CN109470614A - 一种雾霾实时监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雾霾实时监测***，包括：第一平面镜反射光桶的一端设置有抽气电机，另一端设置有排气电机，用于对将外界的空气从第一平面镜反射光桶的一端输入，从另一端输出，使得第一平面镜反射光桶内的雾霾程度与外界的空气的雾霾程度一致，设置在另一端的探测装置的主探测器接收从一端的激光发射装置发射的红外激光束获得第一电信号；第二平面镜反射光桶与第一平面镜反射光桶的形状、尺寸相等，两端密封，在第二平面镜反射光桶的内部填充有经过预处理的纯净空气，另一端的探测装置的参考探测器接收从一端的激光发射装置发射的红外激光束获得第二电信号；微控制处理器接收并处理第一电信号、第二电信号后输出外界的空气对应的雾霾参数。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，特别是涉及一种雾霾实时监测装置。
背景技术
目前，虽然各种新能源如核能、风能、太阳能正在快速发展并逐步取代传统的化石能源，以减少对化石能源的以来，减缓温室效应，保证人们对于能源的需求得到满足。但是，化石能源从一开始就是人类使用能源的最主要来源，现在使用的比例虽然正在降低，但是使用的规模依旧非常巨大，化石能源的长期大量使用，如发电站、汽车尾气以及工厂排放的废气物等，都使得空气目前环境中雾霾情况不容乐观，并且情况正在不断恶化。
雾霾的主要成分是二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物，当空气中的湿度增大，雾霾中的可吸入颗粒物与雾气结合在一起，形成阴沉灰暗的天空。颗粒物的英文缩写为PM，通常雾霾检测中的PM2.5就是空气动力学中当量直径小于等于2.5微米的污染颗粒物。这种颗粒物本身就是一种污染物，又是许多工业产生的许多有毒化学物传播的载体。
现有的雾霾检测***对雾霾的程度进行测量时主要采用的还是称重法。通常情况下需要使用滤纸将一定流量的雾霾空气通过采集滤纸，后续还需要大量的工序完成雾霾颗粒的干燥称重等工作，在经过众多的工序之后不可避免的会造成因为雾霾颗粒沉积而造成的测量不准确的情况。与此同时，复杂的工序在时间上存在延时，无法实现对雾霾环境的实时监控。
另一种方法是β射线吸收法。测量雾霾程度时同样需要先使用滤纸对待测雾霾空气进行采样，采样的时间可以人为控制。之后通过在采样滤纸上照射一束β射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度与采样收集到的雾霾颗粒成正比，根据射线的衰减就可以计算出雾霾颗粒的质量，从而反映雾霾的程度。这种测量方法通常为单通道的测量，只有一个测量的通道，缺少与之补充的参考测量通道。在长期工作中，***的稳定性、可重复性受到一定的考验。
发明内容
本发明的目的是提供了一种雾霾实时监测***，实时精确检测空气中的雾霾情况，快速直观的反映出雾霾程度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种雾霾实时监测***，包括：
第一平面镜反射光桶，所述第一平面镜反射光桶的一端设置有抽气电机，另一端设置有排气电机，用于对将外界的空气从所述第一平面镜反射光桶的一端输入，从另一端输出，使得所述第一平面镜反射光桶内的雾霾程度与所述外界的空气的雾霾程度一致；
第二平面镜反射光桶，所述第二平面镜反射光桶与所述第一平面镜反射光桶的形状、尺寸相等，两端密封，在所述第二平面镜反射光桶的内部填充有经过预处理的纯净空气；
激光发射装置，所述激光发射装置包括设置在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的一端对应位置且数量相等的相同的激光器，用于在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的一端发射红外激光束并经过所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的反射到达另一端；
探测装置，所述探测装置包括设置在所述第一平面镜反射光桶的另一端的主探测器和设置在所述第二平面镜反射光桶的另一端与所述主探测器对应的参考探测器，用于接收所述激光器发射的经过雾霾衰减的红外激光束和接收经过所述预处理的纯净空气衰减的红外激光束并转换为第一电信号和第二电信号；
微控制处理器，所述微控制处理器与所述探测装置连接，用于接收并处理所述第一电信号、所述第二电信号后输出所述外界的空气对应的雾霾参数。
其中，还包括与所述微控制处理器、所述探测装置连接的差分放大器，用于对所述探测装置输出的所述第一电信号、所述第二电信号进行差分放大后输入到所述微控制处理器。
其中，还包括与所述微控制处理器连接的显示器，用于显示当前的所述外界的空气对应的雾霾数值。
其中，所述显示器为OLED显示器或液晶显示器。
其中，所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶为圆柱型平面镜反射光桶或棱柱型平面镜反射光桶。
其中，设置在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶左端的所述激光器的数量为多个且均匀分布。
其中，设置在所述第一平面镜反射光桶右端的所述主探测器与设置在所述第二平面镜反射光桶右端的所述参考探测器的数量相等且均匀分布。
其中，所述微控制处理器为STM32型单片机或51系列单片机。
本发明实施例所提供的雾霾实时监测***，与现有技术相比，具有以下优点：
所述雾霾实时监测***，通过在完全相同的第一平面镜反射光桶、第二平面镜反射光桶的一端设置激光发射装置的激光器，另一端设置探测装置的主探测器和参考探测器，通过对比的方式，第一平面镜反射光桶的一端设置抽气电机、另一端设置排气电机，使得第一平面镜反射光桶内的空气质量与外界相同，而第一平面镜反射光桶的两端密封，内部填充经过预处理的纯净空气，通过获得经过二者内部空气衰减的红外激光束并将其转换为第一电信号、第二电信号，并通过微控制处理器进行处理。由于当激光器产生的激光信号，受到雾霾中微小颗粒的散射作用，强度会发生衰减，根据经典的Lambert-Beer定律可以定量的描述激光信号在雾霾场中的衰减与消光测量距离之间的关系，可以获得当前的雾霾情况，由于采用电机进行空气的抽送，可以实时获得外界的空气质量情况，而且该***结构简单，温度漂移低、线性度好、可靠性和稳定性高，可以长期提供准确的雾霾浓度等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的雾霾实时监测***的一种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的雾霾实时监测***的一种具体实施方式的结构示意图。
在一种具体实施方式中，所述雾霾实时监测***，包括：
第一平面镜反射光桶10，所述第一平面镜反射光桶10的一端设置有抽气电机11，另一端设置有排气电机12，用于对将外界的空气从所述第一平面镜反射光桶10的一端输入，从另一端输出，使得所述第一平面镜反射光桶10内的雾霾程度与所述外界的空气的雾霾程度一致；
第二平面镜反射光桶20，所述第二平面镜反射光桶20与所述第一平面镜反射光桶10的形状、尺寸相等，两端密封，在所述第二平面镜反射光桶20的内部填充有经过预处理的纯净空气；
激光发射装置30，所述激光发射装置30包括设置在所述第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20的一端对应位置且数量相等的相同的激光器31，用于在所述第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20的一端发射红外激光束并经过所述第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20的反射到达另一端；
探测装置40，所述探测装置40包括设置在所述第一平面镜反射光桶10的另一端的主探测器41和设置在所述第二平面镜反射光桶20的另一端与所述主探测器41对应的参考探测器42，用于接收所述激光器31发射的经过雾霾衰减的红外激光束和接收经过所述预处理的纯净空气衰减的红外激光束并转换为第一电信号和第二电信号；
微控制处理器60，所述微控制处理器60与所述探测装置40连接，用于接收并处理所述第一电信号、所述第二电信号后输出所述外界的空气对应的雾霾参数。
本发明中的平面镜反射光桶：桶壁均是由平面镜构成，入射激光与反射激光之间的角度固定，通过调节入射角的大小可以实现两束激光同时汇聚在光电探测器上，多次反射的设计增加了测量光程，在使用中不会因为环境中雾霾程度较低从而导致激光衰减量较小。
本发明中的雾霾实时监测***，通过测量激光器31在不同的空气条件下发射的红外激光束进行衰减后获得光信号转换为电信号，由于采用的第一平面镜反射光桶10和第二平面镜反射光桶20中的光程是相等的，前者采用外界的空气，一般为雾霾空气，当激光器31产生的激光信号，受到雾霾中微小颗粒的散射作用，强度会发生衰减，根据经典的Lambert-Beer定律我们可以定量的描述激光信号在雾霾场中的衰减与消光测量距离之间的关系：
I＝Aexp(-KS)
上式中，A为入射的激光强度，I为探测器输出的电信号的大小，S为反射光桶中的总测量光程，K为消光系数，在同等检测条件下是一个定值，通过微控制处理器接收该电信号进行对比即可获得对应的空气质量，同时第一平面镜反射光桶10的空气采用抽气电机11和排气电机12进行空气抽送，使得检测的结果具有实时性，采用红外光束主要是因为雾霾中雾霾颗粒对波长较长的激光信号具有较强的散射作用制成的，使得衰减更为强烈，本领域技术人员也可以采用其它的波段的激光束信号，本发明对此不作限定。采用参量光路与参考光路相对照的方法来实现，有效地减少了雾霾检测过程中因为环境因素不同所造成的影响。设计可以实现线性度好，温度漂移低、稳定性高，可长期提供准确的雾霾浓度等特点。
本发明中的雾霾实时监测***，由于激光器31发射的激光束本身的功率较低，而且在进行传输中以及最后的探测器接收的过程中，有可能使得信号减弱的较快，对于实际的雾霾值的情况的测量准确度较低，为了进一步提高测量准确度，在本发明的一个实施例中，所述雾霾实时监测***还包括与所述微控制处理器、所述探测装置40连接的差分放大器50，用于对所述探测装置40输出的所述第一电信号、所述第二电信号进行差分放大后输入到所述微控制处理器。
通过对主探测器41与参考探测器42输出的第一电信号、第二电信号进行差分放大，大大增加了二者之间的差距，能够进一步提高测量的准确性，减少误差。
需要指出的是，本发明中并不局限于采用差分放大器50，也可以采用其它的放大器，而且对差分放大器50的类型以及放大倍数等不做具体限定，而且如果发现信号强度不能满足需要，还可以采用多级放大的方式实现，本发明对此不作具体限定。
本发明中对于实际获得的雾霾值情况如何向外输出以及以何种方式向外输出不做具体限定，可以采用短信的方式，在雾霾值超过一定范围后，间隔一端时间就像指定的用户发送，主要是因为雾霾会影响空气质量，使得人们的实现急速减少，可视距离有时候能够降低到百米以内，还可以以其它的方式，在本发明的一个实施例中，所述雾霾实时监测***还包括与所述微控制处理器连接的显示器，用于显示当前的所述外界的空气对应的雾霾数值。
通过采用显示器进行实时显示的方式播放实际雾霾值，可以采用每隔30s或者一分钟进行更新的方式，由于不同波长的光线在不同空气质量中对于人们的视觉感官不同，可以在雾霾值较低时采用绿色的颜色，在雾霾值较高的时候采用红色播放。
另外，还可以设计雾霾等级，并对应不同的颜色预警，用户直接根据获得的显示器的颜色获得当前的空气质量，在本发明中，还可以采用直接输出数值，如直接叔叔PM2.5数值的方式，或者输出对人们出行的危害等级，如一级、二级、严重、极度严重等，本发明对此不作具体限定。
本发明对于显示器的种类以及尺寸不做具体限定，显示器以及安装在户外，也可以安装在室内，如购物商行等，所述显示器70可以为OLED显示器，也可以为液晶显示器，或者其它的显示器。
本发明中是通过激光器31发出的光在第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20的内部进行反射形成光路实现光信号的传输，对于第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20的形状以及尺寸不做限定，所述第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20可以为圆柱型平面镜反射光桶，也可以为棱柱型平面镜反射光桶，或者其它形状的平面镜反射光桶。
另外，本发明还可以根据需要改变光程，如可以增加或减少入射角，改变实际的光程，改变红外激光束的衰减程度，获得需要的光信号，本发明对此不作限定，而该激光器31的入射角可以是固定的，也可以通过微控制处理器进行实时同步调节，本发明对此不作具体限定。
由于在实际的光路传输中，可能会由于温度、雾霾中的颗粒的散射的情况，使得光路可能发生一定的弯曲，而不是平直的，这样就有可能使得另一端无法接收到信号，或者是需要在不同的情况下，使用不同功率的激光器31发射光束，从而获得不同的信号，减少误差，因此在本发明的一个实施例中所述雾霾实时监测***中设置在所述第一平面镜反射光桶10、所述第二平面镜反射光桶20左端的所述激光器31的数量为多个且均匀分布。
通过均匀分布的多个激光器31同时或者按照一定的规律进行激光束的发射，使得避免了单一激光器31可能自身的工作异常可能带来的误差，而且还可以使得不同的激光器31采用不同的入射角，可以验证实际的雾霾值，减少误差，本发明对于激光器31的数量、类型不做限定，激光器31可以采用连续发射的方式，也可以采用脉冲的方式，本发明对此不作限定。
本发明中的激光器31，可以采用960nm波长的激光器31，也可以采用其它波长的激光器31。
同理，为了提高对于光信号的接收效率，在本发明的一个实施例中，所述雾霾实时监测***设置在所述第一平面镜反射光桶10右端的所述主探测器41与设置在所述第二平面镜反射光桶20右端的所述参考探测器42的数量相等且均匀分布。
本发明中的主探测器41与参考探测器42：探测器一般使用的是灵敏属性较高的光电二极管，其可以实现把激光信号转化为电信号的过程。
需要指出的是，也可以采用其它种类的探测器，本发明对于探测器的数量、种类不做具体限定。
由于主要采用光电二极管作为探测器时输出的电信号较小，所以需要我们后续对信号进行放大。差分放大器50是为了得到测量激光在雾霾场中的衰减情况，使用差分放大器50对两路测量信号进行差分运算，即参考信号减去测量信号得到的即是我们的所需要的激光在雾霾场中的衰减量。
对于本发明中的微控制处理器，由于在电路中的得到的是模拟信号的参量，两路信号在微控制处理器中进行模数转换得到两个数字信号的值，分别为参考激光强度值A和激光在雾霾场中的衰减量A-I。两个进行运算F＝(A-I/A)/S，即得到一个雾霾浓度的确切值。
本发明对于微控制处理器的类型和型号不做限定，所述微控制处理器60为可以为STM32型单片机，也可以为51系列单片机，或者其它的单片机或者微控制处理器。
在一个实施例中，本发明中的雾霾实时监测***在使用中需要***归零：在***使用安装之前，需要调节如下参数：
1、在主探测器完全得不到第一光信号时，输出结果为最大输出值，记为测量***的最大量程。
2、在环境接近完全洁净的环境下，调节***的输出为0，此时为***的最小量程，即0刻度值。
综上所述，本发明实施例提供的雾霾实时监测***，通过在完全相同的第一平面镜反射光桶、第二平面镜反射光桶的一端设置激光发射装置的激光器，另一端设置探测装置的主探测器和参考探测器，通过对比的方式，第一平面镜反射光桶的一端设置抽气电机、另一端设置排气电机，使得第一平面镜反射光桶内的空气质量与外界相同，而第一平面镜反射光桶的两端密封，内部填充经过预处理的纯净空气，通过获得经过二者内部空气衰减的红外激光束并将其转换为第一电信号、第二电信号，并通过微控制处理器进行处理。由于当激光器产生的激光信号，受到雾霾中微小颗粒的散射作用，强度会发生衰减，根据经典的Lambert-Beer定律可以定量的描述激光信号在雾霾场中的衰减与消光测量距离之间的关系，可以获得当前的雾霾情况，由于采用电机进行空气的抽送，可以实时获得外界的空气质量情况，而且该***结构简单，温度漂移低、线性度好、可靠性和稳定性高，可以长期提供准确的雾霾浓度等特点。
以上对本发明所提供的雾霾实时监测***进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种雾霾实时监测***，其特征在于，包括：
第一平面镜反射光桶，所述第一平面镜反射光桶的一端设置有抽气电机，另一端设置有排气电机，用于对将外界的空气从所述第一平面镜反射光桶的一端输入，从另一端输出，使得所述第一平面镜反射光桶内的雾霾程度与所述外界的空气的雾霾程度一致；
第二平面镜反射光桶，所述第二平面镜反射光桶与所述第一平面镜反射光桶的形状、尺寸相等，两端密封，在所述第二平面镜反射光桶的内部填充有经过预处理的纯净空气；
激光发射装置，所述激光发射装置包括设置在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的一端对应位置且数量相等的相同的激光器，用于在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的一端发射红外激光束并经过所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶的反射到达另一端；
探测装置，所述探测装置包括设置在所述第一平面镜反射光桶的另一端的主探测器和设置在所述第二平面镜反射光桶的另一端与所述主探测器对应的参考探测器，用于接收所述激光器发射的经过雾霾衰减的红外激光束和接收经过所述预处理的纯净空气衰减的红外激光束并转换为第一电信号和第二电信号；
微控制处理器，所述微控制处理器与所述探测装置连接，用于接收并处理所述第一电信号、所述第二电信号后输出所述外界的空气对应的雾霾参数。
2.如权利要求1所述雾霾实时监测***，其特征在于，还包括与所述微控制处理器、所述探测装置连接的差分放大器，用于对所述探测装置输出的所述第一电信号、所述第二电信号进行差分放大后输入到所述微控制处理器。
3.如权利要求2所述雾霾实时监测***，其特征在于，还包括与所述微控制处理器连接的显示器，用于显示当前的所述外界的空气对应的雾霾数值。
4.如权利要求4所述雾霾实时监测***，其特征在于，所述显示器为OLED显示器或液晶显示器。
5.如权利要求1-4任意一项所述雾霾实时监测***，其特征在于，所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶为圆柱型平面镜反射光桶或棱柱型平面镜反射光桶。
6.如权利要求5所述雾霾实时监测***，其特征在于，设置在所述第一平面镜反射光桶、所述第二平面镜反射光桶左端的所述激光器的数量为多个且均匀分布。
7.如权利要求6所述雾霾实时监测***，其特征在于，设置在所述第一平面镜反射光桶右端的所述主探测器与设置在所述第二平面镜反射光桶右端的所述参考探测器的数量相等且均匀分布。
8.如权利要求7所述雾霾实时监测***，其特征在于，所述微控制处理器为STM32型单片机或51系列单片机。
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