CN117571569A - 基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，包括：颗粒物发生模块，用于产生颗粒物气体，并将该颗粒物气体喷射至光敏区；颗粒物光散射模块，用于发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；散射光信号处理模块，用于探测光敏区散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度，本发明***通过利用不对称因子得到待测颗粒物浓度计算公式，使大气颗粒物浓度检测结果准确度高，稳定性好；本发明还公开了基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，具有较好的可靠性，并且检测结果具有良好的稳定性和准确性。
Description
技术领域
本发明属于大气颗粒物探测设备及方法技术领域，具体涉及基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，还涉及基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法。
背景技术
大气颗粒物污染已经成为全国乃至全球重要的环境污染问题。随着颗粒物污染呈现出小粒径和低浓度的变化特点，对颗粒物质量浓度测量***提出了更高要求。目前的测量方法主要有滤膜称重法、光衰减法、压电晶体法和光散射法等。滤膜称重法广泛应用于环境监测、水质处理等领域。其工作原理是将已知体积的液体通过膜过滤器，膜过滤器将颗粒物质保留在其表面。然后对过滤器进行干燥和称重，以确定颗粒物的质量；压电晶体法(又称压电晶体频差法)使空气以恒定流量通过切割器，进入由高压放电针和微量石英谐振器组成的静电采样器，在高压电晕放电的作用下，气流中的颗粒物全部沉降于测量谐振器的电极表面上，因电极上增加了颗粒物的质量，其振荡频率发生变化，根据频率变化可测定颗粒物的质量浓度。β射线吸收法是当仪器按规定流量抽取空气样品，气体通过带状滤纸过滤，使粉尘集中到该滤纸上，捕集前和捕集后的滤纸经β射线照射并测定透过滤纸的β射线强度，便能间接测出附在滤纸上的粉尘质量。光散射法是待测气体通过气泵被抽取到测量区，与激光器发出的激光作用，产生散射光，再通过光电探测器收集特定角度上的散射光，经信号采集电路将散射光电流转换为电压，由于颗粒物产生的散射光包含颗粒的粒径、质量浓度等信息，因此分析散射光信号转换后的电压信号可得到颗粒物质量浓度。
滤膜称重法在测定过程中，存在操作烦琐、费时、采样仪笨重、噪声大等缺点；压电晶体法对环境条件要求较高、需要专业人员进行操作和维护且仅适用于特定粒径范围的颗粒物，其检测结果可能受到颗粒物性质的影响；β射线吸收法需要一个放射源，必须安全处理和处置。
发明内容
本发明的目的是提供基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，能够提高小粒径和低浓度的颗粒物质量浓度的测量精度。
本发明的另一目的是提供基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法。
本发明所采用的技术方案是，基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，包括：
颗粒物发生模块，用于产生颗粒物气体，并将该颗粒物气体喷射至光敏区；
颗粒物光散射模块，用于发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
散射光信号处理模块，用于探测光敏区散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
本发明的特点还在于：
颗粒物发生模块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路***，气路***连接鞘气管一端，鞘气管另一端延伸至光敏区。
颗粒物光散射模块包括半导体激光器，半导体激光器发出的光束依次经过可调光阑、汇聚光束平凸透镜、调整光束平凸透镜进入光功率计中，光敏区位于汇聚光束平凸透镜与调整光束平凸透镜之间。
散射光信号处理模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电探测器位于调整光束平凸透镜下部，且与半导体激光器发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，第二光电探测器位于汇聚光束平凸透镜下部，且与半导体激光器发出的光束在光敏区中心位置夹角为45°，第一光电探测器、第二光电探测器与光敏区中心位置之间均设置平凸透镜、光阑，第一光电探测器和第二光电探测器输出端均连接数据采集卡，采集卡连接装载LabVIEW软件的上位机。
第一光电探测器、第二光电探测器与光束在光敏区中心的距离为15cm。
在第一光电探测器、第二光电探测器与数据采集卡之间还包括LMS自适应滤波模块，用于对接受到的散射光信号进行降噪处理，提取出有效的颗粒物散射光强信息。
LMS自适应滤波模块包括数字滤波器和自适应滤波算法两部分。
本发明所采用的另一技术方案是，基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，使用基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过颗粒物发生模块产生颗粒物气体喷射至光敏区；
步骤2、开启颗粒物光散射模块，发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
步骤3、通过散射光信号处理模块探测散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
本发明的特点还在于：
散射光信号处理模块包括LMS自适应滤波模块，步骤3中通过散射光信号处理模块探测散射光信号后还包括对散射光信号进行滤波，具体过程为：根据n时刻采集背景光的电压信号设置参考信号d(n)，对n时刻的散射光信号进行数字滤波，输出信号y(n)，将输出信号y(n)与参考信号d(n)进行比对处理，产生误差信号e(n)，设置自适应滤波器，自适应滤波器的单位脉冲响应受误差信号e(n)控制，根据e(n)的值而自动调整，使得下一时刻的输入x(n+1)可以使输出y(n+1)更接近期望响应d(n+1)，直至误差信号均方差e(n)达到最小值，通过误差信号均方差e(n)调整自适应滤波器系数，最终输出滤波后的散射光信号。
步骤3中对散射光信号进行分析具体过程为：
在不考虑粒子多次散射的情况下，颗粒物的质量浓度与散射光强度响应信号之间存在如下线性关系:
式(1)中，K表示初步的颗粒物浓度转化系数，UP表示该测量条件下光电探测器的光强度电压，Cm为标准仪器测得的颗粒物浓度；
由后向135°处接收到的散射光强度电压U2与前向45°处的散射光强度电压U1之比组成不对称因子AF，表达式为：
颗粒物粒径D与不对称因子AF存在线性关系：
AF＝0.054×D+0.264 (3)
颗粒物粒径D与质量浓度因子MCF之间的线性关系为：
MCF＝-0.28×D+9.54 (4)
通过式(3)和式(4)，颗粒物粒径D与不对称因子AF和质量浓度因子MCF均存在线性关系，以颗粒物粒径D作为中间桥梁，将AF与MCF联系起来，则有：
MCF＝-5.185×AF+10.909 (5)
将质量浓度因子MCF作为新的浓度转化系数K，根据式(1)和式(5)可得到颗粒物浓度Cm，表示为：
本发明的有益效果是：
本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，通过利用不对称因子得到待测颗粒物浓度计算公式，使大气颗粒物浓度检测结果准确度高，稳定性好；
本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***在颗粒物测量方面具有非接触式测量、测量结构简单、测量结果实时性好的特点。
本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法具有较好的可靠性，并且测量结果具有良好的稳定性和准确性。
附图说明
图1是本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***结构示意图；
图2是本发明散射光信号处理模块结构示意图；
图3是本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法流程图；
图4是不同角度不同粒径参考质量浓度与散射光强分布；其中，a为20°时，b为25°，c为35°，d为45°，e为55°，f为70°，g为90°，h为120°，i为140°，j为160°；
图5是本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度在线检测***与TSI-8530测量质量浓度的比较图。
图中：1.半导体激光器，2.可调光阑，3.汇聚光束平凸透镜，4.鞘气管，5.调整光束平凸透镜，6.光功率计，7.第一光电探测器，8.第二光电探测器，9.上位机，10.数据采集卡，11.平凸透镜，12.光阑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，如图1所示，包括：
颗粒物发生模块，用于产生颗粒物气体，并将该颗粒物气体喷射至光敏区；块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路***，气路***连接鞘气管4一端，鞘气管4另一端延伸至光敏区。气溶胶发生器产生颗粒物，经过粒径切割器将其粒径分段后进入缓冲箱中，缓冲箱中放置的新风***使得颗粒物较为均匀地分布在箱内，尽可能模拟真实大气环境。颗粒物经烟雾缓冲箱一分为二，一路直接通入TSI-8530中测量参考质量浓度，另一路经过设计的气路结构通入颗粒物测量区。
颗粒物光散射模块，用于发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；包括半导体激光器1，半导体激光器1发出的光束依次经过可调光阑2、汇聚光束平凸透镜3、调整光束平凸透镜5进入光功率计6中，光敏区位于汇聚光束平凸透镜3与调整光束平凸透镜5之间，鞘气管4出口正对光敏区，为了减小散射光对检测的影响，可以在光敏区的另一边设置一个鞘气管4，两个鞘气管4的距离为2cm，两个鞘气管4关于半导体激光器1发出的光线对称。其中，半导体激光器1发出均匀、稳定的激光束，激光束经过可调光阑2对光路进行约束，保留激光光束中心较强和较均匀的光束，减小不均匀高斯光对测量的影响。经过约束后的光束通过汇聚光束平凸透镜3将光束汇聚在一点处，调整光束平凸透镜5将颗粒物散射后的散射光重新汇聚成平行光束；在光路的尾部放一个光功率计6，光功率计6可以保证光源的稳定性以及吸收多余的散射光，以减小杂散光对测量的影响。含颗粒物气体从鞘气管4顶部进入管道，从鞘气管4两侧通入鞘气，使得待测量气体通过光敏区时流速更加稳定、分布更加均匀，鞘气管的出口设计成喷嘴状，使得颗粒物气体出管口时形成颗粒射流，以减小散射光对测量的影响。
散射光信号处理模块，用于探测光敏区散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。包括第一光电探测器7和第二光电探测器8，第一光电探测器7位于调整光束平凸透镜5下部，且与半导体激光器1发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，第二光电探测器8位于汇聚光束平凸透镜3下部，且与半导体激光器1发出的光束在光敏区中心位置夹角为45°，第一光电探测器7、第二光电探测器8与光敏区中心位置之间均设置平凸透镜11、光阑12，第一光电探测器7和第二光电探测器8输出端均连接数据采集卡10，采集卡10连接装载LabVIEW软件的上位机9。
如图2所示，第一光电探测器7位于调整光束平凸透镜5下部，且与半导体激光器1发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，经过颗粒物后的散射光首先经过第一光电探测器7的调整光阑12，将散射光进行约束，约束后的散射光通过第一光电探测器7的平凸透镜11，第一光电探测器7的平凸透镜11将散射光汇聚成一点，将其照射在第一光电探测器7的探测平面上。
第二光电探测器8位于汇聚光束平凸透镜3与鞘气管4之间的下方区域，且第二光电探测器8与光束的夹角为45°；经过颗粒物后的散射光首先经过第二光电探测器8的光阑12，将散射光进行约束，约束后的散射光通过第二光电探测器8的平凸透镜11，第二光电探测器8的平凸透镜11将散射光汇聚成一点，将其照射在第二光电探测器8的探测平面上，由第二光电探测器8来采集其散射光强。
第一光电探测器7和第二光电探测器8为同一型号，其响应时间快，增益大，能很好地将微弱的光信号转换为电压信号并稳定输出。
其中，光功率计6可以对输出激光束的稳定性实时监测，保证测量的准确性，并且其后有嵌套的光陷阱，用来吸收多余的杂散光，避免测量结果偏大。
实施例2
本实施例是基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，如图3所示，使用基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过颗粒物发生模块产生颗粒物气体喷射至光敏区；
步骤2、开启颗粒物光散射模块，发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
步骤3、通过散射光信号处理模块探测散射光信号，输入自适应滤波器结构，自适应滤波器结构包含数字滤波器和自适应滤波算法两部分，用于对散射光信号进行滤波，具体过程为：根据n时刻采集背景光的电压信号设置参考信号d(n)，对n时刻的散射光信号进行数字滤波，输出信号y(n)，将输出信号y(n)与参考信号d(n)进行比对处理，产生误差信号e(n)，设置自适应滤波器，自适应滤波器的单位脉冲响应受误差信号e(n)控制，根据e(n)的值而自动调整，使得下一时刻的输入x(n+1)可以使输出y(n+1)更接近期望响应d(n+1)，直至误差信号均方差e(n)达到最小值，通过误差信号均方差e(n)调整自适应滤波器系数，最终输出滤波后的散射光信号。
对散射光信号进行分析，具体过程为：
以球形颗粒为例深入研究了Mie散射理论，建立颗粒物散射光强与颗粒粒径的关系模型，表达式为：
其中V代表测量区的体积，N代表该颗粒物数目浓度。
球形颗粒的颗粒物质量浓度Cm由颗粒数目浓度N计算，表达式为：
其中，ρ为颗粒物密度，D为颗粒物粒径。
其次，基于该模型引入颗粒物质量浓度因子MCF。可以得到质量浓度因子(MCF)表达式为：
为了更好的用颗粒物散射光强度来反演出颗粒物质量浓度，选取45°为最优探测角度。
通过分析不同粒径、不同探测角度时散射光强与参考质量浓度的分布情况，如图4所示，其中a为20°时，b为25°，c为35°，d为45°，e为55°，f为70°，g为90°，h为120°，i为140°，j为160°，根据图4可知，随着粒径段的增加，不同探测角度下的实测散射光强与参考质量浓度呈线性相关，这表明了可以利用颗粒物散射光强度来很好地反演出颗粒物质量浓度。不同角度、不同粒径段线性公式y＝kx+b的k值、b值和相关系数R2如表1所示，其中斜率k表示质量浓度因子，截距b与斜率k之比就表示偏移度。
表1
根据表1可知，在不同探测角度下、不同粒径段时，颗粒物散射光强与参考质量浓度均高度线性相关，相关系数R2均大于0.957。又对如表2中的质量浓度因子(MCF)、粒径影响系数(CMC)、偏移度(DEV)和偏移系数(Cd)这四个评价参数进行分析：
表2
根据表2可知，得到质量浓度因子(MCF)越大就表示散射光信息越容易采集，其他三个评价参数越小则表示散射光信号采集时受到的影响因素越小。因此，在同时满足平均质量浓度因子较大，偏移度(DEV)、粒径影响系数(CMC)和偏移系数(Cd)较小的情况下得到最优探测角度为45°。
在选取45°为最优探测角度后，选择一个对称的探测角度135°得到不对称因子，即不同粒径段下后向角度的散射光强信息与前向角度散射光强信息的比值。这样就可以很好地将不对称因子与粒径之间的联系表示出来，最终实时反演出颗粒物质量浓度。
在不考虑粒子多次散射的情况下，颗粒物的质量浓度与散射光强度响应信号之间存在如下线性关系:
式(1)中，K表示初步的颗粒物浓度转化系数，UP表示该测量条件下光电探测器的光强度电压，Cm为标准仪器测得的颗粒物浓度；
由后向135°处接收到的散射光强度电压U2与前向45°处的散射光强度电压U1之比组成不对称因子AF，表达式为：
颗粒物粒径D与不对称因子AF存在线性关系：
AF＝0.054×D+0.264 (3)
颗粒物粒径D与质量浓度因子MCF之间的线性关系为：
MCF＝-0.28×D+9.54 (4)
通过式(3)和式(4)，颗粒物粒径D与不对称因子AF和质量浓度因子MCF均存在线性关系，以颗粒物粒径D作为中间桥梁，将AF与MCF联系起来，则有：
MCF＝-5.185×AF+10.909 (5)
将质量浓度因子MCF作为新的浓度转化系数K，根据式(1)和式(5)可得到颗粒物浓度Cm，表示为：
最后对基于质量浓度因子的颗粒物质量浓度探测***与标准仪器TSI-8530进行实验比对，分析了实测值与标准仪器参考值之间的误差变化规律，如表3所示。
表3
表3结果说明，PM1、PM2.5、PM4和PM10的平均相对误差均小于7.79％，相对误差标准差也均小于4.91％。结果表明，使用本发明中检测***的检测方法得到的结果准确度高，稳定性好，符合预期的设计要求。
实施例3
为了验证利用不对称因子来实时测量颗粒物质量浓度方法的有效性，利用基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度在线检测***的颗粒物光散射探测平台与标准仪器TSI-8530进行了多组比对实验。通过气溶胶发生器将混合气溶胶通入颗粒缓冲箱中，调节缓冲箱阀门和流量计来控制气体流量以及流速。缓冲箱内的循环***使得颗粒物均匀的分布在箱体内部。将缓冲箱内的混合颗粒物一路通入到本***的散射测量区待测量，另一路通入至标准仪器TSI-8530中。***测量区采集得到的散射光信号上传至上位机LabVIEW中进行数据处理。使用该***平台连续测量100分钟，并将***采样周期设置为60秒，得到不同粒径混合颗粒物的实时质量浓度值，同时使用标准仪器TSI-8530测量参考质量浓度，并对测量得到的四组不同粒径比对实验数据进行相关性分析。如图5所示，对所设计实验平台实际测量值与标准仪器TSI-8530的参考值进行线性回归分析。
根据图5可知，不同粒径范围下的实际测量值与标准仪器TSI-8530测量的参考质量浓度其线性相关系数均大于0.95，这表明二者线性度较好。该结果验证了所提出利用基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度在线检测方法具有较好的准确性，进而验证了本发明方法在实际应用中的有效性。
Claims (10)
1.基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，包括：
颗粒物发生模块，用于产生颗粒物气体，并将该颗粒物气体喷射至光敏区；
颗粒物光散射模块，用于发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
散射光信号处理模块，用于探测光敏区散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
2.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，所述颗粒物发生模块包括气溶胶发生器、粒径切割器、缓冲箱、气泵和气路***，所述气路***连接鞘气管(4)一端，所述鞘气管(4)另一端延伸至光敏区。
3.根据权利要求1所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，所述颗粒物光散射模块包括半导体激光器(1)，所述半导体激光器(1)发出的光束依次经过可调光阑(2)、汇聚光束平凸透镜(3)、调整光束平凸透镜(5)进入光功率计(6)中，所述光敏区位于汇聚光束平凸透镜(3)与调整光束平凸透镜(5)之间。
4.根据权利要求3所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，所述散射光信号处理模块包括第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)，所述第一光电探测器(7)位于调整光束平凸透镜(5)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏区中心位置夹角为135°，所述第二光电探测器(8)位于汇聚光束平凸透镜(3)下部，且与半导体激光器(1)发出的光束在光敏区中心位置夹角为45°，所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与光敏区中心位置之间均设置平凸透镜(11)、光阑(12)，所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(8)输出端均连接数据采集卡(10)，所述采集卡(10)连接装载LabVIEW软件的上位机(9)。
5.根据权利要求4所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与光束在光敏区中心的距离为15cm。
6.根据权利要求4所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，在所述第一光电探测器(7)、第二光电探测器(8)与数据采集卡(10)之间还包括LMS自适应滤波模块，用于接收的散射光信号进行降噪处理，提取出有效的颗粒物散射光强信息。
7.根据权利要求6所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，其特征在于，所述LMS自适应滤波模块包括数字滤波器和自适应滤波算法两部分。
8.基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，使用权利要求1-7任意一项所述的基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测***，具体按照以下步骤实施：
步骤1、通过颗粒物发生模块产生颗粒物气体喷射至光敏区；
步骤2、开启颗粒物光散射模块，发出光信号至光敏区，通过光敏区的颗粒物气体对光信号进行散射形成散射光信号；
步骤3、通过散射光信号处理模块探测散射光信号，并对散射光信号进行分析，根据分析结果获得颗粒物气体中颗粒浓度。
9.根据权利要求8所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，所述散射光信号处理模块包括LMS自适应滤波模块，步骤3中所述通过散射光信号处理模块探测散射光信号后还包括对散射光信号进行滤波，具体过程为：根据n时刻采集背景光的电压信号设置参考信号d(n)，对n时刻的散射光信号进行数字滤波，输出信号y(n)，将输出信号y(n)与参考信号d(n)进行比对处理，产生误差信号e(n)，设置自适应滤波器，自适应滤波器的单位脉冲响应受误差信号e(n)控制，根据e(n)的值而自动调整，使得下一时刻的输入x(n+1)可以使输出y(n+1)更接近期望响应d(n+1)，直至误差信号均方差e(n)达到最小值，通过误差信号均方差e(n)调整自适应滤波器系数，最终输出滤波后的散射光信号。
10.根据权利要求7所述基于质量浓度因子的大气颗粒物浓度检测方法，其特征在于，步骤3中所述对散射光信号进行分析具体过程为：
在不考虑粒子多次散射的情况下，颗粒物的质量浓度与散射光强度响应信号之间存在如下线性关系:
式(1)中，K表示初步的颗粒物浓度转化系数，UP表示该测量条件下光电探测器的光强度电压，Cm为标准仪器测得的颗粒物浓度；
由后向135°处接收到的散射光强度电压U2与前向45°处的散射光强度电压U1之比组成不对称因子AF，表达式为：
颗粒物粒径D与不对称因子AF存在线性关系：
AF＝0.054×D+0.264 (3)
颗粒物粒径D与质量浓度因子MCF之间的线性关系为：
MCF＝-0.28×D+9.54 (4)
通过式(3)和式(4)，颗粒物粒径D与不对称因子AF和质量浓度因子MCF均存在线性关系，以颗粒物粒径D作为中间桥梁，将AF与MCF联系起来，则有：
MCF＝-5.185×AF+10.909 (5)
将质量浓度因子MCF作为新的浓度转化系数K，根据式(1)和式(5)可得到颗粒物浓度Cm，表示为：
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