基于无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统及方法，其方法包括：在线烟气分析装置：用于寻找林火烟羽位置，从而对林火中的气溶胶及烟气进行准确采样并实时传输数据至地面站；VOCs采样装置：用于采集林火烟羽中的VOCs；PM

【技术实现步骤摘要】
基于无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统及方法


[0001]本专利技术涉及林火气溶胶及烟气外场观测与大气采样领域，具体涉及一种基于无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统及方法。
[0002]随着全球气候变化，林火发生的频率、强度和严重程度在不断增大，林火发生时会向大气排放大量的气态和颗粒污染物，不仅对区域及全球的大气化学及气候产生显著影响；而且引起的空气污染会成为数百万人主要的健康风险，已经成为一个日益严重的全球公共卫生问题。现场的真实火灾对于林火排放的研究具有重要意义，目前林火的现场实验的数据通常通过空中测量平台和地面观测平台获得。地面观测通常无法对排放影响最大的烟雾进行观测与采样，而空中观测采样平台可以实现。目前空中测量通常包括了无人机、系留气球、轻型飞机和气象塔。其中充满氦气的气球成本高；轻型飞机优点包括了有效载荷大、飞行距离远，但是无法垂直移动和悬停，另外发动机的排气对空中污染物的测量也有一定的影响，与此同时飞机昂贵也不易获得；气象塔的建设和维护也相当的昂贵；而无人机可以携带一定重量的载荷，在水平和垂直维度上具有很高的机动能力，即使在强风条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统，其特征在于，包括：在线烟气分析装置：由主控芯片、阀控电路、无线传输模块、第一颗粒物过滤器、CO传感器、CO2传感器、温湿度传感器、传感器变送电路、GPS模块和第一微型隔膜泵构成，用于寻找林火烟羽位置，从而实现对林火中的气溶胶及烟气进行准确采样并实时传输数据至地面站；VOCs采样装置：通过采样管连接VOCs采样装置的颗粒物过滤器、VOCs采样装置的针阀、真空采样瓶，以用于精准采集林火烟羽中的VOCs；PM
2.5
采样装置：通过采样管连接PM
2.5
旋风切割器及PM
2.5
采样装置的微型隔膜泵以用于采集林火排放的颗粒污染物PM
2.5
；单颗粒采样装置：通过限流孔控制单颗粒的采样流量，所述阀控电路控制单颗粒采样装置的微型隔膜泵的开关以实现不同采样时长，从而实现在铜网上收集到可分析的林火单颗粒；气溶胶消光光谱仪：由供电模块、光腔模块、气路模块、上位机模块四部分组成，用于林火气溶胶消光系数的高灵敏度原位在线测量；多旋翼无人机主体：用于搭载所述在线烟气分析装置以及其他任一种或多种装置组合，在林火区域按规划路线飞行及悬停，所述多旋翼无人机主体实时回传飞行状态，可存储实时视频和飞行路径功能，具备大容量锂电池可以为载荷装置供电；地面站：用于输入采样参数、发送操作指令，控制各个所述装置的启动与关闭，显示各个装置的工作状态，传输的数据存储在存储模块中，同时在线判断所述多旋翼无人机主体及其载荷是否位于林火烟羽内部以保证采样的准确性。2.根据权利要求1所述的无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统，其特征在于：所述在线烟气分析装置利用所述CO传感器、所述CO2传感器和所述温湿度传感器实时采集林火中的相应的数据信息，所述传感器变送电路将采集到的微弱电流信号转换并放大为电压信号后经所述主控芯片进行数字化处理分析，得到烟气分析数据，所述烟气分析数据经过所述无线传输模块传输至所述地面站显示并存储在存储模块中；所述地面站根据林火烟羽中CO2和CO浓度数据及大气环境中的CO2和CO背景浓度在线分析林火烟羽位置；所述主控芯片用于接收所述在线烟气分析装置、所述VOCs采样装置、所述PM
2.5
采样装置和所述单颗粒采样装置的工作状态；所述主控芯片将控制指令发送至所述阀控电路，用于控制所述VOCs采样装置、所述PM
2.5
采样装置和所述单颗粒采样装置的启动和关闭；所述无线传输模块用于各个装置与所述地面站的交互，完成实时传输数据和操作指令；所述在线烟气分析装置使用3D打印的PLA盒子作为载荷外部包装，烟气入口的位置设有第一颗粒物过滤器；根据林火气体浓度，所述CO传感器测量范围是0～5000ppm，测量精度为
±
1ppm；所述CO2传感器测量范围是0～5000ppm，测量精度为
±
15ppm；所述的湿度传感器测量范围是20％
‑
95％，精度
±
5％；所述的温度传感器测量范围是0～50℃，精度
±
2℃。3.根据权利要求1所述的无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统，其特征在于：所述VOCs采样装置，设有两个1L规格的真空采样瓶、VOCs采样装置的针阀及VOCs采样装置的颗粒物过滤器，各部分通过聚四氟乙烯管进行连接，采样口的处于所述多旋翼无人机主体上方竖直向上；所述真空采样瓶通过3D打印的PLA高强度轻量化支架凹槽及绑带并
排固定于所述多旋翼无人机主体上部；所述VOCs采样装置的针阀用于精准控制所述多旋翼无人机主体进入林火烟羽后，所述地面站向所述主控芯片发送采样指令，所述主控芯片控制所述阀控电路打开阀门采集林火烟羽中的VOCs。4.根据权利要求1所述的无人机载的林火气溶胶采样与烟气分析系统，其特征在于：所述PM
2.5
采样装置，位于所述多旋翼无人机主体的上部，设有PM
2.5
旋风切割器、采样管以及PM
2.5
采样装置的微型隔膜泵；所述多旋翼无人机主体搭载所述PM
2.5
采样装置进入林火烟羽内部，所述地面站向所述主控芯片发送采样指令至所述阀控电路，所述PM
2.5
采样装置的微型隔膜泵启动，林火中的PM
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：张启兴，孙玉萍，赵卫雄，周家成，崔卫华，王进军，张永明，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
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