基于單粒子激光散射法揚塵在線監測系統設計

馬永躍

The Design of Fugitive Dust On-line Monitoring System Based on Laser Scattering

摘要： 為有效監測工地和道路揚塵，基于不用技術的顆粒物在線監測系統得到越來越多的關注。由于成本控制的要求，光散射技術具有很高的價格競爭力。然而基于光散射技術的顆粒物傳感器的精度，一直是制約光散射法的可靠性應用。單粒子激光光散射法，使光散射法的監測精度得到很大的提升。本文以本公司研制的單粒子激光散射揚塵傳感器為基礎，設計一套揚塵在線監測系統。通過對長期的運行數據分析，揚塵傳感器的穩定性和一致性都能滿足相關標準的要求。

Abstract： In order to effectively monitor site and road dust， more and more attention has been paid to the on-line monitoring system of particles based on no technology. Due to the requirements of cost control， light scattering technology has a high price competitiveness. However， the precision of the particle sensor based on light scattering has always been the application of the reliability of light scattering. The single particle laser scattering method makes the monitoring precision of the light scattering method greatly improved. Based on the single particle laser scattering sensor developed by our company， this paper designs a set of on-line monitoring system for the dust. Through the analysis of long run data， the stability and consistency of the dust sensor can meet the requirements of the relevant standards.

關鍵詞： PM10；在線系統；激光光散射；揚塵；單粒子計數器

Key words： PM10；online system；laser scattering；dust；single particle counter

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0134-03

0 引言

單粒子光散射法又叫粒子計數器法，與顆粒群光散射法相比，它的測量對象為單個粒子的散射光。粒子計數器主要由光源、光室、流量監控系統、光電探測器和后續電路系統構成，其中光源分為普通光源和激光光源，激光光源由于單色性好，光能量集中穩定，信噪比高，能檢測到更小粒徑的顆粒物等優點而得到廣泛應用，目前常見的激光光源有He-Ne激光器和激光二極管；粒子計數器光室中比顆粒群光散射法多了一寬度為小于或等于毫米量級的光敏區，它的目的就是保證每一瞬間只有一個顆粒物經過光敏區，以便正確計數和確定其粒徑大小。

由于激光散射法受天氣氣象條件影響比較嚴重，檢測系統需要同時監測氣象五參數數據，以便對揚塵監測數據進行實時修正。

1 系統總體設計

1.1 系統結構

本系統由ARM控制器、粒子計數器、噪聲傳感器、氣象五參數傳感器、LED屏、和監測平臺等部分組成。

其中粒子計數器工作原理：當單個顆粒物通過光學傳感器的光敏區時，顆粒會散射入射的激光，在90°采光角方向設置一塊旋轉球面反射鏡收集顆粒的散射光，再利用光電探測器將球面反射鏡的散射光轉化成電壓脈沖信號，脈沖信號的幅度對應顆粒物的粒徑，一段時間后，粒子計數器將檢測到一個個的電壓脈沖信號，脈沖信號的個數對應顆粒物的個數，最后根據電壓脈沖信號的幅度分布演算各粒徑范圍內顆粒物的質量濃度。

ARM控制單元，由STM32103RB微控器電路、兩路RS485通訊電路、一路RS232電路和IO接口電路組成。控制單元通過RS485-1與粒子計數器以及其他傳感器組成星形傳感網絡，可以實現對各個傳感器數據的實時讀取以及對傳感器進行參數設置。同時控制單元通過RS232接口電路與通信模塊通信，將測量數據通過通信模塊實時上傳到檢測平臺。

統電路結構圖如圖2所示。

1.2 監測方案設計

①由于粒子計數器中氣體采樣泵的使用壽命有限，粒子計數器必須間歇工作。沒五分鐘工作1分鐘，然后將粒子計數數據通過特定算法轉換為不同粒徑顆粒物濃度數據。

②每五分鐘讀取一次溫度、濕度和大氣壓數據。通過溫度和壓力數據將顆粒物濃度值轉換為標況下的濃度值，再使用濕度數據對濃度值進行修正。

2 主要硬件電路設計

系統采用12位ADC，串口發送采用無校驗，一位停止位模式，如果滿足1ksps的采樣率，則串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB單片機內置有多個UART串口，最高波特率可達到4.5Mbits/s[6]。在實際使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全滿足設計需求。本文重點介紹其他關鍵硬件電路設計。

2.1 計數器電路設計

計數器電路首先通過光源控制電路產生恒定的激光光源電壓，是激光器的發射功率能夠在不同的溫濕度條件下能夠發出恒定功率的光源。粒子的散射光由光電池接收并通過調理電路，將接收到的光電信號進行放大濾波。然后通過通道分配電路區分出六種不同粒徑信號。波形整形電路將不同粒徑的電壓信號整形成計數器電路能夠識別的方波信號。最后計數器電路將計數值交由ARM控制器進行數據處理。

2.2 傳感網絡電路及固件設計

傳感網絡電路采用RS485硬件通訊電路，并使用Modbus-RTU通訊協議與各個傳感器組成星形傳感器網絡。對粒子計數器和其他傳感器進行地址預分配，ARM控制器通過對不同地址的操作，實現對不同傳感器的設置和數據讀取。

3 測試結果

為有效比對粒子計數器的一致性，對現場運行一段時間后的三臺設備進行數據平行性分析。通過十天的數據采集，對比數據如圖4所示。

對十天的數據按天為單位求濃度的平均值，然后進行平行性計算，結構如圖5所示。

設備的平行性為3.03，完全滿足標準HJ 653-2013《環境空氣顆粒物（PM10和PM2.5）連續自動監測系統技術要求及檢測方法》對平行性的要求。

4 結語

通過測試結果曲線可以看出，本監測系統的重復性和一致性非常好，通過軟件平臺可以實現對施工工地的顆粒物數據進行實時監測。同時通過設置超限報警可對工地的違規施工進行及時報警，從而促進工地規范施工。

參考文獻：

[1]何佳晶，周暉，劉婷婷，趙靜怡，徐智勇，黃啟俊.一種考慮濕度修正的霧霾檢測系統[J].光電測試技術，2015（10）：96-100.

[2]許鐘麟，沈晉明.粒子計數器采樣氣溶膠的誤差[J].中國粉體技術，2000，6（1）：15-19.

[3]譚錕，胡歡陵.光學粒子計數器測量結果的訂正[J].光學學報，1984，4（1）：57-62.

[4]梁春雷，黃惠杰，任冰強，趙永凱，杜龍龍.激光塵埃粒子計數器微型光學傳感器的研究[J].光學學報，2005，25（9）：1260-1264.

[5]周向陽，張雅琴，劉麗.基于光散射法的 PM2.5全自動檢測儀的實現[J].光電技術應用，2015，30（4）：55-57.

[6]培仁.基于 C 語言 C8051F 系列微控制器原理與應用[M]. 清華大學出版社，2007.

[7]Kamrani E， Lesage F， Sawan M. Low-noise， high-gain transimpedance amplifier integrated with SiAPD for low-intensity near-infrared light detection[J]. IEEE Sensors Journal， 2014， 14（1）： 258-269.

[8]Van Hoi T， Long H D， Duong B G. High gain low noise amplifier design used for RF front end application[C]//The 2013 IEICE International Conference on Intergrated Circuits， Design， and Verification. 2013：243-247.

[9]鄧軍，單江東，張娜，等.大功率半導體激光器驅動器的研究與設計[J].半導體光電，2003，24（5）：319-320.

[10]Ahmed M， El-Sayed N Z， Ibrahim H. Chaos and noise control by current modulation in semiconductor lasers subject to optical feedback[J]. The European Physical Journal D， 2012， 66（5）： 1-10.

[11]HU Y， YE Y， WU Y， et al. Design of Constant Current Source of Semiconductor Laser Based on Single-chip Microcomputer [J]. Experiment Science & Technology， 2008， 1： 004.