摘要：PM2.5含有大量有毒有害物质，对人的身体影响危害很大，目前已成为环境污染检测的重点。如今，有效地防治PM2.5污染的前提就是对PM2. 5粉尘进行实时监测。本文主要介绍了PM2.5粉尘检测仪的研究方法，其中包括设计的原理、结构以及相关技术指标等。
关键词：PM2.5；粉尘检测；光散射
Abstract: PM2.5 contains a large number of toxic and harmful substances, great harm to the human body, has now become the focus of environmental pollution testing. Now, the effective prevention and control of PM2.5 pollution is the premise of PM2.5 dust real-time monitoring. This paper mainly introduces the research method of PM2.5 dust detector, including the principle of design, structure and related technical indicators.
Key words: PM2.5 ; Dust detection; light scattering
1 引言
现代工业的不断快速发展，在给我们带来现代化生活的同时，也给我们所生存的环境造成的很大的污染，而环境污染的重要方面之一就是大气中的悬浮颗粒物严重超标。悬浮在空气中的颗粒物(又称为“粉尘”)能够在较长的时间内一直悬浮在空气中。环境保护部门将空气动力学当量直径 > 的悬浮颗粒称为可见粉尘:它们在静止空气中会快速沉降;空气动力学当量直径 的悬浮颗粒称为可吸入颗粒物[1]。这些小粒径颗粒物能长时间漂浮于空气中,难以沉降到地面,易被吸入人体呼吸道,且粒径越小,进入人体呼吸道的位置越深,对人体的危害越大,因而研究大气粉尘含量的测量方法意义重大[2]。
PM2.5是指空气动力学直径小于等于 的颗粒物，又称细颗粒物或可入肺颗粒物。PM2.5可以进入人体的呼吸道，严重危害人体健康，是环境污染的主要污染物之一；对大气环境中PM2.5颗粒物的含量检测已经成为环境监测中的主要指标之一。PM2.5来源广泛，成分复杂,检测困难。PM2.5浓度值越高，说明空气污染越严重。要改善空气质量，首要任务就是检测PM2.5的质量浓度大小，因此，设计并制造一种在线实时监测PM2.5粉尘浓度的仪器就显得颇为重要。
目前国内外研制生产的各类测量粉尘浓度的仪器及选用的测量方法种类繁多，主要分为两种类型：基于取样法的测量和基于非取样法的测量。目前各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法主要有振荡天平法、光散射法、β射线法等，而光散射法是目前测量室内外粉尘浓度的主要测量方法。因为用该方法来测量粉尘颗粒是属于非接触式的，在测量过程中不会影响到粉尘粒子的物化性质并且该方法具有快速换算，实时监控的特点。
2 PM2.5粉尘浓度检测仪器的设计原理
光散射法测量粉尘浓度的基本原理：当光照射在光敏区的样本气体中悬浮的粉尘颗粒时，粉尘颗粒物会发生Mie散射，从而产生散射光，被散射光收集系统收集，在粉尘性质一定的条件下，粉尘的散射光强度与其质量浓度成正比，通过测量散射光强度，应用质量浓度转换系数K值，进而求得大气中悬浮粉尘的质量浓度。
在光与粉尘颗粒相互作用过程中，当光波遇到粒子直径比它的波长还要小的粒子时，光波就会由于衍射作用而绕过它们继续传播[2]。
以激光作为光源把它照射到一个人为可控的不同质量浓度的烟雾粉尘环境中，只要找出充斥着不同质量浓度粉尘颗粒的环境中光源光强的衰变规律，便可以拟合出一个光源光强的衰变率和相应的粉尘颗粒浓度的曲线，从而对光源光强的衰减率和环境中粉尘颗粒的浓度的关系进行数学相关。
3 PM2.5粉尘浓度检测仪的主要系统组成
PM2.5粉尘浓度检测仪是由气路系统、光学系统、信号处理系统、放大器、AD转换、微机控制系统以及电源系统等组成。图一为PM2.5粉尘浓度检测仪总体系统原理框图。
图一PM2.5粉尘浓度检测仪总体系统原理框图
3.1 气路系统组成
该粉尘检测仪的气路系统主要是由冲击式粒径切割器、腔体、过滤器、出气口以及隔膜泵等组成。整个气路系统的作用就是能够获得所需要的采样样本气体,并且使带有粉尘颗粒的采样气体通过光学敏感区域,促使粉尘产生相应的散射光信号,从而被光电二极管所接收。考虑到散射腔体内的压差变化，我们需要设计出合理的进气口切割器尺寸来保证从进气口喷嘴流出的气流能够全部流经激光束。
3.2 光学系统
光学系统主要是由激光光源、光电二极管、透镜组等组成。该系统的轴线与采样气流的轴线相互垂直,交点周围的一个小区域是测量系统的光敏感区,它是粉尘流过时得到照明并产生散射光的位置。这是一个90°散射的光学系统,
3.3 信号处理系统
为了对光散射信号进行相应的处理，需要将其进行放大以及滤波。信号处理电路是由前置放大器以及主放大器构成，前置放大器是由一个高增益的反相放大器组成，它在把光电二极管输出的电流信号转换成电压信号的同时，还可以将信号进行放大。为了提高光电接收器的接收效率,降低噪声,采用光电二极管加偏压的方法，从前置放大器输出的信号经主放大器放大后送A/D转换器。由于光电二极管输出的电流信号非常微弱,为了降低共模信号对其的干扰，必须采用偏置电流低、高增益、低噪声、高输入阻抗的运算放大器。
3.4 A/D转换
由于被测量的粉尘并不要求高速，所以这里选用的A/D 转换器是低速且高精度的。对传感器所测定到的模拟量数据来进行 A/D 转换，转换成处理单元能够识别处理的数字量。
4 结束语
本次所设计的 PM2.5 粉尘颗粒检测仪主要适用于大气环境中粉尘浓度的测量、环保检测等。该仪器具有性价比高，工作稳定可靠的优点。
参考文献
[1] 张志良.单片机原理与控制技术(第二版)[M].机械工业出版社,2005,3.
[2] 王东兴.光散射式数字粉尘测试仪的标定及其应用[J].中国测试技术，2007,33（6）：72-74.
[3] 张敏，周鑫令.基于光散射原理的尘埃粒子检测仪[J].仪器仪表学报，2005,26（12）：1298-1301.
[4] 田贻丽，谢利利，徐如瑜.粉尘浓度测量的研究[J].重庆大学学报，2003，（26）：46-48.
[5] 吴泉英.数字式粉尘测试仪中的信号处理[J].苏州城建环保学院学报，1999，12（2）：53-55,67.
论文作者:贾丽娜1,徐有宁2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/11
标签：粉尘论文; 浓度论文; 测量论文; 颗粒论文; 系统论文; 检测仪论文; 是由论文; 《电力设备》2017年第32期论文;