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基于光电融合的pm2.5浓度检测系统及检测方法
【专利摘要】本发明属于PM2.5浓度检测【技术领域】，特别涉及一种基于光电融合的PM2.5浓度检测系统及检测方法。该系统由通气室、测量室、检测部分组成，通气室和测量室之间由气体切割器分隔开，测量室的另一端与检测通道连接；检测部分设置在检测通道周围，由光检测部分、电检测部分和数据处理部分组成；光检测部分和电检测部分分别与数据处理部分连接。采用光检测和电检测分别对PM2.5颗粒的浓度进行检测，然后运用卡尔曼滤波算法，对两路检测信号进行融合计算。本发明不使用激光发生器，大大降低了系统的造价，同时，用两种不同原理的检测方法获得检测数据，并通过融合计算获得真实值，可以保证系统的检测精度。
【专利说明】基于光电融合的PM2.5浓度检测系统及检测方法

【技术领域】
[0001]本发明属于PM2.5浓度检测【技术领域】，特别涉及一种基于光电融合的PM2.5浓度检测系统及检测方法。

【背景技术】
[0002]PM2.5也叫可入肺颗粒，指空气动力学直径小于等于2.5微米的颗粒物，其在空气中形成的大气气溶胶相比于其余粒径范围的颗粒物形成的气溶胶具有更大的消光系数，是今年来常见的“雾霾”现象的主要污染物。由于PM2.5的比表面积大，易吸附有毒、有害物质，并提供大气反应物的反应床，生成二次污染物，因此对环境危害极大。
[0003]当光照射到PM2.5气溶胶后，由于颗粒物对光的散射、吸收和发散，使得光在空间中的光强分布与颗粒物浓度存在相关关系。基于此原理，市场主流的产品大多是基于激光的散射式PM2.5浓度仪，虽然检测精度高、重复性好，但设备造价高昂，难以普及。


【发明内容】

[0004]为解决以上问题，本发明的目的是设计一种精度与激光散射式检测仪相当、性价比高的基于光电融合的PM2.5浓度检测系统及检测方法，以满足市场对此类产品的需求。
[0005]为达到以上目的，本发明的采用的技术方案为:
[0006]该检测系统由通气室、测量室、检测部分组成；所述测量室为前宽后窄的漏斗形，通气室和测量室的宽端之间由气体切割器分隔开；测量室的窄端与检测通道连接；
[0007]所述检测部分设置在检测通道周围，由光检测部分、电检测部分和数据处理部分组成；光检测部分和电检测部分分别与数据处理部分连接；
[0008]所述光检测部分由光电探测器和不导电的光学玻璃组成；环形的光学玻璃设置在检测通道壁上，光学玻璃外侧设置光电探测器；
[0009]所述电检测部分由导电极板构成的电容器和微小电容检测电路组成；电容器设置在光学玻璃后方的检测通道壁上，微小电容检测电路与电容器连接。
[0010]所述通气室与测量室连接处的横截面为矩形；所述气体切割器为密封安装。
[0011]所述检测通道的横截面为长宽均为5?10_的矩形。
[0012]所述数据处理部分为处理电路和显示器。
[0013]所述系统中，除光学玻璃，其余部分均为不透明材料。
[0014]基于上述检测系统的检测方法，包括以下步骤:
[0015](一)获得待检测的只含PM2.5的空气:
[0016]普通空气从通气室的入口进入检测系统，由气体切割器将空气中的PM2.5颗粒物与非PM2.5颗粒物分离；含有PM2.5的空气进入测量室，静置待测量室内PM2.5浓度稳定后开始检测；
[0017](二)检测部分工作，获得检测信号，并对其进行处理:
[0018]首先打开光电探测器，光源发出的白光经过含有PM2.5的空气之后，由于PM2.5颗粒对光的折射、散射和吸收，通过含有PM2.5的空气的光的强度与PM2.5颗粒的浓度相关，位于光源另一侧的探头将光强度信号转化为电信号，形成第一路光检测信号；
[0019]然后打开电检测部分，电容器的电容值与PM2.5颗粒的浓度有关，通过微小电容检测电路将电容器的电容值转化为电信号，形成第二路电检测信号；
[0020]将所获得的两路信号分别进行信号处理，通过滤波、整形转换为0-5V的标准电压信号，经过模数转换送入数据处理部分；
[0021](三)运用卡尔曼滤波算法，对两路检测信号进行融合计算:
[0022]数据处理部分接收到信号后，将同一时刻的送入的光检测信号和电检测信号存储在二维数组的同一列，光检测信号按照时间先后存储在二维数组的第一行，电检测信号按照时间先后顺序存储在二维数组的第二行；数据处理部分按照卡尔曼滤波算法对两路信号进行融合计算，将计算结果存储在另一个一维数组中，需要时进行输出显示。
[0023]本发明的有益效果为:
[0024]本发明的光检测部分与现在常用的激光散射式检测仪基于同一个物理过程，但本发明检测的物理量是经过气溶胶颗粒物的光强度，与检测散射光强度的设备相比，最大的优点是利用白光也能取得较好的检测特性，可以大大降低系统造价。
[0025]同时，用两种不同原理的检测方法获得检测数据，并通过融合计算获得真实值，可以保证系统的检测精度。
[0026]此外，通过调整融合算法参数，可以实现任意映射关系，以改变融合计算的结果，因此系统对硬件精度的依赖程度减少，可以通过软件补偿的方式对检测结果进行修正，降低了硬件生产精度，也可以降低系统成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1是本发明的工作流程示意图。
[0028]图2是本发明的系统结构示意图。
[0029]图3是采用圆形切割器时，从进风方向看的系统结构示意图。
[0030]图4是微小电容检测电路的结构图。
[0031 ] 图5是融合算法的流程图。
[0032]图6是融合算法的结果。
[0033]图中标号:
[0034]1-通气室，2-切割头，3-测量室，4-处理电路和显示器，5-光电探测器，6_光学玻璃，7-电容器。

【具体实施方式】
[0035]本发明提供了一种基于光电融合的PM2.5浓度检测系统及检测方法，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0036]本发明的检测原理和流程如图1所示，系统结构如图2所示，标号Cx表示测量电容，D表不进风方向。
[0037]该系统由通气室1、测量室3、检测部分组成；所述测量室3为前宽后窄的漏斗形，通气室I和测量室3的宽端之间由气体切割器2分隔开；测量室3的窄端与检测通道连接。通气室I与测量室3连接处的横截面为矩形；所述气体切割器2为圆形或矩形，采用密封安装，其功能是将普通空气分为只含PM2.5颗粒的部分和其余部分，当采用圆形的气体切割器2时，从进风方向看气体切割器2如图3所示。
[0038]为降低传感器成本，测量室3检测处高度不宜过大，否则会导致测量电容值过小、透射光强度过小，从而要求系统选用灵敏度更高的传感器，进而提高成本，同时检测处高度不宜过小，否则检测处风速增量过大会导致实际风速波动较大，影响测量精度，检测通道的横截面为长宽均为5?1mm的矩形比较合适。
[0039]检测部分设置在检测通道周围，由光检测部分、电检测部分和数据处理部分组成；光检测部分和电检测部分分别与数据处理部分连接。数据处理部分为处理电路和显示器4，安装在测量室3的外壁上。
[0040]所述光检测部分由光电探测器5和不导电的光学玻璃6组成；环形的光学玻璃6设置在检测通道壁上，光学玻璃6外侧设置光电探测器5。光检测部分与现在常用的激光散射式检测仪基于同一个物理过程，但本发明检测的物理量是经过气溶胶颗粒物的光强度，与检测散射光强度的设备相比，最大的优点是利用白光也能取得较好的检测特性，可以大大降低系统造价。
[0041]所述电检测部分由导电极板构成的电容器7和微小电容检测电路组成；电容器7设置在光学玻璃6后方的检测通道壁上，微小电容检测电路与电容器7连接。电检测部分的原理是PM2.5颗粒的电学特性与空气不同，含有不同浓度的PM2.5颗粒的空气所具有的介电常数不同，进而导致测量电容不同，通过标定可以获得测量电容值与PM2.5颗粒浓度的对应关系。
[0042]微小电容检测电路的结构如图4所示。
[0043]电路中标号i表示电路输入，Cx表示待测电容，Cr表示参考电容，U是一个运算放大器，R1、R2、R3和Rf表示电阻。
[0044]该电路工作的原理为:先闭合两个开关，此时两个电容都放电，同时接通两个电子开关，由大小相同的电流源同时给待测电容和参考电容充电，根据电容的定义式:
[0045]C = Q/U = i.Δ t/U,
[0046]在电容充电过程中，电容器两端电压满足:
[0047]U = i.Δ t/C,
[0048]经过运算放大器进行减法运算后，运算放大器的两端输入的电压差有如下关系:
[0049]U0 =ICx-1-At/Cr)




J
[0050]显然，输出电压Utl正比于充电时间，其比例系数反映了 Cx的值。
[0051]由于电容充电时间比较短，同时为避免弛豫现象，上述过程不宜持续较长时间。
[0052]为避免干扰光检测部分检测精度，该系统除不导电的光学玻璃6外，其余部分均采用不透明材料，同时在信号处理时，采用差分的方法去掉环境光的干扰。
[0053]该检测系统进行PM2.5浓度检测的步骤为:
[0054](一 )获得待检测的只含PM2.5的空气:
[0055]普通空气从通气室I的入口进入检测系统，由气体切割器2将空气中的PM2.5颗粒物与非PM2.5颗粒物分离；含有PM2.5的空气进入测量室3，静置待测量室3内PM2.5浓度稳定后开始检测；
[0056]( 二)检测部分工作，获得检测信号，并对其进行处理:
[0057]首先打开光电探测器5，光源发出的白光经过含有PM2.5的空气之后，由于PM2.5颗粒对光的折射、散射和吸收，通过含有PM2.5的空气的光的强度与PM2.5颗粒的浓度相关，位于光源另一侧的探头将光强度信号转化为电信号，形成第一路光检测信号；
[0058]然后打开电检测部分，电容器7的电容值与PM2.5颗粒的浓度有关，通过微小电容检测电路将电容器7的电容值转化为电信号，形成第二路电检测信号；
[0059]将所获得的两路信号分别进行信号处理，通过滤波、整形转换为0-5V的标准电压信号，经过模数转换送入数据处理部分；
[0060](三)运用卡尔曼滤波算法，对两路检测信号进行融合计算:
[0061]数据融合的本质是根据含有真实浓度的多个检测值，寻找到检测值和真实值的映射关系，采用卡尔曼滤波算法。卡尔曼滤波算法是经典线性回归假设下的最优解，能最大程度地避免随机噪声对检测效果的干扰。图5是卡尔曼滤波算法的过程，图中区域I表示预测环节，区域II表示修正环节。
[0062]算法假设系统的数学模型由公式(I)、公式(2)组成。
[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表示真实值，w表示模型中引入的噪声，Z表示检测值，V表示检测时引入的噪声，A、C为已知系数。以上所有参数可以是标量形式，也可以是矩阵形式。
[0066]公式(I)的含义是，在没有外部输入的情况下，系统的实际状态会由于某些不可知的因素在一定范围内波动，若宏观考虑，贝1J可忽略后一项。在本例中，尽管空气中PM2.5的浓度会受到排放、天气等因素的影响，但卡尔曼滤波算法是基于检测值的滤波算法，所以并不影响滤波效果。
[0067]公式(2)的含义是，当前的检测值除了与真实值有关，还会引入一些不可消除的随机噪声，即检测过程中的随机误差。
[0068]滤波开始时，先将同一时刻的送入的光检测信号和电检测信号存储在二维数组的同一列，光检测信号按照时间先后存储在二维数组的第一行，电检测信号按照时间先后顺序存储在二维数组的第二行，形成一个2行若干列的矩阵。然后启动滤波算法，按照公式的顺序，每计算一次，即可获得和当前的检测值所对应的时刻的真实值。
[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，》是融合计算的结果，I表示单位矩阵，阶数与式中其他部分相同，其余为计算过程中的中间过程值。上标“T”表示矩阵的共轭转置，不出现虚数的情况下就是矩阵的转置，如果全部为标量运算，则可以忽略。
[0074]Q和R是前面提到过的调整滤波算法效果的参数信息，当Q等于模型中的随机扰动w的协方差矩阵、R等于测量过程中的随机扰动V的协方差矩阵时，滤波算法的计算结果是最好的。在实际中，可以通过改变Q和R的值调整滤波算法的性能。
[0075]图6是融合算法的结果，图中实线对应实际值，虚线对应融合计算的结果，其余两条曲线分别对应一个实测值。可以看到，根据两路误差较大但含有真实值信息的实测值，融合计算的结果与真实值相差不大。
【权利要求】
1.一种基于光电融合的PM2.5浓度检测系统，由通气室(I)、测量室(3)、检测部分组成，其特征在于，所述测量室(3)为前宽后窄的漏斗形，通气室(I)和测量室(3)的宽端之间由气体切割器(2)分隔开；测量室(3)的窄端与检测通道连接； 所述检测部分设置在检测通道周围，由光检测部分、电检测部分和数据处理部分组成；光检测部分和电检测部分分别与数据处理部分连接； 所述光检测部分由光电探测器(5)和不导电的光学玻璃(6)组成；环形的光学玻璃(6)设置在检测通道壁上，光学玻璃(6)外侧设置光电探测器(5)； 所述电检测部分由导电极板构成的电容器(7)和微小电容检测电路组成；电容器(7)设置在光学玻璃(6)后方的检测通道壁上，微小电容检测电路与电容器(7)连接。
2.根据权利要求1所述的基于光电融合的PM2.5浓度检测系统，其特征在于，所述通气室(I)与测量室(3)连接处的横截面为矩形；所述气体切割器(2)为密封安装。
3.根据权利要求1所述的基于光电融合的PM2.5浓度检测系统，其特征在于，所述检测通道的横截面为长宽均为5?1mm的矩形。
4.根据权利要求1所述的基于光电融合的PM2.5浓度检测系统，其特征在于，所述数据处理部分为处理电路和显示器(4)。
5.根据权利要求1所述的基于光电融合的PM2.5浓度检测系统，其特征在于，所述系统中，除光学玻璃￠)，其余部分均为不透明材料。
6.一种基于权利要求1所述检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤: (一)获得待检测的只含PM2.5的空气: 普通空气从通气室(I)的入口进入检测系统，由气体切割器(2)将空气中的PM2.5颗粒物与非PM2.5颗粒物分离；含有PM2.5的空气进入测量室(3)，静置待测量室(3)内PM2.5浓度稳定后开始检测； (二)检测部分工作，获得检测信号，并对其进行处理: 首先打开光电探测器(5)，光源发出的白光经过含有PM2.5的空气之后，由于PM2.5颗粒对光的折射、散射和吸收，通过含有PM2.5的空气的光的强度与PM2.5颗粒的浓度相关，位于光源另一侧的探头将光强度信号转化为电信号，形成第一路光检测信号； 然后打开电检测部分，电容器(7)的电容值与PM2.5颗粒的浓度有关，通过微小电容检测电路将电容器(7)的电容值转化为电信号，形成第二路电检测信号； 将所获得的两路信号分别进行信号处理，通过滤波、整形转换为0-5V的标准电压信号，经过模数转换送入数据处理部分； (三)运用卡尔曼滤波算法，对两路检测信号进行融合计算: 数据处理部分接收到信号后，将同一时刻的送入的光检测信号和电检测信号存储在二维数组的同一列，光检测信号按照时间先后存储在二维数组的第一行，电检测信号按照时间先后顺序存储在二维数组的第二行；数据处理部分按照卡尔曼滤波算法对两路信号进行融合计算，将计算结果存储在另一个一维数组中，需要时进行输出显示。
【文档编号】G01N15/06GK104198348SQ201410470210
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】刘犇, 陈广华 申请人:北京交通大学