基于光電融合的pm2.5濃度檢測系統及檢測方法
【專利摘要】本發明屬于PM2.5濃度檢測【技術領域】，特別涉及一種基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統及檢測方法。該系統由通氣室、測量室、檢測部分組成，通氣室和測量室之間由氣體切割器分隔開，測量室的另一端與檢測通道連接；檢測部分設置在檢測通道周圍，由光檢測部分、電檢測部分和數據處理部分組成；光檢測部分和電檢測部分分別與數據處理部分連接。采用光檢測和電檢測分別對PM2.5顆粒的濃度進行檢測，然后運用卡爾曼濾波算法，對兩路檢測信號進行融合計算。本發明不使用激光發生器，大大降低了系統的造價，同時，用兩種不同原理的檢測方法獲得檢測數據，并通過融合計算獲得真實值，可以保證系統的檢測精度。
【專利說明】基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于PM2.5濃度檢測【技術領域】，特別涉及一種基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統及檢測方法。
【背景技術】
[0002]PM2.5也叫可入肺顆粒，指空氣動力學直徑小于等于2.5微米的顆粒物，其在空氣中形成的大氣氣溶膠相比于其余粒徑范圍的顆粒物形成的氣溶膠具有更大的消光系數，是今年來常見的“霧霾”現象的主要污染物。由于PM2.5的比表面積大，易吸附有毒、有害物質，并提供大氣反應物的反應床，生成二次污染物，因此對環境危害極大。
[0003]當光照射到PM2.5氣溶膠后，由于顆粒物對光的散射、吸收和發散，使得光在空間中的光強分布與顆粒物濃度存在相關關系。基于此原理，市場主流的產品大多是基于激光的散射式PM2.5濃度儀，雖然檢測精度高、重復性好，但設備造價高昂，難以普及。
【發明內容】
[0004]為解決以上問題，本發明的目的是設計一種精度與激光散射式檢測儀相當、性價比高的基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統及檢測方法，以滿足市場對此類產品的需求。
[0005]為達到以上目的，本發明的采用的技術方案為:
[0006]該檢測系統由通氣室、測量室、檢測部分組成；所述測量室為前寬后窄的漏斗形，通氣室和測量室的寬端之間由氣體切割器分隔開；測量室的窄端與檢測通道連接；
[0007]所述檢測部分設置在檢測通道周圍，由光檢測部分、電檢測部分和數據處理部分組成；光檢測部分和電檢測部分分別與數據處理部分連接；
[0008]所述光檢測部分由光電探測器和不導電的光學玻璃組成；環形的光學玻璃設置在檢測通道壁上，光學玻璃外側設置光電探測器；
[0009]所述電檢測部分由導電極板構成的電容器和微小電容檢測電路組成；電容器設置在光學玻璃后方的檢測通道壁上，微小電容檢測電路與電容器連接。
[0010]所述通氣室與測量室連接處的橫截面為矩形；所述氣體切割器為密封安裝。
[0011]所述檢測通道的橫截面為長寬均為5?10_的矩形。
[0012]所述數據處理部分為處理電路和顯示器。
[0013]所述系統中，除光學玻璃，其余部分均為不透明材料。
[0014]基于上述檢測系統的檢測方法，包括以下步驟:
[0015](一)獲得待檢測的只含PM2.5的空氣:
[0016]普通空氣從通氣室的入口進入檢測系統，由氣體切割器將空氣中的PM2.5顆粒物與非PM2.5顆粒物分離；含有PM2.5的空氣進入測量室，靜置待測量室內PM2.5濃度穩定后開始檢測；
[0017](二)檢測部分工作，獲得檢測信號，并對其進行處理:
[0018]首先打開光電探測器，光源發出的白光經過含有PM2.5的空氣之后，由于PM2.5顆粒對光的折射、散射和吸收，通過含有PM2.5的空氣的光的強度與PM2.5顆粒的濃度相關，位于光源另一側的探頭將光強度信號轉化為電信號，形成第一路光檢測信號；
[0019]然后打開電檢測部分，電容器的電容值與PM2.5顆粒的濃度有關，通過微小電容檢測電路將電容器的電容值轉化為電信號，形成第二路電檢測信號；
[0020]將所獲得的兩路信號分別進行信號處理，通過濾波、整形轉換為0-5V的標準電壓信號，經過模數轉換送入數據處理部分；
[0021](三)運用卡爾曼濾波算法，對兩路檢測信號進行融合計算:
[0022]數據處理部分接收到信號后，將同一時刻的送入的光檢測信號和電檢測信號存儲在二維數組的同一列，光檢測信號按照時間先后存儲在二維數組的第一行，電檢測信號按照時間先后順序存儲在二維數組的第二行；數據處理部分按照卡爾曼濾波算法對兩路信號進行融合計算，將計算結果存儲在另一個一維數組中，需要時進行輸出顯示。
[0023]本發明的有益效果為:
[0024]本發明的光檢測部分與現在常用的激光散射式檢測儀基于同一個物理過程，但本發明檢測的物理量是經過氣溶膠顆粒物的光強度，與檢測散射光強度的設備相比，最大的優點是利用白光也能取得較好的檢測特性，可以大大降低系統造價。
[0025]同時，用兩種不同原理的檢測方法獲得檢測數據，并通過融合計算獲得真實值，可以保證系統的檢測精度。
[0026]此外，通過調整融合算法參數，可以實現任意映射關系，以改變融合計算的結果，因此系統對硬件精度的依賴程度減少，可以通過軟件補償的方式對檢測結果進行修正，降低了硬件生產精度，也可以降低系統成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明的工作流程示意圖。
[0028]圖2是本發明的系統結構示意圖。
[0029]圖3是采用圓形切割器時，從進風方向看的系統結構示意圖。
[0030]圖4是微小電容檢測電路的結構圖。
[0031 ] 圖5是融合算法的流程圖。
[0032]圖6是融合算法的結果。
[0033]圖中標號:
[0034]1-通氣室，2-切割頭，3-測量室，4-處理電路和顯示器，5-光電探測器，6_光學玻璃，7-電容器。
【具體實施方式】
[0035]本發明提供了一種基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統及檢測方法，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0036]本發明的檢測原理和流程如圖1所示，系統結構如圖2所示，標號Cx表示測量電容，D表不進風方向。
[0037]該系統由通氣室1、測量室3、檢測部分組成；所述測量室3為前寬后窄的漏斗形，通氣室I和測量室3的寬端之間由氣體切割器2分隔開；測量室3的窄端與檢測通道連接。通氣室I與測量室3連接處的橫截面為矩形；所述氣體切割器2為圓形或矩形，采用密封安裝，其功能是將普通空氣分為只含PM2.5顆粒的部分和其余部分，當采用圓形的氣體切割器2時，從進風方向看氣體切割器2如圖3所示。
[0038]為降低傳感器成本，測量室3檢測處高度不宜過大，否則會導致測量電容值過小、透射光強度過小，從而要求系統選用靈敏度更高的傳感器，進而提高成本，同時檢測處高度不宜過小，否則檢測處風速增量過大會導致實際風速波動較大，影響測量精度，檢測通道的橫截面為長寬均為5?1mm的矩形比較合適。
[0039]檢測部分設置在檢測通道周圍，由光檢測部分、電檢測部分和數據處理部分組成；光檢測部分和電檢測部分分別與數據處理部分連接。數據處理部分為處理電路和顯示器4，安裝在測量室3的外壁上。
[0040]所述光檢測部分由光電探測器5和不導電的光學玻璃6組成；環形的光學玻璃6設置在檢測通道壁上，光學玻璃6外側設置光電探測器5。光檢測部分與現在常用的激光散射式檢測儀基于同一個物理過程，但本發明檢測的物理量是經過氣溶膠顆粒物的光強度，與檢測散射光強度的設備相比，最大的優點是利用白光也能取得較好的檢測特性，可以大大降低系統造價。
[0041]所述電檢測部分由導電極板構成的電容器7和微小電容檢測電路組成；電容器7設置在光學玻璃6后方的檢測通道壁上，微小電容檢測電路與電容器7連接。電檢測部分的原理是PM2.5顆粒的電學特性與空氣不同，含有不同濃度的PM2.5顆粒的空氣所具有的介電常數不同，進而導致測量電容不同，通過標定可以獲得測量電容值與PM2.5顆粒濃度的對應關系。
[0042]微小電容檢測電路的結構如圖4所示。
[0043]電路中標號i表示電路輸入，Cx表示待測電容，Cr表示參考電容，U是一個運算放大器，R1、R2、R3和Rf表示電阻。
[0044]該電路工作的原理為:先閉合兩個開關，此時兩個電容都放電，同時接通兩個電子開關，由大小相同的電流源同時給待測電容和參考電容充電，根據電容的定義式:
[0045]C = Q/U = i.Δ t/U,
[0046]在電容充電過程中，電容器兩端電壓滿足:
[0047]U = i.Δ t/C,
[0048]經過運算放大器進行減法運算后，運算放大器的兩端輸入的電壓差有如下關系:
[0049]U0 =ICx-1-At/Cr)
J
[0050]顯然，輸出電壓Utl正比于充電時間，其比例系數反映了 Cx的值。
[0051]由于電容充電時間比較短，同時為避免弛豫現象，上述過程不宜持續較長時間。
[0052]為避免干擾光檢測部分檢測精度，該系統除不導電的光學玻璃6外，其余部分均采用不透明材料，同時在信號處理時，采用差分的方法去掉環境光的干擾。
[0053]該檢測系統進行PM2.5濃度檢測的步驟為:
[0054](一 )獲得待檢測的只含PM2.5的空氣:
[0055]普通空氣從通氣室I的入口進入檢測系統，由氣體切割器2將空氣中的PM2.5顆粒物與非PM2.5顆粒物分離；含有PM2.5的空氣進入測量室3，靜置待測量室3內PM2.5濃度穩定后開始檢測；
[0056]( 二)檢測部分工作，獲得檢測信號，并對其進行處理:
[0057]首先打開光電探測器5，光源發出的白光經過含有PM2.5的空氣之后，由于PM2.5顆粒對光的折射、散射和吸收，通過含有PM2.5的空氣的光的強度與PM2.5顆粒的濃度相關，位于光源另一側的探頭將光強度信號轉化為電信號，形成第一路光檢測信號；
[0058]然后打開電檢測部分，電容器7的電容值與PM2.5顆粒的濃度有關，通過微小電容檢測電路將電容器7的電容值轉化為電信號，形成第二路電檢測信號；
[0059]將所獲得的兩路信號分別進行信號處理，通過濾波、整形轉換為0-5V的標準電壓信號，經過模數轉換送入數據處理部分；
[0060](三)運用卡爾曼濾波算法，對兩路檢測信號進行融合計算:
[0061]數據融合的本質是根據含有真實濃度的多個檢測值，尋找到檢測值和真實值的映射關系，采用卡爾曼濾波算法。卡爾曼濾波算法是經典線性回歸假設下的最優解，能最大程度地避免隨機噪聲對檢測效果的干擾。圖5是卡爾曼濾波算法的過程，圖中區域I表示預測環節，區域II表示修正環節。
[0062]算法假設系統的數學模型由公式(I)、公式(2)組成。
[0063]S (k) =A* S (k~l)+w (k~l) (I)
[0064]Z (k) = C.S (k) +v (k) (2)
[0065]其中，k表示第k次融合，S表示真實值，w表示模型中引入的噪聲，Z表示檢測值，V表示檢測時引入的噪聲，A、C為已知系數。以上所有參數可以是標量形式，也可以是矩陣形式。
[0066]公式(I)的含義是，在沒有外部輸入的情況下，系統的實際狀態會由于某些不可知的因素在一定范圍內波動，若宏觀考慮，貝1J可忽略后一項。在本例中，盡管空氣中PM2.5的濃度會受到排放、天氣等因素的影響，但卡爾曼濾波算法是基于檢測值的濾波算法，所以并不影響濾波效果。
[0067]公式(2)的含義是，當前的檢測值除了與真實值有關，還會引入一些不可消除的隨機噪聲，即檢測過程中的隨機誤差。
[0068]濾波開始時，先將同一時刻的送入的光檢測信號和電檢測信號存儲在二維數組的同一列，光檢測信號按照時間先后存儲在二維數組的第一行，電檢測信號按照時間先后順序存儲在二維數組的第二行，形成一個2行若干列的矩陣。然后啟動濾波算法，按照公式的順序，每計算一次，即可獲得和當前的檢測值所對應的時刻的真實值。
[0069]E' (k) = A.E(k-l).AT+Q (3)
[0070]H(k)=E' (k)*CT/ (OE' (k).CT+R) (4)
[0071]E(k) = (1-H(k).C).E' (k) (5)
[0072]
5(^) -.4.5 (> -1) H- // (^) (Z (^) - C..4.5 (^ -1))(6)
[0073]其中，》是融合計算的結果，I表示單位矩陣，階數與式中其他部分相同，其余為計算過程中的中間過程值。上標“T”表示矩陣的共軛轉置，不出現虛數的情況下就是矩陣的轉置，如果全部為標量運算，則可以忽略。
[0074]Q和R是前面提到過的調整濾波算法效果的參數信息，當Q等于模型中的隨機擾動w的協方差矩陣、R等于測量過程中的隨機擾動V的協方差矩陣時，濾波算法的計算結果是最好的。在實際中，可以通過改變Q和R的值調整濾波算法的性能。
[0075]圖6是融合算法的結果，圖中實線對應實際值，虛線對應融合計算的結果，其余兩條曲線分別對應一個實測值。可以看到，根據兩路誤差較大但含有真實值信息的實測值，融合計算的結果與真實值相差不大。
【權利要求】
1.一種基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統，由通氣室(I)、測量室(3)、檢測部分組成，其特征在于，所述測量室(3)為前寬后窄的漏斗形，通氣室(I)和測量室(3)的寬端之間由氣體切割器(2)分隔開；測量室(3)的窄端與檢測通道連接； 所述檢測部分設置在檢測通道周圍，由光檢測部分、電檢測部分和數據處理部分組成；光檢測部分和電檢測部分分別與數據處理部分連接； 所述光檢測部分由光電探測器(5)和不導電的光學玻璃(6)組成；環形的光學玻璃(6)設置在檢測通道壁上，光學玻璃(6)外側設置光電探測器(5)； 所述電檢測部分由導電極板構成的電容器(7)和微小電容檢測電路組成；電容器(7)設置在光學玻璃(6)后方的檢測通道壁上，微小電容檢測電路與電容器(7)連接。
2.根據權利要求1所述的基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統，其特征在于，所述通氣室(I)與測量室(3)連接處的橫截面為矩形；所述氣體切割器(2)為密封安裝。
3.根據權利要求1所述的基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統，其特征在于，所述檢測通道的橫截面為長寬均為5?1mm的矩形。
4.根據權利要求1所述的基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統，其特征在于，所述數據處理部分為處理電路和顯示器(4)。
5.根據權利要求1所述的基于光電融合的PM2.5濃度檢測系統，其特征在于，所述系統中，除光學玻璃￠)，其余部分均為不透明材料。
6.一種基于權利要求1所述檢測系統的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: (一)獲得待檢測的只含PM2.5的空氣: 普通空氣從通氣室(I)的入口進入檢測系統，由氣體切割器(2)將空氣中的PM2.5顆粒物與非PM2.5顆粒物分離；含有PM2.5的空氣進入測量室(3)，靜置待測量室(3)內PM2.5濃度穩定后開始檢測； (二)檢測部分工作，獲得檢測信號，并對其進行處理: 首先打開光電探測器(5)，光源發出的白光經過含有PM2.5的空氣之后，由于PM2.5顆粒對光的折射、散射和吸收，通過含有PM2.5的空氣的光的強度與PM2.5顆粒的濃度相關，位于光源另一側的探頭將光強度信號轉化為電信號，形成第一路光檢測信號； 然后打開電檢測部分，電容器(7)的電容值與PM2.5顆粒的濃度有關，通過微小電容檢測電路將電容器(7)的電容值轉化為電信號，形成第二路電檢測信號； 將所獲得的兩路信號分別進行信號處理，通過濾波、整形轉換為0-5V的標準電壓信號，經過模數轉換送入數據處理部分； (三)運用卡爾曼濾波算法，對兩路檢測信號進行融合計算: 數據處理部分接收到信號后，將同一時刻的送入的光檢測信號和電檢測信號存儲在二維數組的同一列，光檢測信號按照時間先后存儲在二維數組的第一行，電檢測信號按照時間先后順序存儲在二維數組的第二行；數據處理部分按照卡爾曼濾波算法對兩路信號進行融合計算，將計算結果存儲在另一個一維數組中，需要時進行輸出顯示。
【文檔編號】G01N15/06GK104198348SQ201410470210
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】劉犇, 陳廣華 申請人:北京交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
