激光颗粒物传感装置以及测量颗粒物的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光颗粒物传感装置以及测量颗粒物的方法，有助于检测PM2.5和PM10浓度值，特别是针对包含大颗粒质量浓度的PM10的检测结果有效且精度高。该激光颗粒物传感装置包括：激光光源、1个或多个第一类光电转换单元以及1个或多个第二类光电转换单元；激光光源发出的激光的前向为直角坐标系的X向，气流的前向为该直角坐标系的Y向，激光与气流的交汇处为该直角坐标系的原点O，经过O点并垂直于XOY平面的为Z向；所述第一类光电转换单元位于Z轴上，且其感光面朝向所述原点；所述第二类光电转换单元位于所述直角坐标系的X正半轴空间内，且其感光面朝向所述原点。且其感光面朝向所述原点。且其感光面朝向所述原点。

【技术实现步骤摘要】
激光颗粒物传感装置以及测量颗粒物的方法


[0001]本专利技术涉及一种激光颗粒物传感装置以及测量颗粒物的方法。

技术介绍

[0002]大气中的颗粒物组分十分复杂，物理属性包括：物质种类、体积、密度、形状、表面粗糙度、反射率、折射率等，也相当复杂。为了实时监测大气中的颗粒物质量浓度，目前主要采用基于光散射原理而展开的各种检测方法，激光颗粒物传感器即是实现该方法的主要器件，其根据颗粒物经过光路时产生的散射光的强度来计算颗粒物质量浓度，是一种有效测量颗粒物质量浓度的方法，并且具有良好的实时性。
[0003]现有激光传感器的检测原理如图1所示，通常设置有一个激光光源11、一个与光束方向垂直或交叉的风道、一个光电转换单元(PD)12，以及后端电路运算处理单元(图中未示出)。如采用直角坐标系，则光束与风道位于XOY平面，图1以光束与风道垂直的情形为例，可令光束方向为X正向，风道中的气流方向为Y轴正向。则光电转换单元(PD)位于XOY平面以外，例如可将PD12设置在图中所示的Z轴上。由于PM2.5能长时间悬浮于空气中，所以传感器采样的样本量充足，PM2.5浓度检测难度较低。但空气中粒径大于2.5μm的颗粒物(在此简称大颗粒)含量少，且大颗粒的散射信号强度在Z轴方向与粒径不呈正比，现有技术难以对其散射信号进行有效识别，从而无法检测大颗粒的浓度值。
[0004]基于上述原因，再加上通常的民用级消费类产品上搭载的激光颗粒物传感器受限于成本、体积等因素，无法构建包含复杂结构、硬件、软件的检测系统，目前仅能提供PM2.5的浓度值，不能提供大颗粒物例如PM10的浓度值。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出一种激光颗粒物传感装置以及测量颗粒物的方法，有助于检测PM2.5和PM10等颗粒物浓度值，特别是针对包含大颗粒质量浓度例如PM10的检测结果有效且精度高。本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种激光颗粒物传感装置，用于检测气流中的颗粒物，包括：激光光源、1个或多个第一类光电转换单元以及1个或多个第二类光电转换单元；激光光源发出的激光的前向为直角坐标系的X向，气流的前向为该直角坐标系的Y向，激光与气流的交汇处为该直角坐标系的原点O，经过O点并垂直于XOY平面的为Z向；所述第一类光电转换单元位于Z轴上，且其感光面朝向所述原点；所述第二类光电转换单元位于所述直角坐标系的X正半轴空间内，且其感光面朝向所述原点。
[0007]可选地，所述第二类光电转换单元包含2个。
[0008]可选地，2个所述第二类光电转换单元关于X轴对称设置。
[0009]可选地，2个所述第二类光电转换单元感光面法线经过坐标系原点O且与X正半轴的夹角θ小于45
°
。
[0010]可选地，所述夹角θ在30
°
至35
°
之间。
[0011]可选地，所述第一类光电转换单元包含2个，分别位于Z正半轴和Z负半轴。
[0012]一种测量颗粒物的方法，采用本专利技术所述的激光颗粒物传感装置，该方法包括：根据所述激光颗粒物传感装置提供的数据计算指定种类的颗粒物散射特征参数；根据所述颗粒物散射特征参数计算所述指定种类的颗粒物等效粒径；根据所述颗粒物等效粒径计算所述指定种类的颗粒物质量浓度。
[0013]可选地，根据所述激光颗粒物传感装置提供的数据计算指定种类的颗粒物散射特征参数的步骤包括：计算第一和值，该第一和值为各所述第二类光电转换单元的对应于所述指定种类的颗粒物的信号值之和；计算第二和值，该第二和值为各所述第一类光电转换单元的对应于所述指定种类的颗粒物的信号值之和；将所述第一和值与所述第二和值的比值作为所述指定种类的颗粒物散射特征参数。
[0014]可选地，根据所述颗粒物等效粒径计算所述指定种类的颗粒物质量浓度的步骤包括：采用如下公式进行计算：
[0015][0016]其中，r
i
表示指定的第i种的颗粒物等效粒径，a0至a
n
以及n为相关于所述激光颗粒物传感装置的常数，其中n为正整数。
[0017]可选地，根据所述颗粒物散射特征参数计算所述指定种类的颗粒物等效粒径的步骤包括：采用如下公式进行计算：
[0018][0019]其中：PM
x
为颗粒物质量浓度值；k0为标定参数，是在激光颗粒物传感器生产过程中，应用标准传感器得到的r
i
或者应用已知的标准颗粒物的r
i
，对该激光颗粒物传感器进行标定时得到的参数。
[0020]根据本专利技术的激光颗粒物传感装置，在同时垂直光束和气流的方向上设置能够检测较小颗粒物的光电转换单元，以及在光束前向区域内设置能够检测较大颗粒物的光电转换单元，从而能够同时检测较小颗粒物和较大颗粒物的信号量，进而同时得到较小颗粒物和较大颗粒物的浓度值。
[0021]另外，本专利技术还提供了基于上述激光颗粒物传感装置进行颗粒物浓度的计算方法以得出较小颗粒物和较大颗粒物的颗粒物质量浓度。
附图说明
[0022]为了说明而非限制的目的，现在将根据本专利技术的优选实施例、特别是参考附图来描述本专利技术，其中：
[0023]图1是现有激光传感器的检测原理图；
[0024]图2A至图2F是不同粒径颗粒散射光强矢极图；
[0025]图3是本专利技术实施方式中的PD布置示意图；
[0026]图4为PD的信号波形示意图；
[0027]图5为本专利技术实施方式中的激光颗粒物传感器的运行检测流程图；
[0028]图6为本专利技术实施方式中的激光颗粒物传感器进行数据处理的流程图。
具体实施方式
[0029]本专利技术实施方式中，考虑到米氏效应的影响，在激光颗粒物检测装置中在同时垂直光束和气流的方向上，以及光束前向上分别设置光电转换单元(以下简称为“PD”)，以同时实现对于PM2.5等较小颗粒物和PM10等较大颗粒物的浓度检测。以下具体加以说明。
[0030]图2A至图2F是不同粒径颗粒散射光强矢极图，其中无因次粒径参量α＝mπd/λ，m表示颗粒周围分散介质折射率，d表示球形颗粒直径，λ表示入射光波长。从图2A至图2F可以看出，在光束入射方向上，颗粒物散射强度最为强烈，然后随着前向散射角度增加(也即图2A至图2F中，由前向0度到侧向90度的方向)，散射强度很快减小。随着无因次粒径参量α的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向散射强于后向散射。随着α进一步增大，散射光几乎全部集中在前向θ＝0的附近，这种现象称为米氏效应。
[0031]在本专利技术实施方式中，在同时垂直光束和气流的方向上，以及光束前向上分别设置PD，以更有效地捕获、区分大小颗粒物的散射光信号，从而对气流中的PM2.5和PM10实现更有效的检测，以下结合图3加以说明。
[0032]需要说明的是，本实施例中为了方便说明，定义激光光源发出的激光的前向为直角坐标系的X向，气流的前向为该直角坐标系的Y向，激光与气流的交汇处为该直角本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光颗粒物传感装置，其特征在于，用于检测气流中的颗粒物，包括：激光光源、1个或多个第一类光电转换单元以及1个或多个第二类光电转换单元；激光光源发出的激光的前向为直角坐标系的X向，气流的前向为该直角坐标系的Y向，激光与气流的交汇处为该直角坐标系的原点O，经过O点并垂直于XOY平面的为Z向；所述第一类光电转换单元位于Z轴上，且其感光面朝向所述原点；所述第二类光电转换单元位于所述直角坐标系的X正半轴空间内，且其感光面朝向所述原点。2.根据权利要求1所述的激光颗粒物传感装置，其特征在于，所述第二类光电转换单元包含2个。3.根据权利要求2所述的激光颗粒物传感装置，其特征在于，2个所述第二类光电转换单元关于X轴对称设置。4.根据权利要求2或3所述的激光颗粒物传感装置，其特征在于，2个所述第二类光电转换单元感光面法线经过坐标系原点O且与X正半轴的夹角θ小于45
°
。5.根据权利要求4所述的激光颗粒物传感装置，其特征在于，所述夹角θ在30
°
至35
°
之间。6.根据权利要求1所述的激光颗粒物传感装置，其特征在于，所述第一类光电转换单元包含2个，分别位于Z正半轴和Z负半轴。7.一种测量颗粒物的方法，其特征在于，采用权利要求1至6中任一项所述的激光颗粒物传感装置，该方法包括：根据所述激光颗粒物传感装置提供的数据计算指定种类的颗粒物散射特征参...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴鑫，姚久飞，余永胜，许方华，
申请(专利权)人：成都派斯光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：