光散射法用于空气颗粒物浓度的检测

胡光夏

（武汉职业技术学院，湖北 武汉 430074）

空气颗粒物是影响环境的主要因素之一,尤其是还使用煤取暖的地区,燃烧所排放颗粒物成为污染环境的主要因素之一,空气中的颗粒物在空气中经常按照不同的规律进行组合排列。在公共场所空气颗粒物浓度的检测,传统的检测方法主要是重量法,但是由于重量法的检测周期性长,因此在测量过程中很少使用重量法,对于国外生产的测量仪器,主要包括:压电天平法、光散射法等多种方法,为了研究其空气颗粒物浓度,研究其相关方法的准确性,我们利用光散射法原理研究空气颗粒物的测量浓度。光散射法具有精度高、在线测试和安全性高等优点。在空气颗粒物检测过程中的应用越来越频繁。20世纪80年代以后,我国的光散技术也得到了快速发展,研究出一系列的气溶胶质量浓度测试仪,在工业中加以使用、主要实施实时检测、质量检测等多方面领域,但是我国的检测方面精准度相对较少,因此本文关于光散射法空气颗粒物浓度检测具有实际意义。

1 空气颗粒物浓度及测试分类

针对空气中大粒径颗粒相对浓度的测量是基于光散射法进行的。光散射法具有精度高、在线测试和安全性高等优点。在空气颗粒物检测过程中的应用越来越频繁。空气颗粒物分为一级污染物和二级污染物,一次污染物直接在空气中反应,二级污染物颗粒比一级污染物颗粒小,由于空气中的一些气体污染物会与小粒径污染物发生化学反应，同时也是因为这样的变化,才对空气颗粒物进行分类。空气中的颗粒污染物危害了人类的身体健康，对于呼吸环境、天气等也存在影响。因此我们在研究空气颗粒物时,主要分析颗粒物再空气中所占的比例，颗粒物的相对质量和颗粒物的粒径大小。

2 利用光散射法对空气中颗粒物浓度检测的方法

空气颗粒物浓度的大小对于人们的生活有着十分重要的影响，本文应用光散射法研究空气检测浓度。

2.1 光散射法式粒子计数器

在研究空气颗粒物时,主要分析空气浓度、质量浓度和相对质量浓度。光散射式例子计数器主要是光照射浮粒子,球形粒子引起的光射度,得不到相应粒子的浓度检测,但是光射散射法可以直接得到相应的测量数据,对于空气中浓度较高的颗粒物,则计数器会不断扩大。

2.2 光散射法检测空气颗粒物浓度的硬件设计

检测系统的硬件主要由基于颗粒物传感器的信号采集模块、E射线ARMll38控制单元、GPRS组成，光散射法主要利用光电完成数据的收集工作，对于空气中的颗粒物进行存储和计算其浓度。当信号采集模块采集到的浓度信号持续超标时，系统会以语音报警的形式对超标信号进行警报，同时将信号发送给主芯片进行污染程度分析，随后将分析结果以污染度分级或污染趋势的方式作为预警信息内容发送给监测人员，以此大大提高检测系统的实时性和易操作性。

（1）信号采集模块。以发光二极管为信号发射单元，以光敏二极管作为光电信号转换单元，以信号调解器作为信处理单元，联合构成信号采集系统。本系统拟采用波长为785μm的发光二极管作为光源，其功率为100mW。波长为785μm的特点在：对空气中的颗粒物具有较高的分辨率。光敏二极管的作用是将光源发射的光通过颗粒物或人体散射后的光信号转换为相应的电信号。一旦空气中颗粒物粒径较小或颗粒物浓度极低时，光源发射的光直接照射在光敏二极管上，二极管不输出电信号，inc因此导致空气中存在大量的颗粒物。颗粒物质就会通过。通过光学敏感部位以较低的速度流入空气中,激光光源发射的激光将产生一定的散射和透射。当传感器检测到空气环境质量时，则可以感受到空气颗粒物的信号，因此也使得光散趋于平缓。由于空气中颗粒物的直径直接影响散射光的强度，导致光敏二极管的输出电信号脉冲峰值与颗粒物直接存在一一对应关系。当光敏二极管工作结束，不再发射光电转换时，输出电流较小，此时对于空气中直接为微米的颗粒物具有攻击性放大和阻抗匹配。光电传感器的基本构件是光敏二极管,它将经过颗粒物散射或折射后的光信号转换为电信号。信号调制器的构成主要基于C-V（电流-电压）转换器、滤波电路、调制电路和积分电路。

（2）外部结构。颗粒物检测系统的外部结构主要由温湿度传感器、处理器、数据显示单元、报警模块和单片机组成。本文拟选用用SHTll型温湿度传感器。SHTll是一种包含温度传感器、湿度传感器、信号集成单元、数模转换单元以及加热单元的高集成度传感器，其体积小，测量精度高。由于选用SD2405CLK电子芯片，SHTll传感器还具有实时性高的优点。其原因是SD2405时钟芯片采用12c标准协议，协议通用性好，处理速度较快。12C标准协议支持100kHz标准处理频率和400kHz的快速处理频率，可以用来缓存采集系统采集的颗粒物浓度数据和处理系统处理出的污染程度报警信号。为了增大信号采集速度，首先选用sRAM类芯片cA-like c256作为数据存储器以加快芯片的读写能力及实时控制能力；其次，采用256I(b)串行CMOSE2PROM为通道，提高处理速度。采用wI.A56液晶显示屏作为显示单元，此显示屏为彩色可控制显示屏，主要用于实时显示已检测的颗粒物浓度、空气温湿度、污染程度等数据。报警单元由单片机、语音芯片或蜂鸣器构成。单片机选用ISD4003芯片，此芯片音质较高，体积较小，可设置播放时间为4～8分钟。

（3）GPRS无线通信模块。为了增加系统的便携性，本系统采用无线通信方式。无线通信协议选用广泛应用的GPRS协议，通信系统主机功能为一旦大气中颗粒物浓度超标，便携模快会通过串口将警报信号利用无线通信系统发送给主机。操作较为便捷，易于培训。

（4）系统供电模块。系统供电模块均选用可多种方式输出的支流稳压电源实现。系统的供电电压主要分为±12V、±5V、3.3V和3V几种，为了使系统工作稳定，供电电源要求输出电压误差率较小。同时考虑到系统内交叉存在数字电信号和模拟电信号，为了尽量减小不同性质电信号间的噪声干扰，两部分采用单独供电的形式。在PCB板的制作过程中应注意仅选择电源处共地。

2.3 光散射法检测空气颗粒物的软件设计

系统的软件设计主要为了实现数据采集、信号传输信号转换、颗粒物浓度计算、污染程度分析、数据存储、数据显示和处罚报警等功能。为了测量结果准确颗粒物浓度超标须持续一段时间后才进行污染报警，以避免由环境背景、温度漂移、电路噪声等系统误差造成的误报警。因此在软件设计使，应考虑将数据采集单元采集到的数据设定阈值并对采集到的数据取均值，从而减小数据的奇异点对数据分析产生的影响，同时可以降低由系统误差造成的误触发。对系统的实际测量数据进行分析可以看出，本系统的实际测量结果与DustTrakⅡ中的相关表述有一定的差别，主要表现为数据结果线性度较差，这一定程度上是取决于系统的稳定性和兼容性不足造成的。究其原因主要如下：一是发光二极管输出的光信号不稳定；二是环境中的温湿度对系统造成了影响；三是系统的频闭性较差，受内部及外部电磁干扰影响较大。为此在设计软件系统时加入了信号处理单元，对采样数据进行傅里叶滤波并加入了采样阈值。

3 结语

随着自动化及信息技术的迅速发展, 该系统不仅在极端的环境下能去除环境干扰，且测量结果中剔除了环境噪声，较为准确。同时能够实时对环境颗粒物浓度进行检测，便携性高，成本较低；对我国大多数环境适应性较强，能够弥补现行设备测量不准确的缺点，对改善我国大气污染具有十分积极的作用。因此研究空气颗粒物浓度有着重要意义。