以进行校准，其中优选接收端电压在5min内变化幅度均低于0.05V时自动触发校准。若无转速扭矩信号，若车辆持续驾驶1-5h,优选为3h后仍未触发过自动校准逻辑，则仪表盘会提醒驾驶员在怠速状态下手动触发校准。除此之外，校准逻辑中的校准条件还可以包括如转速阀值，扭矩阀值，校准时间间隔阀值等。

在上述尾气颗粒物传感器使用早期，激活不透光度自学习功能，储存各工况下的不透光度值；当传感器状态异常时根据发动机工况，输出之前储存的自学习值，以保证在传感器故障后所输出数据可反映车辆的实际烟度情况。定义累计校准次数的变量n。

实施例34

在监测设备电路的设计中，需要保持激光器的输出功率恒定，在目前市场中所采用的电路设计方案中，通常采用APC控制原理，目前市场上较为通用的APC控制电路，但一方面电路参数需要调整以适应特定的产品，另一方面，无法达到控制激光器输出功率自动控制的目的。

在本发明所包括的一种实施例中，采用运放替代了普通的三极管电路，避免了三极管受温度影响特性发生改变；采用了MCU介入，有MCU ADC模块输出可控的电压信号，达到可以通过人机界面自动调节激光器输出功率的目的。并充分借鉴竞品的优点，同样采用APC控制原理，形成硬件上的闭环控制系统，保证输出功率恒定。

在进行信号调理，将nA级别(10nA左右)的电流信号转换为1-2V之间的电压量时，从元器件选用入手，选择了性价比更好的芯片，AD8692，其静态下偏置电流为1pA，噪声仅为

且AD8692为轨至轨运放，其输出电压可达到电源供电电压附近(3.2V左右)。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其它含义，“多种”一般包含至少两种。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

虽然以上描述了本申请的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本申请的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本申请的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本申请的保护范围。

Claims

一种尾气监测设备，包括光束发射端、光束接收端，其特征在于，所述光束发射端可操作以建立发射光路，所述光束接收端被构造以接收来自所述发射光路中的监测区域的散射光线，从而形成接收光路。
如权利要求1所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端、所述光束接收端集中地/分布地设置于一腔体上，从该腔体的外部朝向所述腔体内部，所述光束接收端被构造为接收来自所述监测区域的后向/侧向散射光线。
如权利要求2所述的尾气监测设备，其中，所述接收光路与所述发射光路之间夹角为[6°-20°]、[9°-12°]、15°邻域、90°邻域三者之中任一值。
如权利要求3所述的尾气监测设备，其中，所述尾气监测设备还包括底座，靠近所述底座前端的发射孔/接收孔的所述监测区域的第一端，相对于：i)所述底座前端的发射孔、ii)所述底座前端的接收孔，iii)所述光束接收端所对应的所述腔体内壁，iiii)所述腔体内颗粒物流体边界四者中任一者的间距，不超过[0.5mm-5mm]中任意数值；或者所述发射光路上从所述底座前端的发射孔到所述监测区域的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值；或者所述接收光路上从所述监测区域到所述底座前端的接收孔的距离，不超过[0mm-5mm]中任意数值。
如权利要求4所述的尾气监测设备，其中，a)所述监测区域中最接近所述底座上的接收孔的第一端与b)所述监测区域中最远离所述底座上的接收孔的第二端，之间的间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为[3cm,4/5管径(腔体直径)]中任一数值。
如权利要求5所述的尾气监测设备，其中，所述第一端与所述第二端之间间距或该间距在接收光通路/接收光路的轴线上的投影距离为：所述腔体管径的0.1-0.9倍、0.2-0.8倍、0.3-0.7倍、0.4倍或者5cm-7cm。
如权利要求6中任一项所述的尾气监测设备，其中，所述腔体为排气装置；所述光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一基座安装于所述排气装置的壁上，所述光束接收端还包括第一透镜组，所述光束发射端还包括第二透镜组，该第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴基本垂直于所述排气管的壁。
如权利要求7所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端还包括激光发生器或者LED光源，所述激光发生器可操作以经由所述第二透镜组向所述监测区域发射光线；所述光束接收端被配置为经由所述第一透镜组接收来自所述监测区域的散射光线。
如权利要求8所述的尾气监测设备，其中，还包括第一光纤、与所述第二透镜组光学耦合的第二光纤；所述底座前端开设的所述发射孔和接收孔连通/朝向所述腔体内，所述第二透镜组为光学准直透镜和/或菲尼尔透镜；所述光束发射端通过所述第二透镜组和/或所述第二光纤对准所述发射孔；所述第一透镜组、第一光纤、光束接收端沿所述接收光路的方向依次光学耦合。
如权利要求9所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端发射的激光波长为400-600nm。
如权利要求10所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端的发射功率为30-50mw。
如权利要求11所述的尾气监测设备，其中，还包括加热烧蚀装置，可操作以加热所述底座、光束发射孔、光束接收孔以去除积累的灰尘。
如权利要求12所述的尾气监测设备，其中，所述加热烧蚀装置为陶瓷加热环或电阻式加热环。
如权利要求13所述的尾气监测设备，其中，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。
如权利要求1-14中任一项所述的尾气监测设备，其中，所述基座连接于所述排气管管壁，并开设有接收孔朝向所述排气管内部，以允许所述腔体内散射的光线通过所述接收孔入射所述第一透镜组，并经由所述第一光纤，所述接收孔的面积为0.5mm ²-20mm ²。
如权利要求15所述的尾气监测设备，其中，所述的接收孔的形状为圆形、椭圆或正多边形、狭长形、扁平跑道形、类凸透镜截面形，所述的接收孔的面积为2-4平方毫米；所述椭圆、跑道圆、矩形的长宽比为1.5:1-2:1，优选比例为1.6:1。
如权利要求16所述的尾气监测设备，其中，所述接收孔为狭长形，矩形，圆角矩形，其最大维度为2.2毫米，最小维度为1毫米，所述接收孔与所述第二透镜组的距离是3厘米/所述接收孔后空腔长度是3厘米。
如权利要求17所述的尾气监测设备，其中，来自所述监测区域内的散射光通过所述接收孔入射所述第二透镜组。
如权利要求18所述的尾气监测设备，其中，所述光束接收端或所述光束发射端，与机动车排气管壁的距离是2-5厘米。
如权利要求19所述的尾气监测设备，其中，所述光束发射端，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤、光学耦合至所述第二透镜组。
如权利要求20所述的尾气监测设备，其中，所述光束接收端采用两组透镜放大，单组的放大倍数是64倍。
一种汽车，装配了如权利要求1-21中任一项的尾气监测设备。