胡光夏

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

空氣顆粒物是影響環(huán)境的主要因素之一,尤其是還使用煤取暖的地區(qū),燃燒所排放顆粒物成為污染環(huán)境的主要因素之一,空氣中的顆粒物在空氣中經(jīng)常按照不同的規(guī)律進(jìn)行組合排列。在公共場所空氣顆粒物濃度的檢測,傳統(tǒng)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(chǎn)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(guān)方法的準(zhǔn)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(yōu)點。在空氣顆粒物檢測過程中的應(yīng)用越來越頻繁。20世紀(jì)80年代以后,我國的光散技術(shù)也得到了快速發(fā)展,研究出一系列的氣溶膠質(zhì)量濃度測試儀,在工業(yè)中加以使用、主要實施實時檢測、質(zhì)量檢測等多方面領(lǐng)域,但是我國的檢測方面精準(zhǔn)度相對較少,因此本文關(guān)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(jìn)行的。光散射法具有精度高、在線測試和安全性高等優(yōu)點。在空氣顆粒物檢測過程中的應(yīng)用越來越頻繁?？諝忸w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(yīng),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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時也是因為這樣的變化,才對空氣顆粒物進(jìn)行分類?？諝庵械念w粒污染物危害了人類的身體健康，對于呼吸環(huán)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(zhì)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(yīng)用光散射法研究空氣檢測濃度。

2.1 光散射法式粒子計數(shù)器

在研究空氣顆粒物時,主要分析空氣濃度、質(zhì)量濃度和相對質(zhì)量濃度。光散射式例子計數(shù)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(yīng)粒子的濃度檢測,但是光射散射法可以直接得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù),對于空氣中濃度較高的顆粒物,則計數(shù)器會不斷擴(kuò)大。

2.2 光散射法檢測空氣顆粒物濃度的硬件設(shè)計

檢測系統(tǒng)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(shù)據(jù)的收集工作，對于空氣中的顆粒物進(jìn)行存儲和計算其濃度。當(dāng)信號采集模塊采集到的濃度信號持續(xù)超標(biāo)時，系統(tǒng)會以語音報警的形式對超標(biāo)信號進(jìn)行警報，同時將信號發(fā)送給主芯片進(jìn)行污染程度分析，隨后將分析結(jié)果以污染度分級或污染趨勢的方式作為預(yù)警信息內(nèi)容發(fā)送給監(jiān)測人員，以此大大提高檢測系統(tǒng)的實時性和易操作性。

（1）信號采集模塊。以發(fā)光二極管為信號發(fā)射單元，以光敏二極管作為光電信號轉(zhuǎn)換單元，以信號調(diào)解器作為信處理單元，聯(lián)合構(gòu)成信號采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)擬采用波長為785μm的發(fā)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(fā)射的光通過顆粒物或人體散射后的光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(fā)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(dǎo)致空氣中存在大量的顆粒物。顆粒物質(zhì)就會通過。通過光學(xué)敏感部位以較低的速度流入空氣中,激光光源發(fā)射的激光將產(chǎn)生一定的散射和透射。當(dāng)傳感器檢測到空氣環(huán)境質(zhì)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(qiáng)度，導(dǎo)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(yīng)關(guān)系。當(dāng)光敏二極管工作結(jié)束，不再發(fā)射光電轉(zhuǎn)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(gòu)件是光敏二極管,它將經(jīng)過顆粒物散射或折射后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號調(diào)制器的構(gòu)成主要基于C-V（電流-電壓）轉(zhuǎn)換器、濾波電路、調(diào)制電路和積分電路。

（2）外部結(jié)構(gòu)。顆粒物檢測系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)主要由溫濕度傳感器、處理器、數(shù)據(jù)顯示單元、報警模塊和單片機(jī)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(shù)模轉(zhuǎn)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(yōu)點。其原因是SD2405時鐘芯片采用12c標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，協(xié)議通用性好，處理速度較快。12C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議支持100kHz標(biāo)準(zhǔn)處理頻率和400kHz的快速處理頻率，可以用來緩存采集系統(tǒng)采集的顆粒物濃度數(shù)據(jù)和處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。報警單元由單片機(jī)、語音芯片或蜂鳴器構(gòu)成。單片機(jī)選用ISD4003芯片，此芯片音質(zhì)較高，體積較小，可設(shè)置播放時間為4～8分鐘。

（3）GPRS無線通信模塊。為了增加系統(tǒng)的便攜性，本系統(tǒng)采用無線通信方式。無線通信協(xié)議選用廣泛應(yīng)用的GPRS協(xié)議，通信系統(tǒng)主機(jī)功能為一旦大氣中顆粒物濃度超標(biāo)，便攜?？鞎ㄟ^串口將警報信號利用無線通信系統(tǒng)發(fā)送給主機(jī)。操作較為便捷，易于培訓(xùn)。

（4）系統(tǒng)供電模塊。系統(tǒng)供電模塊均選用可多種方式輸出的支流穩(wěn)壓電源實現(xiàn)。系統(tǒng)的供電電壓主要分為±12V、±5V、3.3V和3V幾種，為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，供電電源要求輸出電壓誤差率較小。同時考慮到系統(tǒng)內(nèi)交叉存在數(shù)字電信號和模擬電信號，為了盡量減小不同性質(zhì)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(yīng)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(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號傳輸信號轉(zhuǎn)換、顆粒物濃度計算、污染程度分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示和處罰報警等功能。為了測量結(jié)果準(zhǔn)確顆粒物濃度超標(biāo)須持續(xù)一段時間后才進(jìn)行污染報警，以避免由環(huán)境背景、溫度漂移、電路噪聲等系統(tǒng)誤差造成的誤報警。因此在軟件設(shè)計使，應(yīng)考慮將數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值并對采集到的數(shù)據(jù)取均值，從而減小數(shù)據(jù)的奇異點對數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的影響，同時可以降低由系統(tǒng)誤差造成的誤觸發(fā)。對系統(tǒng)的實際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，本系統(tǒng)的實際測量結(jié)果與DustTrakⅡ中的相關(guān)表述有一定的差別，主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)結(jié)果線性度較差，這一定程度上是取決于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性不足造成的。究其原因主要如下：一是發(fā)光二極管輸出的光信號不穩(wěn)定；二是環(huán)境中的溫濕度對系統(tǒng)造成了影響；三是系統(tǒng)的頻閉性較差，受內(nèi)部及外部電磁干擾影響較大。為此在設(shè)計軟件系統(tǒng)時加入了信號處理單元，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉濾波并加入了采樣閾值。

3 結(jié)語

隨著自動化及信息技術(shù)的迅速發(fā)展, 該系統(tǒng)不僅在極端的環(huán)境下能去除環(huán)境干擾，且測量結(jié)果中剔除了環(huán)境噪聲，較為準(zhǔn)確。同時能夠?qū)崟r對環(huán)境顆粒物濃度進(jìn)行檢測，便攜性高，成本較低；對我國大多數(shù)環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)行設(shè)備測量不準(zhǔn)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。