光散射法用于空氣顆粒物濃度的檢測

胡光夏

（武漢職業技術學院，湖北 武漢 430074）

空氣顆粒物是影響環境的主要因素之一,尤其是還使用煤取暖的地區,燃燒所排放顆粒物成為污染環境的主要因素之一,空氣中的顆粒物在空氣中經常按照不同的規律進行組合排列。在公共場所空氣顆粒物濃度的檢測,傳統的檢測方法主要是重量法,但是由于重量法的檢測周期性長,因此在測量過程中很少使用重量法,對于國外生產的測量儀器,主要包括:壓電天平法、光散射法等多種方法,為了研究其空氣顆粒物濃度,研究其相關方法的準確性,我們利用光散射法原理研究空氣顆粒物的測量濃度。光散射法具有精度高、在線測試和安全性高等優點。在空氣顆粒物檢測過程中的應用越來越頻繁。20世紀80年代以后,我國的光散技術也得到了快速發展,研究出一系列的氣溶膠質量濃度測試儀,在工業中加以使用、主要實施實時檢測、質量檢測等多方面領域,但是我國的檢測方面精準度相對較少,因此本文關于光散射法空氣顆粒物濃度檢測具有實際意義。

1 空氣顆粒物濃度及測試分類

針對空氣中大粒徑顆粒相對濃度的測量是基于光散射法進行的。光散射法具有精度高、在線測試和安全性高等優點。在空氣顆粒物檢測過程中的應用越來越頻繁。空氣顆粒物分為一級污染物和二級污染物,一次污染物直接在空氣中反應,二級污染物顆粒比一級污染物顆粒小,由于空氣中的一些氣體污染物會與小粒徑污染物發生化學反應，同時也是因為這樣的變化,才對空氣顆粒物進行分類。空氣中的顆粒污染物危害了人類的身體健康，對于呼吸環境、天氣等也存在影響。因此我們在研究空氣顆粒物時,主要分析顆粒物再空氣中所占的比例，顆粒物的相對質量和顆粒物的粒徑大小。

2 利用光散射法對空氣中顆粒物濃度檢測的方法

空氣顆粒物濃度的大小對于人們的生活有著十分重要的影響，本文應用光散射法研究空氣檢測濃度。

2.1 光散射法式粒子計數器

在研究空氣顆粒物時,主要分析空氣濃度、質量濃度和相對質量濃度。光散射式例子計數器主要是光照射浮粒子,球形粒子引起的光射度,得不到相應粒子的濃度檢測,但是光射散射法可以直接得到相應的測量數據,對于空氣中濃度較高的顆粒物,則計數器會不斷擴大。

2.2 光散射法檢測空氣顆粒物濃度的硬件設計

檢測系統的硬件主要由基于顆粒物傳感器的信號采集模塊、E射線ARMll38控制單元、GPRS組成，光散射法主要利用光電完成數據的收集工作，對于空氣中的顆粒物進行存儲和計算其濃度。當信號采集模塊采集到的濃度信號持續超標時，系統會以語音報警的形式對超標信號進行警報，同時將信號發送給主芯片進行污染程度分析，隨后將分析結果以污染度分級或污染趨勢的方式作為預警信息內容發送給監測人員，以此大大提高檢測系統的實時性和易操作性。

（1）信號采集模塊。以發光二極管為信號發射單元，以光敏二極管作為光電信號轉換單元，以信號調解器作為信處理單元，聯合構成信號采集系統。本系統擬采用波長為785μm的發光二極管作為光源，其功率為100mW。波長為785μm的特點在：對空氣中的顆粒物具有較高的分辨率。光敏二極管的作用是將光源發射的光通過顆粒物或人體散射后的光信號轉換為相應的電信號。一旦空氣中顆粒物粒徑較小或顆粒物濃度極低時，光源發射的光直接照射在光敏二極管上，二極管不輸出電信號，inc因此導致空氣中存在大量的顆粒物。顆粒物質就會通過。通過光學敏感部位以較低的速度流入空氣中,激光光源發射的激光將產生一定的散射和透射。當傳感器檢測到空氣環境質量時，則可以感受到空氣顆粒物的信號，因此也使得光散趨于平緩。由于空氣中顆粒物的直徑直接影響散射光的強度，導致光敏二極管的輸出電信號脈沖峰值與顆粒物直接存在一一對應關系。當光敏二極管工作結束，不再發射光電轉換時，輸出電流較小，此時對于空氣中直接為微米的顆粒物具有攻擊性放大和阻抗匹配。光電傳感器的基本構件是光敏二極管,它將經過顆粒物散射或折射后的光信號轉換為電信號。信號調制器的構成主要基于C-V（電流-電壓）轉換器、濾波電路、調制電路和積分電路。

（2）外部結構。顆粒物檢測系統的外部結構主要由溫濕度傳感器、處理器、數據顯示單元、報警模塊和單片機組成。本文擬選用用SHTll型溫濕度傳感器。SHTll是一種包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號集成單元、數模轉換單元以及加熱單元的高集成度傳感器，其體積小，測量精度高。由于選用SD2405CLK電子芯片，SHTll傳感器還具有實時性高的優點。其原因是SD2405時鐘芯片采用12c標準協議，協議通用性好，處理速度較快。12C標準協議支持100kHz標準處理頻率和400kHz的快速處理頻率，可以用來緩存采集系統采集的顆粒物濃度數據和處理系統處理出的污染程度報警信號。為了增大信號采集速度，首先選用sRAM類芯片cA-like c256作為數據存儲器以加快芯片的讀寫能力及實時控制能力；其次，采用256I(b)串行CMOSE2PROM為通道，提高處理速度。采用wI.A56液晶顯示屏作為顯示單元，此顯示屏為彩色可控制顯示屏，主要用于實時顯示已檢測的顆粒物濃度、空氣溫濕度、污染程度等數據。報警單元由單片機、語音芯片或蜂鳴器構成。單片機選用ISD4003芯片，此芯片音質較高，體積較小，可設置播放時間為4～8分鐘。

（3）GPRS無線通信模塊。為了增加系統的便攜性，本系統采用無線通信方式。無線通信協議選用廣泛應用的GPRS協議，通信系統主機功能為一旦大氣中顆粒物濃度超標，便攜模快會通過串口將警報信號利用無線通信系統發送給主機。操作較為便捷，易于培訓。

（4）系統供電模塊。系統供電模塊均選用可多種方式輸出的支流穩壓電源實現。系統的供電電壓主要分為±12V、±5V、3.3V和3V幾種，為了使系統工作穩定，供電電源要求輸出電壓誤差率較小。同時考慮到系統內交叉存在數字電信號和模擬電信號，為了盡量減小不同性質電信號間的噪聲干擾，兩部分采用單獨供電的形式。在PCB板的制作過程中應注意僅選擇電源處共地。

2.3 光散射法檢測空氣顆粒物的軟件設計

系統的軟件設計主要為了實現數據采集、信號傳輸信號轉換、顆粒物濃度計算、污染程度分析、數據存儲、數據顯示和處罰報警等功能。為了測量結果準確顆粒物濃度超標須持續一段時間后才進行污染報警，以避免由環境背景、溫度漂移、電路噪聲等系統誤差造成的誤報警。因此在軟件設計使，應考慮將數據采集單元采集到的數據設定閾值并對采集到的數據取均值，從而減小數據的奇異點對數據分析產生的影響，同時可以降低由系統誤差造成的誤觸發。對系統的實際測量數據進行分析可以看出，本系統的實際測量結果與DustTrakⅡ中的相關表述有一定的差別，主要表現為數據結果線性度較差，這一定程度上是取決于系統的穩定性和兼容性不足造成的。究其原因主要如下：一是發光二極管輸出的光信號不穩定；二是環境中的溫濕度對系統造成了影響；三是系統的頻閉性較差，受內部及外部電磁干擾影響較大。為此在設計軟件系統時加入了信號處理單元，對采樣數據進行傅里葉濾波并加入了采樣閾值。

3 結語

隨著自動化及信息技術的迅速發展, 該系統不僅在極端的環境下能去除環境干擾，且測量結果中剔除了環境噪聲，較為準確。同時能夠實時對環境顆粒物濃度進行檢測，便攜性高，成本較低；對我國大多數環境適應性較強，能夠彌補現行設備測量不準確的缺點，對改善我國大氣污染具有十分積極的作用。因此研究空氣顆粒物濃度有著重要意義。