气溶胶质量浓度光学检测装置及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气溶胶质量浓度测量和信号补偿处理技术领域，尤其涉及一种气溶胶 质量浓度光学检测装置，气溶胶质量浓度光学检测方法以及基于最小二乘曲面拟合的偏干 气溶胶质量浓度修正方法。
【背景技术】
[0002] 气溶胶是指大气与悬浮于其中的固体和液体微粒所组成的多相体系，其中的粒子 为气溶胶粒子。气溶胶粒子浓度直接影响着环境空气质量。尽管气溶胶只是地球大气成分 中含量很少的组分，但其对生物圈的影响与作用不可低估。气溶胶化学成分复杂，其颗粒物 可以作为大气中反应表面或催化剂，以及很多气相物质的接受体。大气气溶胶负载的化学 物质，特别是工业污染物在风系的作用下，可进行几百至几千千米的长距离传输，大气污染 影响是不分国界和地区，是全球性问题，其对人类生存环境的严重危害已日益加剧。大气输 入物质对海洋的生物地球化学循环、大气环境、冰雪化学组成、海底沉积和气候演变等具有 重要的影响。从全球变化角度看，大气污染物通过大气的大尺度传输，改变了全球大气化学 物质的含量、结构和组成，破坏了全球的辐射平衡，进而可能对全球气候变化造成影响。因 此对气溶胶污染的实时监测刻不容缓。
[0003] 目前气溶胶质量浓度的检测方法有多种，其中弹性光散射测量法具有速度快、灵 敏度高等特点，是监测大气气溶胶粒子浓度的主要方法之一:气体中的粒子在光的照射下 会发生散射，散射光强度和粒子大小有一个基本规律，就是微粒散射光的强度随微粒的表 面积的增加而增大。这样只要测定散射光的强度就可推知粒子的大小。尽管如此，一方面， 基于光散射法的气溶胶测量仪量程单一，测量具有一定的局限性，测量多量程需要更换仪 器测量非常不便且增加了成本。即使有的产品量程较宽，但是整个范围的测量精度偏低。另 一方面，光散射法容易受到环境湿度的影响，当测量环境的相对湿度超过60% (影响阈值）， 气溶胶粒子表面会凝聚水分子，除了引起形貌变化之外，还会引起折射率发生显著变化，从 而导致光散射法测量产生较大误差，因此需要对湿度的影响进行处理。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种可以降低湿度对测量的干扰，提高测量 精度的气溶胶质量浓度光学检测装置及其检测方法。
[0005] 本发明采用以下技术方案：
[0006] 气溶胶质量浓度光学检测装置，包括光路模块、气路模块、信号处理模块和单片 机，光路模块、气路模块、信号处理模块分别和单片机连接，气路模块包括湿度传感器以及 依次连接的气流干燥机、进气口、气路通道、出气口和气栗，湿度传感器设有两个，分别设在 进气口内和气路通道内；光路模块包括激光光源和光路通道，光路通道一端和激光光源相 连，一端设在气路通道内部，信号处理模块包括光电探测器和信号处理电路，光电探测器垂 直置于气路通道和光路通道的相交处。
[0007] 本发明包括用于提供光束的光路模块(激光光源、光路通道）、用于引入被监空气 的气路模块(气栗、气流干燥机、湿度传感器、气路通道）、用于分析和处理信号的信号处理 模块(光电探测器、信号处理电路、集成接口），光路模块、气路模块和信号处理模块集成在 一个腔体内，通过湿度传感器实时监测气体湿度是否对光测量有影响，并通过干燥机干燥 气体避免湿度对测量的影响。
[0008] 作为优选，所述的单片机采用STM32F103芯片。
[0009] 作为优选，所述的湿度传感器采用型号为HN-L30的Chino湿度传感器。
[0010] 作为优选，所述的激光光源采用半导体激光器。体积小巧、功耗低、成本低。
[0011] 作为优选，所述的气栗采用叶片抽风风扇，提供负压使气体流过检测区域的装置。
[0012] 作为优选，所述的光电探测器采用PIN型光电二极管，响应速度较快，能将光信号 转换为电脉冲信号。
[0013] 作为优选，信号处理电路包括供电模块和散射光信号处理模块，供电模块为激光 光源和气栗供电，散射光信号处理模块对光电探测器输出的电脉冲信号进行电流-电压转 换以及电压放大，从而形成适当幅度的电压脉冲信号，用于后续送入单片机中分析和处理。
[0014] 作为优选，气路通道设有至少三个，相邻的气路通道之间设有可伸缩的遮光板。本 发明为了避免因量程问题导致需要更换仪器测量造成不便和增加成本，在原有的气路模块 侧面平行的放置更多的不同流量的气路模块，在测量不同地点的气溶胶浓度可以自由选择 打开一路气路通道使气流流进仪器，并在每个不同量程的气路通道里安装不同的光敏面来 反馈光散射后得到的电压幅度信息(散射光脉冲信号幅度分布），通过以上方法可以进一步 减小测量误差，而且使用同一个信号处理电路，成本较低。
[0015] 作为优选，气路通道设有三个，测量量程分别为l-10mg/m3、0.1-lmg/m 3和0.001_ 0. lmg/m3〇
[0016] 上述气溶胶质量浓度光学检测方法，包括以下步骤：
[0017] 第一步，打开气栗，将含被测粒子的气体从进气口抽入，经过湿度传感器检测是否 符合标准;进气口内的湿度传感器检测的气体湿度如果小于或等于设定的阈值，则符合标 准;如果大于设定的阈值，则用气流干燥机进行干燥处理，直至气体通道内的湿度传感器检 测的气体湿度小于或等于设定的阈值，则符合标准；
[0018] 第二步，湿度传感器检测的气体湿度符合标准后，打开激光光源，激光光源发出的 激光束通过光路通道进入光电探测器的光陷阱，含被测粒子的气体被激光束照射后发出散 射光脉冲，所述的散射光脉冲被光电探测器接收并转化为电脉冲信号发送到单片机；
[0019] 第三步，单片机利用电压脉冲信号幅度分布通过气溶胶质量浓度计算方程计算得 到气溶胶质量浓度的检测结果。
[0020] 作为优选，气溶胶质量浓度的计算公式为c = 其中，〇为气溶胶质量浓 度，m为本发明专利系统测量装置的脉冲信号的通道数，N(Vl)为测量气溶胶颗粒物的离散 电压脉冲信号幅度分布，Vl为幅度信息，k为比例系数，β为颗粒物形貌信息参数。
[0021] 本发明利用电压脉冲信号幅度分布和平均质量浓度的反演公式通过 ?=1 标定与测试实验确定待定系数来获得气溶胶质量浓度计算方程。上式的质量浓度反演公式 包含了各通道电压脉冲信号的个数信息N(Vl)和幅度信息Vl，使得被测颗粒物的散射光脉冲 信号幅度分布得到了充分的利用，并且还包含反映颗粒物形貌信息的参数β，因而可以实现 高精度气溶胶检测。
[0022] 作为优选，第三步中单片机利用拟合函数0?(!1，〇 =汽(^|(〇，!〇对偏干气溶胶质 量浓度进行实时补偿修正，所述拟合函数获得方法如下：
[0023] 步骤1:将气溶胶气体分为两份，第一份直接采用滤膜称重法测量，得到没有被干 燥的气溶胶的质量浓度CR作为标准的精确测量值;第二份采用气溶胶质量浓度光学检测装 置进行质量浓度测量，先测量气溶胶气体当前的湿度值Η，然后开启气流干燥机进行干燥， 得到湿度低于阈值时的气溶胶质量浓度
[0024] 步骤2:利用加湿器改变气溶胶的湿度，重复步骤1，记录获取各个湿度下的滤膜称 重法的测量结果CR(H)、气溶胶质量浓度光学检测装置的测量结果Οβ?以及湿度H，并将收集 到的浓度值(??和湿度值Η作为CR(H) = (C^|，H)的输入变量。
[0025] 步骤3:通过气溶胶发生器改变气溶胶的质量浓度，重复步骤1和步骤2，记录获取 不同浓度和各个湿度下的滤膜称重法的测量结果CR(H，C)，气溶胶质量浓度光学检测装置 的测量结果_(C)以及湿度Η，并将收集到的浓度值Cfls( C)和湿度值Η作为CR (Η，C) = ((?桌 (C)，H)的输入变量。
[0026] 步骤4:利用0?(!1，〇 = ((^|(〇，!1)曲面数据进行最小二乘曲面拟合，获得拟合函 数〇?汨，〇=以〇?|(〇，!0，利用该偏干气溶胶质量浓度修正函数进行实时补偿修正。
[0027] 本发明考虑到气流干燥机干燥带有水分的气流，虽然避免了由于气溶胶颗粒折射 率变化(表面过量的水分引起的)而带来的光散射测量误差，但同时由于干燥去除了气溶胶 表面的部分水分，这也会导致与实际情况有一定的偏干偏差，会低估气溶胶颗粒的质量浓 度，因此提供了上述基于最小二乘曲面拟合的偏干气溶胶质量浓度修正方法。
[0028] 本发明采用气体干燥机干燥被检气体，可以有效提高检测的准确度，避免湿度对 光散射发测量产生的影响。本发明装置具有多量程，消除湿度影响的特点，解决了成本过 高、检测不准确的问题，便于民用监测生活中的气溶胶浓度，便于大量生产。
【附图说明】
[0029]图1为本发明装置的流程示意图。
[0030]图2为湿度检测的流程图。
[0031]图3为本发明装置的结构示意图。
[0032]图4为偏干误差补偿曲线示意图。
[0033 ]图中各数字代表:1、湿度传感器;2、气流干燥机;3、光电探测器;4、激光光源;5、气 路通道;6、光路通道;7、气栗;8、遮光板;9、进气口； 10、出气口。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合附图对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。
[0035] 如图1~3所示，本发明的气溶胶质量浓度光学检测装置包括光路模块、气路模块、 信号处理模块和单片机，气流干燥机2、湿度传感器1分别和单片机相连，光电探测器3通过 信号处理电路和单片机相连。
[0036] 气路模块包括依次连接的气流干燥机2、进气口 9、气路通道5、出气口 10和气栗7。 气栗7用于驱动含有气溶胶粒子的气体经过湿度传感器1、气流干燥机2并将气体送入光路 通道6被检然后送出。湿度传感器1设有两个，分别设在进气口 9内和气路通道5内，二者设定 的阈值相同，只要其中一个湿度传感器1检测符合标准即可进行气溶胶检测。
[0037]本实施例气路通道5设有三个不同的量程选择:测量量程为l-10mg/m3的气路通道 A，测量量程为0.1-lmg/m3的气路通道B，测量量程为0.001-0. lmg/m3的气路通道C，且气路通 道A和气路通道B之间以及气路通道B和气路通道C之间设置了可伸缩的遮光板8。气路通道5 的量程不同，因此三个进气口 9的大小不同，一个进气口9对应一个气栗7用于驱动气体进入 被检光路通道6,且在不同量程的气路通道5里安装不同的光敏面来反馈光散射后得到的电 压幅度信息，即散射光脉冲信号幅度分布。本实施例三个通道共用气体干燥机2,有独立的 湿度传感器1来检测湿度情况;使用同一个光路模块和信号处理模块，