一种气溶胶索特平均直径测量控制系统和传感器技术方案

本发明专利技术公开一种大气气溶胶索特平均直径测量控制系统和传感器，属于大气污染物传感领域。本发明专利技术通过使用两种波长的入射光、两个观察角构建了一个四通道的传感器，获取到四组散射光强信息，也即三组散射光强的比值信息，利用这三组信息构建能跟随不同气溶胶粒径分布、不同折射率而变化的转换系数，从而得到准确的大气气溶胶索特平均粒径值。且该传感器成本低，体积小。体积小。体积小。

【技术实现步骤摘要】
一种气溶胶索特平均直径测量控制系统和传感器


[0001]本专利技术属于大气污染物传感领域，更具体地，涉及一种大气气溶胶索特平均直径测量控制系统和传感器。

技术介绍

[0002]雾霾是我国秋冬季节常出现的天气现象，它主要由化石燃料燃烧、建筑扬尘、汽车尾气排放等产生的气溶胶演化扩散导致的。由于气溶胶的大小在10微米以下，故而可被人体吸入并沉积到呼吸道深处，其会对人们的健康产生不可逆的损害。因此，环境监测部门常通过监测大气气溶胶的质量浓度作为空气质量的评价指标，继而指示其危害程度。然而，最近的毒理学研究表明，气溶胶的危害还与其粒径大小和表面积相关。粒径越小，气溶胶在人体内部的沉积位置越深入，小于1um的气溶胶甚至可穿透支气管和肺泡进入到血液中，因此其危害也越大。此外，相同的质量浓度下，小粒子具有更大的表面积浓度，从而更容易携带重金属或者其他有毒物质，对人体组织造成更大的危害。因此，仅仅利用质量(体积)浓度这一参数来评价气溶胶的危害程度是不充分的，每单位质量浓度的气溶胶的接触危害性随着其粒径的降低而显著增加。
[0003]测量气溶胶的索特平均直径是一种有效的更加直接的方法。与粒径、平均粒径、中值粒径不同，索特平均直径在数值上等于6倍的气溶胶的体积浓度除以表面积浓度，因此其除了可表征气溶胶的大小还指示出了表面积信息。WO2016206000A1公开了一种基于双波长散射信号的气溶胶特征参数传感方法。构建具有短长两种波长(蓝光和红外光)发光器件、且具有两路探测信号的探测器，其中第一路(短波长)的发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角在90
°
以上，第二路(长波长)的发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角在90
°
以下。通过接收两种波长的光散射光功率，计算气溶胶表面积浓度和体积浓度，气溶胶体积浓度和气溶胶表面积浓度的比值乘以系数，得到气溶胶的索特平均直径，与对应门限比较，从而发出相应的火灾报警信号。
[0004]然而，该方法是针对火灾烟雾气溶胶设计，其气溶胶粒径为1000nm以下，折射率为1.55+0.02i、1.55+0.5i。而大气气溶胶粒径为0
‑
10000nm，折射率为1.53+0.001i、1.95+0.79i。光学方法测量气溶胶索特粒径的本质在于待测气溶胶样本之间是否能够通过不同的光信号特征区分开，换言之，优化选择的光信号可作为气溶胶索特粒径的指纹特征。而由于火灾气溶胶的粒径大小和折射率与大气气溶胶不同，且大气气溶胶的粒径分布范围更广，导致针对火灾优化的光学参数构建的光学指纹特征不具备区分识别大气气溶胶的能力，因此，前者无法用于大气气溶胶索特平均直径检测，且由于其光学通道是针对浓度测量确定的，测量索特平均直径存在误差。现有技术中缺少一种能够准确检测出大气气溶胶索特平均直径的方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种大气气溶胶索特平均直径测
量控制系统和传感器，其目的在于实现大气气溶胶索特平均直径的准确检测量。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种四通道散射光信号传感器，用于大气气溶胶索特平均直径测量，包括：
[0007]第一发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为40
°
；
[0008]第二发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为125
°
；
[0009]第一发光器件与第二发光器件均为能发出蓝光和红外光的双波长光源；
[0010]所述四通道散射光信号传感器工作时，所述发光器件根据控制信号发射光信号，作用于待测大气气溶胶；所述收光器件将待测大气气溶胶经发光器件发射的光信号作用下散射出的光信号转换为电信号，并发送给控制器；
[0011]或者，
[0012]第一发光器件、第三发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为40
°
；
[0013]第二发光器件、第四发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为125
°
；
[0014]第一发光器件与第二发光器件均为能发出蓝光的光源，第三发光器件与第四发光器件均为能发出红外光的光源；
[0015]所述四通道散射光信号传感器工作时，所述发光器件根据控制信号发射光信号，作用于待测大气气溶胶；所述收光器件将待测大气气溶胶经发光器件发射的光信号作用下散射出的光信号转换为电信号，并发送给控制器。
[0016]优选地，还包括：
[0017]具有若干发光孔和一个接收孔的壳体，用于容纳待测大气气溶胶，并形成一个光学迷宫；
[0018]所有发光器件均位于壳体底面，通过发光孔入射到光学迷宫内；
[0019]所述收光器件位于壳体底面，通过接收孔接收散射光信号。
[0020]为实现上述目的，按照本专利技术的第二方面，提供了一种大气气溶胶索特平均直径测量控制器，包括：
[0021]发光控制模块，用于轮流控制发光器件发出40
°
蓝光、40
°
红外光、125
°
蓝光、125
°
红外光，上述发光顺序允许交换；
[0022]计算模块，用于接收待测大气气溶胶的四组散射光强信号，构建三个光强比值，一起输入至标定模型，得到待测大气气溶胶的索特平均直径；
[0023]所述标定模型用于存储待测大气气溶胶的光强比值组和索特平均直径之间的映射关系。
[0024]优选地，所述构建三个光强比值，具体如下：
[0025]所述三个光强比值由所述四通道光信号中的第二、三、四通道的光强信号分别除以第一通道的光强信号得到。
[0026]优选地，所述标定模型通过以下步骤建立：
[0027]获取所有不同索特平均直径的大气气溶胶在所述四个通道的光强信号；
[0028]对每种索特平均直径的大气气溶胶，构建光强比值组；
[0029]将每种大气气溶胶对应的索特平均直径和所述光强比值组对应存储于所述标定模型。
[0030]优选地，所述标定模型通过以下步骤建立：
[0031]获取所有不同索特平均直径的大气气溶胶在所述四个通道的光强信号；
[0032]对每种索特平均直径的大气气溶胶，构建光强比值组；
[0033]将每种大气气溶胶对应的光强比值组作为数据样本，对应的索特平均直径作为数据标签，得到训练数据集；
[0034]采用训练数据集训练神经网络模型，通过神经网络建立索特平均直径和所述光强比值组之间的超平面数学映射模型，所述训练好的神经网络模型即为所述标定模型。
[0035]为实现上述目的，按照本专利技术的第三方面，提供了一种大气气溶胶索特平均直径测量系统，包括如第一方面所述的四通道散射光信号传感器，如第二方面所述的大气气溶胶索特平均直径测量控制器。
[0036]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0037](1)针对大气气溶胶索特平均直径测量，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四通道散射光信号传感器，用于大气气溶胶索特平均直径测量，其特征在于，包括：第一发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为40
°
；第二发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为125
°
；第一发光器件与第二发光器件均为能发出蓝光和红外光的双波长光源；所述四通道散射光信号传感器工作时，所述发光器件根据控制信号发射光信号，作用于待测大气气溶胶；所述收光器件将待测大气气溶胶经发光器件发射的光信号作用下散射出的光信号转换为电信号，并发送给控制器；或者，第一发光器件、第三发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为40
°
；第二发光器件、第四发光器件与收光器件光学轴线之间的夹角为125
°
；第一发光器件与第二发光器件均为能发出蓝光的光源，第三发光器件与第四发光器件均为能发出红外光的光源；所述四通道散射光信号传感器工作时，所述发光器件根据控制信号发射光信号，作用于待测大气气溶胶；所述收光器件将待测大气气溶胶经发光器件发射的光信号作用下散射出的光信号转换为电信号，并发送给控制器。2.如权利要求1所述的四通道散射光信号传感器，其特征在于，还包括：具有若干发光孔和一个接收孔的壳体，用于容纳待测大气气溶胶，并形成一个光学迷宫；所有发光器件均位于壳体底面，通过发光孔入射到光学迷宫内；所述收光器件位于壳体底面，通过接收孔接收散射光信号。3.一种大气气溶胶索特平均直径测量控制器，其特征在于，包括：发光控制模块，用于轮流控制发光器件发出40
°
蓝光、40
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓田，王殊，陈昂，曾金，郑翔，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：