基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计.pdf

《基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第34卷，第8期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．8，pp2298—23022014年8月SpectroscopyandSpectralAnalysisAugust，2014基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计张棚，刘路路，李传亮，邱选兵，魏计林太原科技大学应用科学学院，山西太原030024摘要可吸入颗粒物浓度是大气环境监测中的一项重要指标。在Mie散射消光原理的基础上，采用三波长方法并结合了分布式函数算法设计了可精确测量大气中可吸入颗粒物浓度的检测仪器，计算了Mie散射效应中消光因子的光谱依赖关

2、系，在数据处理中对光谱时域信号进行积分从而消除了光谱多峰效应所产生的误差。此检测仪气路部分可实现可吸入颗粒物(PM2．5和PM10)的双通道采集。利用激光光纤将三种不同波长的激光通过耦合器(3合1)耦合进一个光纤后通过样品池，衰减光进行分离后进入光电探测器，由电路模块对探测到的光信号进行转换、数据处理、显示和存储，并通过3G无线网络实现数据的远程传输和共享。该仪器可以实现可吸入颗粒平均粒径和浓度测量。通过实验验证了检测仪的各项性能指标，数据表明该检测仪的灵敏度为0．01g·m～，响应时间约为90S，适

3、用于大气中可吸入颗粒物浓度的实时检测。关键词可吸入颗粒物；消光法；DSP；3G无线中图分类号：0433文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2014)08—2298—05适用于小范围检测，而且成本比较高，对于大范围、在线监引言测的激光粒度仪还不多。本工作在Mie散射的基础上设计了具有多节点3G无线联网的可吸人颗粒物检测系统。该系统近年来，随着工业发展和城市化进程的不断加快，空气采用多波长方法计算颗粒系的Sauter平均粒径，解决了传统中可吸入颗粒物已严重地威胁着人们的

4、健康_1]。它在空气中的多分散颗粒系等效直径难以确定的问题，利用对数正态分持续的时间相当长，对大气能见度的影响也很大_2]，目前可布的优化算法求解出颗粒系的平均消光系数，从而得出颗粒吸入颗粒物已被定为空气质量检测的重要指标_3]。可吸入颗的浓度。此系统能够独立完成气体的采集，数据的计算、显粒物主要指大气中直径小于10m的粒子(PM10)，它们能示和存储，同时经过3G无线网络传输到远端主控计算机的够通过呼吸过程直接进人人体呼吸道并积聚在肺部，尤其是数据库中，降低了维护和建设成本，扩展更加灵活。小于2．5

5、him的颗粒(PM2．5)长期吸入会引发各种呼吸道类疾病。消光法检测的基本原理颗粒物的检测方法主要有：筛分法_5]、显微镜法_6]、沉降法_6]、电感应法l7]和光散射法等。其中筛选法在筛分过程当一束平行入射光通过悬浮颗粒介质时，由于颗粒物的中会使颗粒破损或者断裂。显微镜法测量速度慢，成本高；散射效应致使出射光强产生一定程度衰减，其衰减程度以浊电感应方法容易带来二次污染；而沉降法基本不用于气体颗度或消光表示，与颗粒的大小和数量(浓度)有关粒的检测；光散射法以其测量范围广、精度高、所需知被测J一／oex

6、p(一rL)(1)颗粒物物理参数少、非接触性不破坏被测颗粒结构和特性等式(1)即为Lambert-Beer定律，其中L是入射光强度、I是优点，有广泛的应用前景。出射光强度、r是浊度(单位体积内颗粒的总消光截面)，L目前，国外光散射型激光粒度仪主要产自英国的Malv—为样品池长度。假设大气单位体积中可吸人颗粒物是N个am公司、法国的Cilas公司、美国的库尔特公司等。国内也直径为D的球形颗粒，那么总浊度r为已经研制出气体光学颗粒计数仪，但由于测量范围有限，仅r—NK一(~／4)DzKN(2)收稿日期：2

7、013—09—28。修订日期：2013—12—09基金项目：国家自然科学基金项目(61178067)，山西省自然科学基金项目(2013021004—4)，精密光谱科学与技术国家重点实验室开放课题，同洲电子科技创新基金项目(TZ201316)资助作者简介：张棚，1988年生，太原科技大学应用科学学院硕士研究生e-mail：protectorzp@163．com*通讯联系人e-mail：clli@tyust．edu．cn2300光谱学与光谱分析第34卷ADS8320的作用下，把模拟信号转化成数字信号传人D

8、SP，径作为可吸入颗粒系的等效直径，在多波长的基础上由式o一2对数据进行滤波、计算、查表(校准值)后，将数据显示出来。(3)可得0O监测数据与远端主数据库之间的链接由3G无线模块完成，In()／ln()一Kex／K这样就能够使监控终端实时获得大气中可吸人颗粒物的浓度信息。i≠J，i，一1，2，3，4(11)用三波长方法对同一样本进行测量可得：K／K。一3结果与讨论n，K一，／Kxu一6，K，／K‰一f，采用最优化算法对所采集的光信号进行处理，引入消光系数