[实用新型]一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光电技术领域，涉及一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置。

背景技术

近二十年来，能源、工业、交通等行业的快速发展，使得大气颗粒物的污染问题日益突出。不同粒径的颗粒物伴随着人体呼吸在不同的呼吸道部位沉积。粒径小于2.5 μm的颗粒物被称为PM 2.5。其中0.1μm左右颗粒物主要沉积在肺部，对人体危害最大。目前，PM 2.5污染是我国最主要的空气污染来源之一,PM 2.5的监测及有效治理是我国环境保护部门及国家政府的目标，对人们的健康生活具有重要的现实意义。PM 2.5的测量的方法有石英微量震荡天平法，                                                射线法，滤膜采样法等等，这些方法设备成本高且操作复杂，不易实时观测且缺乏移动性和便利性。

发明内容

为了克服以上不足，本实用新型设计了一种基于CCD后向散射的PM 2.5浓度监测装置，用于在线监测大气PM 2.5浓度实时变化。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型包括光发射单元和光检测单元组成。所述的光发射单元由一个532nm波长的准连续激光器构成；所述的光检测单元由望远镜物镜、CCD和计算机构成，其中CCD位于望远镜物镜焦平面上，CCD的信号输出端与计算机连接；所述的激光器的光束传播方向与接收光散射光的望远镜光轴平行，采用低照度CCD接收后向散射信号。

进一步说，所述的激光器出射基模高斯光束，激光功率为500mw，波长为532nm，在激光器端口的束腰半径为1mm。

进一步说，所述天文望远镜焦距为80cm，口径为10cm。

进一步说，所述的CCD 分辨率为768×574，像元尺寸大小为12.7μm×9.8μm。CCD的感光度为0.0002 lm照度下输出200mV电压，CCD帧数为50帧每秒。

进一步说，所述的望远镜通过云台固定在三脚架上，调整三脚架云台上的平衡杆和平衡锤可以改变天文望远镜的口径指向。

进一步说，所述的天文望远镜沿其主镜筒方向固定一个长方体基板，该基板用来固定激光器和激光器电源。

本实用新型的有益效果是：本实用新型具有良好的移动性和操作性，成本较低，结构简易的特征。通过调整三脚架上的平衡杆和平衡锤可以很方便地测量所需区域的PM 2.5浓度，因而该装置能对特定区域的PM 2.5浓度进行实时的监测，并且测得的数据可靠充足，具有良好的实用性和应用性。

附图说明

图1本实用新型结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

在图1中，关键的仪器的参数如下：激光器6出射基模高斯光束，激光功率为500mw，波长为532nm，在激光器6端口的束腰半径为1mm；接收光散射光的天文望远镜4焦距为80 cm，口径为10cm。焦平面上CCD 2分辨率为768×574，像元尺寸大小为12.7μm×9.8μm。CCD的感光度为0.0002 lm照度下输出200mV电压，CCD 2帧数为50帧每秒，即每秒可以输出50个测量数据。使用三脚架3支撑天文望远镜4，调整三脚架3云台上的平衡杆和平衡锤可以改变天文望远镜4的口径指向。沿天文望远镜4的主镜筒固定一个适合大小的基板5，该长方体基板5用来固定激光器6和激光器电源7。取下天文望远镜4的目镜，将CCD 2安装于天文望远镜4的目镜处。

在计算机1上安装Multicard Performance软件作为画面捕捉软件。准备好与计算机接口，CCD 接口，激光器接口相匹配的数据线，采用这些相对应的数据线分别将外接电源和计算机，CCD ，激光器，电源适配器相连接。打开计算机的Multicard Performance软件。激光器发射激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气，在天文望远镜上微调激光器的位置，确保在计算机中能观察到CCD 成像的图像，从而确保激光器和天文望远镜的视准轴保持严格的平行，然后牢牢地固定激光器在天文望远镜主镜筒上的位置。

当激光的波长、束腰半径、初始功率确定时，根据比尔定律和望远镜成像原理，颗粒物后向散射光强只和大气颗粒浓度相关并且两者为线性相关的关系。分析CCD采集到的光散射信号图像，即可获得大气颗粒物的分布特征，进而实现大气颗粒物浓度的实时监测。为避免白天日光的影响，实验时间选择在晚上进行。接通电源，打开计算机的Multicard Performance软件。激光器出射波长为532nm的高斯激光束，调整天文望远镜的位置使激光向上射向大气。使用Multicard Performance软件实时地捕捉画面，将图片保存，每隔一分钟保存一次图片，总共记录60次，用于求一小时内的图像灰度值平均值，同时记录该实验地点的由赛默飞世尔科技公司研制的PM 2.5监测仪提供的一小时内PM 2.5浓度的平均值。在不同的时间段重复上述步骤，观测图像持续一个月，得到不同PM 2.5浓度下的CCD成像的图像。取连续一小时内拍摄到的60张图片作为一组，提取出每张图片的灰度值矩阵，对256个灰度值进行统计，求得每个灰度值对应像素点个数u₀，u₁，...u₂₅₅；然后该组的60张图片的每个灰度值对应像素点个数取平均，得到ū₀，ū₁，...ū₂₅₅；进一步将每个灰度值乘以该灰度值对应的像素点个数，得到每个灰度值的总体相对亮度L₀，L₁，...L₂₅₅。把灰度值大于i的亮度相加，得到灰度值大于i的总光强值： ，把灰度值i分为5个等级，i=0，20，40，60，80。得到了对应PM 2.5浓度下的总散射光强S(0)，S(20)，S(40)，S(60)，S(80)。对其他不同PM 2.5浓度的图片重复上述步骤，得到不同PM 2.5浓度下5个等级的总光强值S(i)。对不同PM 2.5浓度下的总光强值S(i)与预先设定的线性模型进行拟合统计得到PM 2.5浓度与总光强值的关系。根据这种模型对任何区域进行实时观测。