WO2022105258A1 - 一种环境监测方法 - Google Patents

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monitoring method
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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
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山东鸣川汽车集团有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
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    • G—PHYSICS
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of environmental monitoring, in particular to the technical field of gas/fluid monitoring.
  • the monitoring instrument can be set outside the exhaust pipe, away from the high temperature and high pollution area of the exhaust pipe, and at the same time, the real-time monitoring of the concentration of particulate matter in vehicle exhaust can be realized.
  • the direction of the scattered light is the same as the original beam direction, it can be called forward scattering; if the scattered light direction is opposite to the original beam direction, it can be called back scattering, that is, receiving scattering relative to the incident direction of the incident light
  • the angle scatters light eg in the range of 90°-270°, whereby the measurement of the particulate matter is carried out.
  • the principle of backscattered light can be used to integrate and package the beam receiving end and the beam emitting end more conveniently, thereby effectively reducing the size of the equipment, thereby reducing the size of the equipment. It is more suitable for relevant application scenarios of motor vehicles, and is convenient for large-scale standardized production.
  • Embodiment 9 The monitoring method according to Embodiments 1-8, wherein the beam emitting end further comprises a second lens group, and the optical axis of the first lens group is substantially the same as the optical axis of the second lens group. perpendicular to the wall of the exhaust pipe.
  • Embodiment 13 The monitoring method according to Embodiments 1-12, wherein the receiving hole has an area of 0.5 mm 2 -20 mm 2 .
  • Embodiment 16 The monitoring method according to embodiments 1-15, wherein the exhaust pipe is an exhaust pipe; the monitoring method further comprises: a) the beam receiving end and/or the beam transmitting A distance of 2-5 cm is provided between the end and the wall of b) the exhaust pipe.
  • Embodiment 19 The monitoring method according to Embodiments 1-18, wherein the substances that scatter the emission beam by the target monitoring fluid are particulate matter, SO 2 , and NO X .
  • a beam receiving end is provided outside the cavity to receive: the scattered light scattered by the fluid and passing through the beam receiving hole is monitored by the target inside the cavity;
  • Embodiment 27 The monitoring method of embodiments 1-26, wherein [6°-20°], [9°-12°], [12° are provided between the receiving optical path and the transmitting optical path -17°], the angle between any of the four values in the neighborhood of 90°.
  • Embodiment 29 The monitoring method according to Embodiment 1-28, wherein the emitting hole and the receiving hole are opened at the front end of the base, facing the inside of the exhaust pipe; the base penetrates through the exhaust pipe. the wall of the trachea; and
  • Embodiment 38 The monitoring method according to Embodiments 1-37, wherein scattered light from the monitoring area enters the first lens group through the receiving hole.
  • Figure 23 is a schematic diagram of the monitoring area of dual transmitters with the same wavelength
  • Figure 29 is a schematic diagram of a monitoring device with an external air source air nozzle
  • Figure 34 is a schematic diagram of the concentration change curve and the absolute value curve of the concentration change rate
  • Figure 35 is a schematic diagram of the concentration change curve and the absolute value curve of the concentration change rate with a diversion structure
  • Figure 37 is a schematic diagram of the concentration change curve and the absolute value curve of the concentration change rate in the cavity
  • Target monitoring fluid is a fluid containing a target monitoring substance, and the target monitoring substance includes particles, particulate matter, gas and other substances, and the gas substance can be SO 2 , NO X and the like.
  • the observation area is the range of the target monitoring fluid that the receiving hole can observe.
  • Concentration critical layer The interface with the largest concentration change rate of the target monitoring substance in the target detection fluid is the concentration critical layer.
  • Zero boundary area when the target monitoring fluid flows, the area where the concentration of the target monitoring substance formed at the edge of the fluid tends to zero.
  • one end of the monitoring area close to the receiving end is placed at a position 5-10 mm away from the concentration critical layer containing the target monitoring substance.
  • the plane distance between the end of the target monitoring area close to the receiving hole and the receiving hole is less than or equal to the set distance, and this distance can be 0-100mm, preferably 0-30mm; it can be a cavity 0-0.2 times the diameter of the body; it can also be 0-1.5 times the diameter of the monitoring device.
  • applying the method can also realize that the environmental monitoring device 50 is arranged outside the exhaust pipe, and the exhaust pipe can be the exhaust behind the engine, such as the rear of the motor vehicle, the generator set, etc. It can also be the exhaust pipe at the back of the combustion equipment such as boilers. As shown in Figure 18 to Figure 21, the main monitoring device is not in contact with the high temperature and high pollution exhaust gas, which can effectively reduce the high temperature and high pollution. impact.
  • the observation area avoids the above-mentioned light spot, that is, the light spot is outside the observation area, which can reduce the reflected light on the inner wall of the cavity 400 and affect the monitoring.
  • a monitoring device 50 including a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100 is applied.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310.
  • the base 100 There are a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to the housing of the monitoring equipment.
  • the optical power of the light emitted by the beam emitting end 200 entering the target monitoring fluid 500 should be kept above a certain power to ensure accurate monitoring.
  • the range of the monitoring area may be 0.4-0.9 times the diameter of the pipe.
  • the range of the monitoring area may be 0.2-0.5 times the diameter of the pipe, as shown in FIG. 4 .
  • the beam emitting end 200 emits a beam to the particles, which can be a beam emitted by a laser generator or an LED light source; the beam receiving end is a device for converting the light scattered by the particles into electrical signals, which can be a photoelectric conversion device such as a photodiode (PD). element.
  • a photoelectric conversion device such as a photodiode (PD). element.
  • the front part of the beam emitting end 200 can also be connected with an optical collimator and an optical fiber 210 in sequence. After the light emitted by the beam emitting end 200 passes through the optical collimator to form parallel light, it is conducted through the optical fiber 210 and enters the emission light path 230, and is transmitted through the optical fiber 210. The holes 240 are irradiated into the cavity 400 .
  • a preferred design for preventing fouling is to set an airflow guide structure 140 at the position where the flue gas airflow impacts, and the guide structure guides the flue gas airflow so that the airflow does not directly impact the base 100, the emitting hole 240, the receiving hole 310, and the emitting light path. 230 , the receiving light path 340 , and other accessories such as the optical fiber 210 and the lens 330 inside the base 100 .
  • the inventors found that in a high temperature environment such as vehicle exhaust monitoring, the related components of the beam emitting end 200 and the beam receiving end 300 will be affected by high temperature, resulting in reduced sensitivity, sensitivity drift, and unstable transmission power. situation, which affects the accuracy of monitoring data. Therefore, the sensor can reduce the influence of temperature on the monitoring equipment by means of thermal insulation technology in terms of structure and material.
  • a preferred thermal insulation method is to set a thermal insulation component 130 made of thermal insulation material inside the casing, or fill with thermal insulation material to protect the beam emitting end 200 and the beam receiving end 300 from being affected by temperature.
  • the environmental monitoring system 720 has the function of information transmission, and the communication module 630 uses the communication between the environmental monitoring system 720 and the data platform 710 to upload monitoring data, location information, time information, vehicle operation information and other data, and can also receive data from the data platform 710. Instructions for adjusting the operation of the environmental monitoring system 720 .
  • the communication module 630 can transmit the monitored data, location data and time information to the data platform 710 wirelessly.
  • the communication module 630 uses data transmission methods and data platforms 710 such as GPRS, 4G, 5G, Bluetooth, WIFI, and the Internet of Things.
  • the communication module 630 can also check the SIM for network data transmission.
  • the communication module 630 may transmit data to the data platform 710 at intervals of seconds and minutes.
  • an environment monitoring device 50 including a beam receiving end 300 , a beam transmitting end 200 , a base 100 , and a cavity 400 is applied.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310 .
  • the cavity 400 is an automobile exhaust pipe
  • the receiving hole 310 of the monitoring equipment is circular, with a diameter of 3.0 mm, and the exhaust is 3.0 mm.
  • the cross section is circular, the diameter of the exhaust pipe is 50 cm, the monitoring area is closest to the end of the receiving hole 310 , and the distance from the inner wall of the cavity 400 should not exceed 10 mm; end, the projected distance on the axis of the receiving light path 340 is 10 cm.
  • a beam receiving end 300 , a beam transmitting end 200 , and a base 100 are used.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310 , and the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside.
  • the other end of the base 100 is connected to the housing of the monitoring device.
  • the light beam emitted by the light beam transmitting end 200 as a part of the wide transmitting channel, has an included angle of 7°-10° with the receiving light channel 340 .
  • the light beam emitted by the light beam emitting end 200 passes through the emission light path 230 and the emission hole 240 in sequence, and is irradiated into the cavity 400 .
  • the light beam is scattered by the particles inside the cavity 400 , and the scattered light passes through the receiving hole 310 and the receiving light path 340 to irradiate the light beam.
  • the receiving end 300 converts the received optical signal into an electrical signal, and after the electrical signal is calculated, the particle concentration is obtained.
  • the sensor equipment can be miniaturized according to the above perspective.
  • a beam receiving end 300 a beam transmitting end 200 , and a base 100 are used.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310 , and the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside.
  • the other end of the base 100 is connected to the housing of the monitoring device.
  • the included angle between the light beam emitted by the light beam emitting end 200 and the receiving light path 340 is 90° or 120°, or 90° ⁇ 10°, or 120° ⁇ 10°. The 90° case is shown in Figure 8.
  • an environment monitoring device 50 is applied, and the environment monitoring device 50 includes a beam emitting end 200 , an optical collimator can be connected to the front of the beam emitting end 200 , and the light emitted by the beam emitting end 200 is optically collimated After the parallel light is formed by the device, it passes through the emission light path 230 and the emission hole 240 in sequence and is irradiated into the cavity 400 .
  • the optical collimator used in the beam emission end 200 has an optical coupling efficiency of ⁇ 75%, which can reduce the power of the light source of the beam emission end 200.
  • the low-power light source has higher temperature resistance, working life and stability, which can improve the reliability of monitoring equipment. performance and service life.
  • the base 100 has one end of the plane of the emitting hole 240 and the receiving hole 310, and the distance from the cavity wall is in the range of 0-10 mm, and the preferred distance may be 2.8 mm.
  • the environment monitoring system 720 includes an environment monitoring device 50, a main control module 600, a communication module 630, and an OBD module 620.
  • the environment monitoring device 50 includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, a base 100, and one end of the base 100 is provided with an emission hole 240, In the receiving hole 310 , the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 , and the other end of the base 100 is connected to the device casing.
  • the beam receiving end 300 and the beam transmitting end 200 are integrated and packaged in the casing.
  • the environmental monitoring device 50 is integrated at the rear end of the exhaust system; if the exhaust system of the ship is equipped with an SCR system, the environmental monitoring device 50 may be located at the rear end of the SCR.
  • an exhaust gas monitoring method applied to an aircraft is provided. In the implementation of this embodiment, it is applied to the environmental monitoring system 720 and the exhaust system.
  • the exhaust gas monitoring method can also be set in the cockpit for feedback A display device for the operating status of the environmental monitoring system 720 .
  • the environment monitoring system 720 includes an environment monitoring device 50, a main control module 600, a communication module 630, and an OBD module 620.
  • the environment monitoring device 50 includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, a base 100, and one end of the base 100 is provided with an emission hole 240, In the receiving hole 310 , the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 , and the other end of the base 100 is connected to the device casing.
  • the beam receiving end 300 and the beam transmitting end 200 are integrated and packaged in the casing.
  • the 50 end of the environmental monitoring device is integrated on the exhaust system of the engine, and the collected exhaust gas data can feed back the running state of the engine.
  • a data transmission and management method of the environmental monitoring system 720 is provided.
  • the environmental monitoring system 720 can upload the monitored data to the data platform 710 in real time.
  • the data platform 710 stores and analyzes monitoring data.
  • the data platform 710 can perform operations such as statistics and rankings on the monitoring data, and at the same time, based on the monitoring data, it can also perform statistics on emissions, measurement and prediction of air pollution.
  • the environmental monitoring system 720 can temporarily store the monitoring data for this period of time locally for later Upload after the wireless signal is restored.
  • the environment monitoring system 720 can also package or process the monitored data, and upload the packaged or processed data after every 1 second, 5 seconds, 10 seconds and other time intervals.
  • Data processing methods can include mean method, median and so on.
  • Mean method The average value of the monitoring data is used as the result.
  • Median method sort the data and take the middle value of the sorting as the result.
  • a method for reducing fouling of an environmental monitoring device 50 by exhaust heat ablation includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310, and the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to Device enclosure.
  • the emitting hole 240 and the receiving hole 310 of the monitoring equipment, the emitting light path 230 and the receiving light path 340 inside the base 100 , and other accessories such as the optical fiber 210 and the lens 330 are easily polluted by flue gas, and particulate matter will be deposited. Therefore, the anti-fouling design is performed on the part of the base 100 in contact with the flue gas, which can reduce the pollution of the flue gas and ensure the accuracy of the monitoring data.
  • a method for reducing fouling by the environmental monitoring device 50 includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310, and the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to Device enclosure.
  • the beam receiving end 300 and the beam transmitting end 200 are integrated and packaged in the casing.
  • the environmental monitoring device 50 is installed on the exhaust emission device, which is usually an exhaust pipe. An airflow nozzle is arranged inside the exhaust emission device.
  • the airflow direction of the airflow nozzle is inclined toward the position of the emitting hole 240 and the receiving hole 310 of the base 100.
  • the airflow nozzle can spray high-pressure gas to blow the exhaust dust accumulated in the emitting hole 240 and the receiving hole 310. Sweeping and cleaning can extend the service life of the environmental monitoring equipment 50 .
  • the gas source of the airflow nozzle can come from the compressed air that comes with the car, or it can be an installed air pump device, as shown in Figure 29.
  • a method for reducing fouling by the environmental monitoring device 50 includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310, and the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to Device enclosure.
  • the beam receiving end 300 and the beam transmitting end 200 are integrated and packaged in the casing.
  • the environmental monitoring device 50 is installed on the exhaust emission device, which is usually an exhaust pipe.
  • An airflow guide device 810 is arranged inside the exhaust emission device.
  • the airflow guide device 810 uses the engine exhaust flow rate to accelerate and guide the exhaust gas of the engine to the positions of the emitting hole 240 and the receiving hole 310 of the base 100.
  • the airflow guide device 810 The guided high-speed airflow will sweep and remove the exhaust dust accumulated in the emission holes 240 and the receiving holes 310 , thereby prolonging the service life of the environmental monitoring equipment 50 , as shown in FIG. 30 .
  • an environment monitoring method using multiple transmitting ends uses a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310,
  • the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to the housing of the monitoring equipment.
  • the environment monitoring device 50 may include multiple transmitters, such as dual transmitters, three transmitters, and more transmitters, and the dual transmitters are shown in FIG. 23 .
  • Each transmitting end emits light beams into the observation area, forming a plurality of monitoring areas in the observation area.
  • the dual transmitting ends and the three transmitting ends may be arranged symmetrically around the central axis of the environment monitoring device 50 , or may be arranged asymmetrically in more ways.
  • the wavelengths of light emitted by the transmitting ends in this embodiment are the same wavelength.
  • the dual transmitting ends and the three transmitting ends may be arranged symmetrically around the central axis of the environment monitoring device 50 , or may be arranged asymmetrically in more ways.
  • the wavelengths of light emitted by the transmitting ends in this embodiment may be different. Different wavelengths have different responses to particle size, and can measure a wider range of particle sizes. Since the scattering ability of particles to light is related to the particle size, the closer the particle size is to the wavelength of light, the stronger the scattering ability. At present, the wavelength of visible light in nature is between 300-700nm, which is close to the particle size of PM2.5 .
  • Particulate classification Particle size range Quality ratio Corresponding measurement wavelength blue smoke 0.4um 1%-5% ⁇ 400nm white smoke 1.3um 95% ⁇ 1000nm black smoke 4-10um 1%-5% ⁇ 4000nm
  • an environment monitoring method using dual transmitters uses a beam receiving end 300, two beam transmitting ends 200 (transmitting end A, transmitting end B), a base 100, one end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310, and the base 100 has a transmitting light path 230 and The light path 340 is received, and the other end of the base 100 is connected to the housing of the monitoring device.
  • Each beam emitting end 200 emits different wavelengths. The different wavelengths of the dual transmitters are shown in Figure 24.
  • the environmental monitoring device 50 with dual transmitters needs to select the light-emitting frequency of each transmitter according to the flow rate of the airflow.
  • the exhaust gas flow rate of the vehicle at idle speed is between 0.15-1.5m/s, and the smoke mass at this time is uneven and unstable.
  • the state and shape are also prone to change, so the sampling frequency needs to be increased.
  • the sampling interval between transmitter A and transmitter B needs to be controlled within 1ms, and the measurement can be performed 2-3 times. If the vehicle is in the state of loading and decelerating, the airflow velocity in the exhaust pipe will reach 100-200m/s.
  • the frequency interval can be controlled within 1ns; This flow rate range will be relatively uniform compared to the idling state, the distribution of PM2.5 is also relatively uniform, and the sampling frequency can also be extended to 1ms-50ms.
  • an environment monitoring method using multiple optical paths is provided.
  • a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100 are used.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310.
  • the base 100 has a transmitting light path 230 and a receiving light path 340 inside, and the other end of the base 100 is connected to a monitoring device.
  • the emission light path 230 can divide the light beam at the emission end into two or more beams, and irradiate them into the observation area from multiple angles, thereby forming multiple monitoring areas, with more comprehensive coverage and more accurate monitoring results.
  • the emitting hole 240 and the receiving hole 310 of the monitoring equipment, the emitting light path 230 and the receiving light path 340 inside the base 100 , and other accessories such as the optical fiber 210 and the lens 330 are easily polluted by flue gas, and particulate matter will be deposited. Therefore, the anti-fouling design is performed on the part of the base 100 in contact with the flue gas, which can reduce the pollution of the flue gas and ensure the accuracy of the monitoring data.
  • a preferred design method for preventing fouling is to set an airflow guide structure 140 at the position where the flue gas airflow impacts, and the guide structure guides the flue gas airflow so that the airflow does not directly impact the base 100, the emitting hole 240, the receiving hole 310, and the emitted light.
  • the channel 230 , the receiving light channel 340 , and other accessories such as the optical fiber 210 and the lens 330 inside the base 100 .
  • the diversion structure guides the fluid, and the fluid will form the edge of the flow area as it passes through the diversion structure, as shown in Figure 32 and Figure 33.
  • the first end position of the monitoring area can be located in the region where the concentration is reduced by the air flow guiding structure, or on the low concentration side of the concentration critical layer caused by the air flow guiding structure.
  • a method for determining a concentration critical layer is provided.
  • the concentration of the target monitoring substance in the cavity (the concentration of the target monitoring substance is represented by c)
  • the concentration of the target monitoring substance will decrease as the distance from the cavity wall decreases
  • the concentration of the target monitoring substance at a position far from the cavity wall is relatively uniform.
  • the concentration distribution of the target monitoring substance on the axis (horizontal dotted line) of the observation area will be distributed in the form of an f(L) curve.
  • the coordinate of the ordinate is c
  • the coordinate of the abscissa is L, where L represents the distance between the axis of the observation area and the emission hole of the base.
  • the environmental monitoring device 50 includes a beam receiving end 300, a beam transmitting end 200, and a base 100.
  • One end of the base 100 is provided with a transmitting hole 240 and a receiving hole 310, and inside the base 100 is a transmitting light path 230 and a receiving hole.
  • the light path 340 and the other end of the base 100 are connected to the device casing.
  • the monitoring device has the emission hole 240 and the receiving hole 310
  • the base 100 has the emission light path 230 and the receiving light path 340
  • other accessories such as the optical fiber 210 and the lens 330 are easily polluted by flue gas, and particulate matter will be deposited. Therefore, the inclined installation at the part of the base 100 in contact with the flue gas can reduce the demand for installation space, and is more conducive to the miniaturization of the equipment.
  • the angle of the inclined installation can be 0-90°, preferably 0-45°.

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Abstract

一种环境监测方法，包括：提供光束发射端（200）发射光束，形成发射光（250），发射光（250）进入到目标监测流体（500）中，光束发射端（200）可操作以建立发射光（250），光束接收端（300）被构造以接收来自发射光（250）中的监测区域的散射光线，从而形成接收光（320）。通过将环境监测设备（50）设置在腔体（400）之外，该方法使得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

一种环境监测方法 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
发明人经大量研究发现：由于现有技术使用的方法在监测尾气排放的时候，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，提供了一种环境监测方法，应用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的监测设备。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，在目标监测腔体内部形成监测区域，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、不需要抽气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1.一种监测方法，基于散射的监测方法，其中，
(1)通过腔体外部的光束发射端发射光束以形成发射光路，该发射光路进入到所述腔体内部的目标监测流体中；
(2)通过所述腔体外部的光束接收端接收：由监测区域内的所述目标监测流体散射，并经由接收光路而传播的光线；
所述光束接收孔的面积设置为2-4平方毫米，所述光束接收孔的形状为圆形、椭圆或正多边形、狭长形、扁平跑道形、类凸透镜截面形的一种；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2.根据实施例1所述的监测方法，其中，所述监测区域靠近接收端的一端，置于目标监测物质浓度降低的区域内。
实施例3.根据实施例1-2所述的监测方法，其中，所述监测区域靠近接收端的一端，置于浓度临界层低浓度一侧并距所述浓度临界层0-30mm。
实施例4.根据实施例1-3所述的监测方法，其中，所述监测区域起始位置设置在零界区域内。
实施例5.根据实施例1-4所述的监测方法，其中，还包括步骤：在所述接收光路与所述发射光路之间提供[6° -20°]、[9° -12°]、[12° -17°]、90°邻域四者之中任一值的夹角。
实施例6.根据实施例1-5所述的监测方法，其中，所述腔体为排气管；a)所述监测区域中最接近所述接收孔的第一端与b)所述监测区域中最远离所述接收孔的第二端，之间的间距或该间距在所述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7.根据实施例1-6所述的监测方法，其中，所述第一端与所述第二端之间间距或该间距在所述接收光路的轴线上的投影距离为：所述排气管管径的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8.根据实施例1-7所述的监测方法，其中，光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一底座安装于所述排气管的壁上并贯通所述排气管的壁，所述光束接收端还包括第一透镜组。
实施例9.根据实施例1-8所述的监测方法，其中，所述光束发射端还包括第二透镜组，所述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10.根据实施例1-9所述的监测方法，其中，所述光束发射端还包括激光发生器或LED光源，所述激光发生器或LED光源被配置为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a)向所述排气管内开放的光束接收孔、b)位于所述排气管之外的光束接收孔道、c)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11.根据实施例1-10所述的监测方法，其中，所述散射光线通过第一光纤传导至所述光束接收端，光束发射端发射的光束通过第二光纤与第二透镜组进入所述监测区域，第二光纤与第二透镜组光学耦合；所述发射孔和接收孔开设于所述底座的前端，朝向所述排气管之内，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方向依次光学耦合。
实施例12.根据实施例1-11所述的监测方法，其中，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。
实施例13.根据实施例1-12所述的监测方法，其中，所述接收孔的面积为0.5mm 2-20mm 2。
实施例14.根据实施例1-13所述的监测方法，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一透镜组的距离是3厘米/所述接收孔后空腔长度是3厘米。
实施例15.根据实施例1-14所述的监测方法，其中，来自所述监测区域内的散射光通过所述接收孔射入所述第一透镜组。
实施例16.根据实施例1-15所述的监测方法，其中，所述排气管为排气管；所述监测方法还包括：在a)所述光束接收端和/或所述光束发射端与b)所述排气管的壁之间提供2-5厘米的间 距。
实施例17.根据实施例1-16所述的监测方法，其中，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤，将所述激光发生器光学耦合至所述第二透镜组。
实施例18.根据实施例1-17所述的监测方法，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。
实施例19.根据实施例1-18所述的监测方法，其中，所述目标监测流体对发射光束产生散射的物质是颗粒物、SO 2、NO X。
实施例20.根据实施例1-19所述的监测方法，其中，所述目标监测流体是气体或者液体。
实施例21.一种监测设备，其中，可操作以执行根据实施例1-20所述的监测方法。
实施例22.一种应用了根据实施例1-21所述的监测方法制造的机动车、机动船、飞行器。
实施例23.一种监测方法，基于散射的监测方法，其中，
(1)在腔体外部提供光束发射端以发射光束，形成发射光路，发射光路进入到目标监测流体中；
(2)在腔体外部提供光束接收端以接收：经所述腔体内部的目标监测流体散射并通过光束接收孔的散射光线；
(3)在所述目标监测流体内部，利用所述发射光路与所述散射光线的重叠区域作为监测区域，监测所述目标监测流体；
(4)提供散射光束发射端、所述光束接收端、所述光束接收孔的相对位置，以使得所述监测区域靠近所述光束接收孔的一端距所述光束接收孔的平面距离，小于等于设定距离。
实施例24.根据实施例1-23所述的监测方法，其中，所述监测区域靠近接收端的一端，置于目标监测物质浓度降低的区域内。
实施例25.根据实施例1-24所述的监测方法，其中，所述监测区域靠近接收端的一端，置于浓度临界层低浓度一侧，距所述浓度临界层0-30mm。
实施例26.根据实施例1-25所述的监测方法，其中，所述监测区域起始位置设置在零界区域内。
实施例27.根据实施例1-26所述的监测方法，其中，在所述接收光路与所述发射光路之间提供[6° -20°]、[9° -12°]、[12° -17°]、90°邻域四者之中任一值的夹角。
实施例28.根据实施例1-27所述的监测方法，其中，所述光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一底座安装于排气管的外壁上；以及
靠近所述发射孔/所述接收孔的所述监测区域的第一端，相对于：i)所述发射孔，ii)所述接收孔，iii)所述光束接收端所对应的腔体内壁，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。
实施例29.根据实施例1-28所述的监测方法，其中，所述发射孔和所述接收孔开设于所述底座的前端，朝向所述排气管内部；所述底座贯通所述排气管的壁；以及
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30.根据实施例1-29所述的监测方法，其中，a)所述监测区域中最接近所述底座上的所述接收孔的第一端与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31.根据实施例1-30所述的监测方法，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。
实施例32.根据实施例1-31所述的监测方法，其中，所述光束接收端还设置有第一透镜组，所述光束发射端还设置有第二透镜组，所述第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴相交于所述排气管内部，并分别基本垂直于所述腔体的壁。
实施例33.根据实施例1-32所述的监测方法，其中，所述光束发射端还包括激光发生器或LED光源，所述激光发生器或LED光源发出的光线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34.根据实施例1-33所述的监测方法，其中，散射光线通过第一光纤传导至所述光束接收端，光束发射端发射的光束通过第二光纤与第二透镜组进入监测区域，所述第二光纤与第二透镜组光学耦合；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。
实施例35.根据实施例1-34所述的监测方法，其中，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。
实施例36.根据实施例1-35所述的监测方法，其中，所述腔体为排气管；所述底座连接于所述排气管外部并贯通所述排气管的壁，所述接收孔开设于所述底座前端，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37.根据实施例1-36所述的监测方法，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；以及
a)所述接收孔与所述第二透镜组的距离或者b)所述接收孔后空腔长度为：2-6厘米，或者3厘米。
实施例38.根据实施例1-37所述的监测方法，其中，来自所述监测区域内的散射光线通过所述接收孔射入所述第一透镜组。
实施例39.根据实施例1-38所述的监测方法，其中，在a)所述光束接收端和/或所述光束发射端与b)所述排气管壁之间提供2-5厘米的间距。
实施例40.根据实施例1-39所述的监测方法，其中，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤，将所述激光发生器光学耦合至所述第二透镜组。
实施例41.根据实施例1-40所述的监测方法，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。
实施例42.根据实施例1-41所述的监测方法，其中，所述目标监测流体对发射光束产生散射的物质是颗粒物、SO 2、NO X。
实施例43.根据实施例1-42所述的监测方法，其中，所述目标监测流体是气体或者液体。
实施例44.一种监测设备，其中，应用根据实施例1-43所述的监测方法。
实施例45.一种应用了根据实施例1-44所述的监测方法制造的机动车、机动船、飞行器。
在另外一些实施例中，通过合理地设置光束发射端与光束接收端的方位，调整照射目标监测流体的光束与观测区域重叠的区域，使得该a)重叠的区域与b)光束发射端和/或光束接收端(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重叠的区域的光线的影响，或者对2)来自上述重叠的区域的后向散射、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是环境监测设备基础结构示意图
图2是改进的结构示意图
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是监测设备布置在具有DOC、SCR、DPF的排放装置上的示意图
图26是监测设备布置在具有LNT、SCR、DPF的排放装置上的示意图
图27是监测设备布置在具有DOC、SCR的排放装置上的示意图
图28是监测设备布置在具有DOC、POC的排放装置上的示意图
图29是具有外部气源空气喷嘴的监测设备示意图
图30是具有气流导引装置除尘的监测设备示意图
图31是具有静电抑尘装置的监测设备示意图
图32是导流结构与其引导的流体流动区域边缘示意图
图33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34是浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图
图35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36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37是腔体中浓度变化曲线、浓度变化率绝对值曲线示意图
图38是监测设备倾斜安装示意图
图39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40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-环境监测设备；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；910-放电尖端；920-绝缘结构；930-静电网。
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，本监测方法应用到了光束接收端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，在环境监测设备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，本方法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环境监测设备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，应用了光束接收端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是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，应用该方法还可以实现将环境监测设备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，应用了光束接收端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，应用了包括光束接收端300、光束发射端 200、底座100的监测设备，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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100的监测设备50，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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100的监测设备50，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，应用了环境监测系统720，环境监测系统720包括环境监测设备50、主控模块600、通讯模块、OBD模块620，环境监测设备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630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，为环境监测设备50、通讯模块630、OBD模块620供电，并控制和处理环境监测设备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，如开启关闭环境监测设备50、调整环境监测设备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。环境监测设备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，应用了光束接收端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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400的环境监测设备50，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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400 的环境监测设备50，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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400的环境监测设备50，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，应用了包括光束接收端300、光束发射端200、底座100、腔体400的环境监测设备50，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，应用了光束接收端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°，特别是7°、8°、9°、10°、11°的夹角。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，应用了光束接收端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，应用了光束接收端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，应用了光束接收端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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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。
Figure PCTCN2021105316-appb-000001
实施例12
在本发明的一个实施例中，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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。
Figure PCTCN2021105316-appb-000002
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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，用于固定和定位环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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。
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。
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
在本发明的一个实施例中，应用了环境监测设备50，环境监测设备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
在本发明的一个实施例中，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，应用了环境监测设备50，环境监测设备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，与管壁的距离范围是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
在本发明的一个实施例中，应用了环境监测设备50，环境监测设备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。
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，可以应用于机动车尾气监测场景中。应用本实施例方法的环境监 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。
汽车电源系统为环境监测设备50供电，环境监测设备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。环境监测设备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，应用本实施例方法的环境监测设备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。环境监测设备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，应用了光束发射端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，应用本实施例方法的环境监测设备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，应用本实施例方法的环境监测设备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
Figure PCTCN2021105316-appb-000003
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)。
实施例35
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，如图22所示。在没有加装导流结构的监测设备上，监测区域靠近接收孔310位置的气体比较稳定，因此监测区域起始点应当设置子在气流比较稳定的区域内。当监测设备加装导流结构等其他装置后，这些装置会对接收孔310附近的气流造成影响，因此在具备导流结构等的监测设备的监测区域，可以进行适当调整，使得监测区域的起始点位于加装导流结构后气流仍然稳定的区域内，以保证测量的准确性。
实施例36
本发明的一个实施例中，可以通过功率检测、功率控制电路、温度检测的手段，使得光束发射端200的发射功率稳定，或者使得光束接收端300的接收功率稳定。
在监测设备中设置光束发射端200功率检测装置和功率控制电路，功率检测装置可以检测光束发射端200发射功率，当检测到光束发射端200功率偏离设定值时，通过功率控制电路对光束发射端200进行功率补偿，使得光束发射端200的发射功率稳定。
在监测设备中设置光束接收端300功率检测装置和功率控制电路，功率检测装置可以检测光束接收端300接收到的散射光功率，当检测到光束接收端300接收到的功率偏离设定值时，通过功率控制电路对光束发射端200进行功率补偿，使得光束接收端300接收到的功率稳定。
在监测设备中设置温度检测装置、功率控制电路，温度检测装置可以监测元件的温度，光束发射端200的发射功率会随着温度的升高而有所下降，通过监测到的温度参数，运用功率控制电路对光束发射端200的发射功率进行补偿，使得光束发射端200的发射功率在温度变化的情况下也可以保持稳定。
实施例37
本发明的一个实施例中，提供了一种应用于机动车的尾气监测的方法，在实施本实施例的方法中应用到了环境监测系统720、排气系统，本尾气监测方法还可以在驾驶室设置用于反馈环境监测系统720运行状态的显示设备。
环境监测系统720包括环境监测设备50、主控模块600、通讯模块630、OBD模块620，如图10至图12所示。环境监测设备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。
环境监测设备50端集成于排气系统上，排气系统包括：SCR(选择性催化还原系统)、DPF(颗粒物捕集器)、DOC(氧化型催化转化器)。环境监测设备50可以位于DPF后端；在没有DPF的排气系统中，环境监测设备50可以位于SCR后端，如图25-图28所示。
实施例38
本发明的一个实施例中，提供了一种应用于船舶的尾气监测方法，在实施本实施例的方法中应用到了环境监测系统720、排气系统，本尾气监测方法还可以在驾驶室设置用于反馈环境监测系统720运行状态的显示设备。
环境监测系统720包括环境监测设备50、主控模块600、通讯模块630、OBD模块620，环境监测设备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。环境监测设备50端集成于排气系统后端；如果船舶的排气系统设有SCR系统，环境监测设备50可以位于SCR后端。
实施例39
本发明的一个实施例中，提供了一种应用于航空器的尾气监测方法，在实施本实施例中应用到了环境监测系统720、排气系统，本尾气监测方法还可以在驾驶舱设置用于反馈环境监测系统720运行状态的显示设备。
环境监测系统720包括环境监测设备50、主控模块600、通讯模块630、OBD模块620，环境监测设备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。
环境监测设备50端集成于发动机的排气系统上，采集的尾气数据可以反馈发动机的运行状态。
实施例40
本发明的一个实施例中，提供了一种环境监测系统720的数据传输与管理方法。环境监测系统720可以将监测到的数据实时上传至数据平台710。数据平台710对监测数据进行存储和分析。数据平台710可以对监测数据进行统计、排名等运算，同时基于监测数据还可以进行排放量的统计、空气污染的测算与预测。
当环境监测系统720的位置处于无线信号无法满足要求进行上传的情况下时，如在隧道中、地下车库时，环境，环境监测系统720可以将该段时间的监测数据在本地进行暂存，待无线信号恢复后再进行上传。环境监测系统720还可以将监测到的数据进行打包或处理，每隔1秒、5秒、10秒等时间间隔后，将打包或处理的数据进行上传。数据处理的方法可以有均值法、中值等。均值法：将监测数据的平均值作为结果。中值法：对数据进行排序，取排序的中间值作为结果。
实施例41
在本发明的一个实施例中，提供了一种通过尾气废热烧蚀减少环境监测设备50积灰的方法。环境监测设备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内部的发射光通路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。
环境监测设备50安装于发动机尾气排放装置上，尾气排放装置通常是排气筒。部分尾气排放装置还有DPF模块，DPF进行再生过程中会产生大量的热量，利用热量对DPF内部的积碳进行烧蚀，排气温度通常可以达到250-400℃。在尾气排放装置内部，设置集热装置，该集热装置可以收集、传导尾气排放装置的DPF进行再生时候产生的热量。集热装置将收集到的热量传导至环境监测设备50的底座100，加热底座100烧蚀到底座100积累的灰尘，保证监测数据的准确。
实施例42
本发明的一个实施例中，提供了一种环境监测设备50减少积灰的方法。环境监测设备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。环境监测设备50安装于尾气排放装置上，尾气排放装置通常是排气筒。在尾气排放装置内部布置气流喷嘴，气流喷嘴的气流方向倾斜的朝向底座100的发射孔240和接收孔310位置，气流喷嘴可以喷出高压气体将积累到发射孔240、接收孔310的尾气灰尘吹扫清除，延长环境监测设备50的使用寿命。气流喷嘴的气体来源可以来自于汽车自带的压缩空气，还可以是加装的气泵装置，如图29所示。
实施例43
本发明的一个实施例中，提供了一种环境监测设备50减少积灰的方法。环境监测设备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。环境监测设备50安装于尾气排放装置上，尾气排放装置通常是排气筒。在尾气排放装置内部布置气流导引装置810，气流导引装置810利用发动机排气流速，将发动机的排气加速并导引至底座100的发射孔240和接收孔310位置，气流导引装置810导引过来的高速气流将积累到发射孔240、接收孔310的尾气灰尘吹扫清除，延长环境监测设备50的使用寿命，如图30所示。
实施例44
本发明的一个实施例中，提供了一种使用多个发射端的环境监测方法，方法使用了光束接收端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。环境监测设备50可以包括多个发射端，如双发射端、三发射端、更多的发射端，双发射端如图23所示。每个发射端向观测区中发射光束，在观测区域中形成多个监测区域。多个发射端可以在观测区中形成更多的监测区域，覆盖更全面，监测结果更加准确。双发射端、三发射端可以围绕环境监测设备50的中轴对称布置，也可以更多的方式非对称布置。本实施例中的发射端所发射出的光线波长为相同的波长。
实施例45
本发明的一个实施例中，提供了一种使用多个发射端的环境监测方法。方法使用了光束接收端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。环境监测设备50可以包括多个发射端，如双发射端、三发射端、更多的发射端。每个发射端向观测区中发射光束，在观测区域中形成多个监测区域。多个发射端可以在观测区中形成更多的监测区域，覆盖更全面，监测结果更加准确。双发射端、三发射端可以围绕环境监测设备50的中轴对称布置，也可以更多的方式非对称布置。本实施例中的发射端所发射出的光线波长可以是不相同的。不同波长，对颗粒物粒径的响应不同，可以测量更广范围的颗粒物粒径。由于颗粒物对光的散射能力与粒径有关，其粒径与光的波长越接近，散射能力就越强，目前自然界当中可见光的波长在300-700nm之间，与PM2.5的粒径比较接近。
柴油机的颗粒物范围，与对应的光束波长表
颗粒物分类 粒径范围 质量占比 对应测量波长
蓝烟 0.4um 1％-5％ ＜400nm
白烟 1.3um 95％ ＜1000nm
黑烟 4-10um 1％-5％ ＜4000nm
发射端的波长可以择低于或接近颗粒物粒径，如发射端1的波长＜400nm，如发射端2的波长＜1000nm，如发射端3的波长＜4000nm。
实施例46
本发明的一个实施例中，提供了一种使用双发射端的环境监测方法。方法中应用了光束接收端300，两个光束发射端200(发射端A、发射端B)，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。每个光束发射端200会发射出不同的波长。双发射端不同波长如图24所示。
双发射端的环境监测设备50需要根据气流的流速选定各发射端的发光频率，一般车辆在怠速情况下的尾气流速在0.15-1.5m/s之间，此时的烟团处于不均匀且不稳定状态，形态也容易发生 变化，故需要提高采样频率，此时发射端A与发射端B的采样间隔需要控制在1ms以内，测量2-3次即可。若车辆处于加载减速的状态下，排气管内的气流流速会达到100-200m/s，若需要让发射端A与B同时探测到相同的烟度，可以将频率间隔控制在1ns以内；同时在此流速区间会比怠速状态下烟度要相对均匀，PM2.5的分布也同样相对均匀，采样频率也可以延长至1ms-50ms。
实施例47
本发明的一个实施例中，提供了一种使用多个光路的环境监测方法。方法中应用了光束接收端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可以将发射端的光束分成两束或者多束，从多个角度照射进入观测区，从而形成多个监测区域，覆盖更全面，监测结果更加准确。将光束分成两束或者多束的方式可以是分光棱镜形式，或者多束光线的形式；光束照射至一个分光棱镜，棱镜将一束光线分为两束或者多束，或者光束照射至多股光线的一端，另外一端通过光线的分股，形成多束发射光。发射光照射进入观测区前，还可以经过光学准直透镜进行光学准直。
实施例48
在本发明的一个实施例中，提供了一种通过静电的方式减少环境监测设备50积灰的方法。环境监测设备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、放电尖端910，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。环境监测设备50安装于尾气排放装置上，尾气排放装置通常是排气筒。在高污环境中，监测设备发射孔240、接收孔310，底座100内部的发射光通路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。
放电尖端910呈多角星形或芒刺结构。放电尖端910与高压供电设备连接。底座100布有发射孔240、接收孔310的一端也与高压设备连接，环境监测设备50与尾气排放装置绝缘，底座100与放电尖端910具有同样的电荷，以排斥颗粒物，使得颗粒物不易附着。另外一种方式是底座100的发射孔240、接收孔310前端布置静电网930，静电网930与高压设备连接，静电网930与环境监测设备50或者尾气排放装置绝缘，绝缘可以通过绝缘结构920实现，如图31所示。放电尖端910、发射孔240、接收孔310同时具有相同的电荷，颗粒物经过放电尖端910后也带有了与发射孔240、接收孔310相同的电荷，因此不易附着于发射孔240、接收孔310表面，起到了减少积灰的效果。通常放点尖端、发射孔240、接收孔310可以带有负电荷。
实施例49
在本发明的一个实施例中，提供了利用环境监测设备50测量PN的方式。接收端接收到的散 射光信号的大小是与颗粒数目有关的量，称之为光学浓度。通过发射端进行脉冲式发光，测量时间段内的散射光光强信号，并对信号进行扫频积分处理，将扫频积分处理后的信号与相关的标准设备(可以输出PN值的设备)进行数据对标后，之后通过滤波以及数据标定就可以进行PN值的的输出。
实施例50
在本发明的一个实施例中，应用了环境监测设备50，环境监测设备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。
一种优选的防积灰设计方法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。导流结构引导流体，流体在经过导流结构时会形成流动区域边缘，如图32和图33所示。
导流结构可以装配在监测设备上，如图32；也可以与监测设备分离，如图33。导流结构与流体流向形成的夹角α，如图32所示，α的范围应当是0-90°，优选的角度是0-45°。一种优选的导流结构，导流结构末端为流线型，如图33所示。通过这样的角度设置，可以有效的减少颗粒物在监测设备底座100、发射孔240、接收孔310等位置的沉积。
在装备了导流结构的监测设备中，监测区域的第一端位可以置于由气流导流结构导致的浓度降低的区域，或由气流导流结构导致的浓度临界层的低浓度一侧。
本发明所涉及的一个实施例，是通过监测设备倾斜安装的方式，监测设备用于倾斜安装的前端固定件，可同时作为倾斜的导流结构，引导气流不冲击底座、发射孔、接收孔，从而减少灰尘的积累。前端的固定件的倾斜角度可以是0-90°，优选的角度是0-45°。
实施例51
在本发明的一个实施例中，提供了一种浓度临界层的确定方法。腔体中的目标监测流体在流动过程中，目标监测物质在腔体中浓度(目标监测物质的浓度用c表示)水平的分布将会如图37中f(L)曲线所示，c＝f(L)，目标监测物质的浓度会随着与腔体壁距离的变小而变小，在远离腔体壁位置的目标监测物质的浓度是比较均匀的。对f(L)求导，得到f’(L),其代表浓度的变化率，f’(L)的绝对值的最大值所对应横轴的位置就是浓度变化最大的位置，该处也是浓度临界层的位置。
如图34所示，目标监测物质在观测区域轴线(水平虚线)的浓度分布会以f(L)曲线的形式分布。越接近腔体中心位置的目标监测物质的浓度越高，越接近侧壁、监测设备的底座，目标监测物质的浓度越低。f(L)的曲线图中，纵轴坐标是c，横轴坐标是L，其中L表示观测区域轴线距离底座发射孔的距离。对曲线f(L)求导，即得到f’(L),f’(L)的含义表示浓度(c)在观测区域轴线上的变化率。曲线f’(L)最大值所对应的L处，即为浓度(c)变化率最大处，即为观测区域轴线上的浓度临界层位置。
图35所示，当监测设备前端具备导流设计时，如设计了气流挡片，则相应的浓度变化率最大的位置相比于没有导流设计时，距离底座发射孔更远，浓度临界层位置更远离底座。图36所示的是，f(L)在相对于监测设备另一侧的管壁附近，其浓度值也会下降变小。在不同流速的情况下，浓度临界层的位置也会发生变化。因此优选的观测区域起始点是一个范围。
实施例52
在本发明的一个实施例中，环境监测设备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倾斜安装可以降低对安装空间的需求，更利于设备小型化。倾斜安装的角度可以是0-90°，优选的是0-45°。
实施例53
本发明的一个实施例所涉及的一个优选技术方案，如图39和图40，显示的是所述监测区域靠近接收端的一端，置于了流体流动区域边缘，距目标监测物质浓度降低10mm处的位置。所述监测区域靠近接收端的一端，还可以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内的空间。。
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 (45)

  1. 一种监测方法，基于散射的监测方法，其特征在于，
    (1)通过腔体外部的光束发射端发射光束以形成发射光路，该发射光路进入到所述腔体内部的目标监测流体中；
    (2)通过所述腔体外部的光束接收端接收：由监测区域内的所述目标监测流体散射，并经由接收光路而传播的光线；
    所述光束接收孔的面积设置为2-4平方毫米，所述光束接收孔的形状为圆形、椭圆或正多边形、狭长形、扁平跑道形、类凸透镜截面形的一种；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。
  2. 如权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域靠近接收端的一端，置于流体流动区域边缘目标监测物质浓度降低的区域内，或置于流体流动区域边缘目标监测物质浓度降低区域边界10mm内。
  3. 如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域靠近接收端的一端，置于浓度临界层低浓度一侧并距所述浓度临界层0-10mm。
  4. 如权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域起始位置设置在零界区域内。
  5. 如权利要求3所述的监测方法，其特征在于，还包括步骤：在所述接收光路与所述发射光路之间提供[6°-20°]、[9°-12°]、[12°-17°]、90°邻域四者之中任一值的夹角。
  6. 如权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述腔体为排气管；a)所述监测区域中最接近所述接收孔的第一端与b)所述监测区域中最远离所述接收孔的第二端，之间的间距或该间距在所述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。
  7. 如权利要求6所述的监测方法，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所述接收光路的轴线上的投影距离为：所述排气管管径的0.1-0.9倍、0.2-0.8倍、0.3-0.7倍、0.4倍或者5cm-7cm。
  8. 如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一底座安装于所述排气管的壁上并贯通所述排气管的壁，所述光束接收端还包括第一透镜组。
  9. 如权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述光束发射端还包括第二透镜组，所述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。
  10. 如权利要求9所述的监测方法，其特征在于，所述光束发射端还包括激光发生器或LED光源，所述激光发生器或LED光源被配置为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a)向所述排气管内开放的光束接收孔、b)位于所述排气管之外的光束接收孔道、c)所述第一透镜组，接收来自所述监测区域的散射光线。
  11. 如权利要求10所述的监测方法，其特征在于，所述散射光线通过第一光纤传导至所述光束接收端，光束发射端发射的光束通过第二光纤与第二透镜组进入所述监测区域，第二光纤与第二透镜组光学耦合；所述发射孔和接收孔开设于所述底座的前端，朝向所述排气管之内，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方向依次光学耦合。
  12. 如权利要求11所述的监测方法，其特征在于，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。
  13. 如权利要求1-12所述的监测方法，其特征在于，所述接收孔的面积为0.5mm 2-20mm 2。
  14. 如权利要求1-12所述的监测方法，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一透镜组的距离是3厘米/所述接收孔后空腔长度是3厘米。
  15. 如权利要求1-12所述的监测方法，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射入所述第一透镜组。
  16. 如权利要求1-12所述的监测方法，其特征在于，所述排气管为排气管；所述监测方法还包括：在a)所述光束接收端和/或所述光束发射端与b)所述排气管的壁之间提供2-5厘米的间距。
  17. 如权利要求1-12所述的监测方法，其特征在于，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤，将所述激光发生器光学耦合至所述第二透镜组。
  18. 如权利要求1-12所述的监测方法，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。
  19. 如权利要求1-12所述的监测方法，其特征在于，所述目标监测流体对发射光束产生散射的物质是颗粒物、SO 2、NO X。
  20. 如权利要求1-12所述的监测方法，其特征在于，所述目标监测流体是气体或者液体。
  21. 一种监测设备，其特征在于，可操作以执行如权利要求1-20所述的监测方法。
  22. 一种应用了如权利要求1-20所述的监测方法制造的机动车、机动船、飞行器。
  23. 一种监测方法，基于散射的监测方法，其特征在于，
    (1)在腔体外部提供光束发射端以发射光束，形成发射光路，发射光路进入到目标监测流体中；
    (2)在腔体外部提供光束接收端以接收：经所述腔体内部的目标监测流体散射并通过光束接收孔的散射光线；
    (3)在所述目标监测流体内部，利用所述发射光路与所述散射光线的重叠区域作为监测区域，监测所述目标监测流体；
    (4)提供散射光束发射端、所述光束接收端、所述光束接收孔的相对位置，以使得所述监测区域靠近所述光束接收孔的一端距所述光束接收孔的平面距离，小于等于设定距离。
  24. 如权利要求23所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域靠近接收端的一端，置于流体流动区域边缘目标监测物质浓度降低的区域内，或置于流体流动区域边缘目标监测物质浓度降低区域边界10mm内。
  25. 如权利要求24所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域靠近接收端的一端，置于浓度临界层低浓度一侧，距所述浓度临界层0-10mm。
  26. 如权利要求24所述的监测方法，其特征在于，所述监测区域起始位置设置在零界区域内。
  27. 如权利要求25所述的监测方法，其特征在于，在所述接收光路与所述发射光路之间提供[6°-20°]、[9°-12°]、[12°-17°]、90°邻域四者之中任一值的夹角。
  28. 如权利要求27所述的监测方法，其特征在于，所述光束发射端、光束接收端集成于一外壳内，并通过一底座安装于排气管的外壁上；以及
    靠近所述发射孔/所述接收孔的所述监测区域的第一端，相对于：i)所述发射孔，ii)所述接收孔，iii)所述光束接收端所对应的腔体内壁，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。
  29. 如权利要求28所述的监测方法，其特征在于，所述发射孔和所述接收孔开设于所述底座的前端，朝向所述排气管内部；所述底座贯通所述排气管的壁；以及
    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。
  30. 如权利要求26所述的监测方法，其特征在于，a)所述监测区域中最接近所述底座上的所述接收孔的第一端与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。
  31. 如权利要求30所述的监测方法，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。
  32. 如权利要求31所述的监测方法，其特征在于，所述光束接收端还设置有第一透镜组，所述光束发射端还设置有第二透镜组，所述第一透镜组的光轴与所述第二透镜组的光轴相交于所述排气管内部，并分别基本垂直于所述腔体的壁。
  33. 如权利要求32所述的监测方法，其特征在于，所述光束发射端还包括激光发生器或LED光源，所述激光发生器或LED光源发出的光线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。
  34. 如权利要求33所述的监测方法，其特征在于，散射光线通过第一光纤传导至所述光束接收端，光束发射端发射的光束通过第二光纤与第二透镜组进入监测区域，所述第二光纤与第二透镜组光学耦合；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。
  35. 如权利要求34所述的监测方法，其特征在于，所述发射光路与所述接收光路夹角小于180度。
  36. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，所述腔体为排气管；所述底座连接于所述排气管外部并贯通所述排气管的壁，所述接收孔开设于所述底座前端，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。
  37. 如权利要求23-35所述的监测方法，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；以及
    a)所述接收孔与所述第二透镜组的距离或者b)所述接收孔后空腔长度为：2-6厘米，或者3厘米。
  38. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，来自所述监测区域内的散射光线通过所述接收孔射入所述第一透镜组。
  39. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，在a)所述光束接收端和/或所述光束发射端与b)所述排气管壁之间提供2-5厘米的间距。
  40. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，通过非球面透镜、光纤、耐高温传能光纤，将所述激光发生器光学耦合至所述第二透镜组。
  41. 如权利要求23-35所述的监测方法，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。
  42. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，所述目标监测流体对发射光束产生散射的物质是颗粒物、SO 2、NO X。
  43. 如权利要求23-35所述的监测方法，其特征在于，所述目标监测流体是气体或者液体。
  44. 一种监测设备，其特征在于，应用如权利要求23-43所述的监测方法。
  45. 一种应用了如权利要求23-43所述的监测方法制造的机动车、机动船、飞行器。
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