一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统

技术领域

本发明属于大气颗粒物探测设备技术领域，具体涉及一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统。

背景技术

大气气溶胶颗粒物是评价空气质量好坏的重要指标之一，它对人体健康、大气能见度、工业生产等各方面都产生了很大的影响，因此需要一种能够快速准确对大气气溶胶颗粒物进行检测、分类并控制的方法。目前对大气气溶胶颗粒物检测的方法有取样法和非取样法，非取样法包括滤波称重法、压电晶体法、β射线吸收法和微量震荡天平法，非取样法包括黑度法、光散射法和光透射法。取样法测量原理简单、精度高，但对采样操作要求高、实时性差、设备价格昂贵、维护成本高；而非取样法中的光散射法测量系统结构简单便携、采样速度快、价格经济、维护简单、测量结果准确。因此光散射法是快速准确检测大气气溶胶颗粒物的有效方法。目前利用光散射法测量检测大气气溶胶颗粒物的仪器有攀藤公司的PMS 7003系列、Syhitech公司的DSM501A，这些仪器价格低廉，但检测精度和长期稳定性都较差，无法满足一些超净室对颗粒物质量浓度的要求，而TSI公司的8530及Grimm公司的EDM180，这些设备检测精度高但是价格昂贵，且不能对颗粒物进行分类、不能同时测量多种粒径颗粒物质量浓度。

发明内容

本发明的目的是提供一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统，能够对大气气溶胶颗粒物分类、同时测量多种粒径颗粒物的质量浓度。

本发明所采用的技术方案是，一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统，包括光电二极管，光电二极管电性连接T型跨阻放大电路，T型跨阻放大电路电性连接电压增益调节电路，电压增益调节电路电性连接调零电路，调零电路电性连接RC滤波电路，RC滤波电路电性连接上位机LabVIEW；还包括线性电源电路，T型跨阻放大电路、电压增益调节电路、调零电路以及RC滤波电路均分别与线性电源电路电性连接。

本发明的特点还在于，

线性电源电路，包括220V交流电压，220V交流电压电性连接电源变压器，电源变压器电性连接桥式整流桥，桥式整流桥电性连接电容滤波电路，电容滤波电路电性连接±5V电源电路，±5V电源电路包括分别与电容滤波电路电性连接的三端稳压器a、三端稳压器b。

T型跨阻放大电路，包括电阻R3，电阻R3一端接地，电阻R3另一端分别连接电阻R5一端、电阻R6一端，电阻R5另一端分别连接电容C4一端、第一运算放大器的2脚、光电二极管(2)接头的2脚，光电二极管接头的2脚还连接第一运算放大器的2脚，光电二极管接头的1脚接地，光电二极管接头的3脚连接三端稳压器a，电阻R6另一端连接第一运算放大器的6脚，电容C4另一端还连接第一运算放大器的6脚，第一运算放大器的7脚连接三端稳压器a、电容C1一端、电容C2一端，电容C1、电容C2的另一端均接地，第一运算放大器的4脚连接三端稳压器b、电容C6一端、电容C8一端，电容C6、电容C8的另一端、第一运算放大器的3脚均接地。

电压增益调节电路及调零电路，包括电阻R9，电阻R9一端连接第一运算放大器的6脚，电阻R9另一端连接第二运算放大器的2脚、滑动变阻器R7一端，第二运算放大器的6脚与滑动变阻器R7另一端连接，滑动变阻器R7中间端与自身的输入端相连；第二运算放大器的7脚连接三端稳压器a、电容C5一端，第二运算放大器的3脚连接电阻R11一端，第二运算放大器的4脚连接三端稳压器b、电容C7一端；电阻R11、电容C5、电容C7的另一端均接地；第二运算放大器的6脚连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接第三运算放大器的2脚、电阻R8一端、电阻R4一端，电阻R4另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端与滑动变阻器R1中间端连接，滑动变阻器R1两端分别连接三端稳压器a、三端稳压器b，电阻R8另一端第三运算放大器的6脚，第三运算放大器的6脚连接输出端子P2的1脚，输出端子P2的2脚接地；第三运算放大器的7脚连接三端稳压器a、电容C3一端，第三运算放大器的3脚连接电阻R12一端，第三运算放大器的4脚连接三端稳压器b、电容C9一端；电阻R12、电容C3、电容C9的另一端均接地。

RC滤波电路包括第四运算放大器，第四运算放大器的3脚连接电阻R17一端、电容C11一端，电阻R17另一端连接电阻R16一端，所述电阻R16另一端连接电阻R15一端、电容C12一端、电容C13一端，电阻R15另一端连接电阻R14一端，电阻R14另一端连接输出端子P2、电容C10一端，电容C10另一端连接电容C11一端，电容C11一端连接电阻R18一端，电容C11另一端连接R17一端、第四运算放大器的3脚，电阻R18另一端连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接电容C12另一端、电容C13另一端、第四运算放大器的6脚、第四运算放大器的7脚；电容C12另一端与电容C13另一端连接；第四运算放大器的5脚连接滑动变阻器R20上端；滑动变阻器R20一端接地，滑动变阻器R20中间端连接电阻R13一端，电阻R13另一端连接第四运算放大器的1脚、第四运算放大器的2脚、输出端子P3一端，输出端子P3另一端接地；第四运算放大器的8脚连接三端稳压器a；第四运算放大器的4脚连接三端稳压器b。

第一运算放大器的型号为MAX4238；第二运算放大器的型号为AD825；第三运算放大器的型号为LF353；第四运算放大器的型号为LF353。

本发明的有益效果是，本发明大气气溶胶颗粒物分类检测系统，结构简单、成本低、体积小，可对由粉尘、扬沙、烟雾等产生的颗粒物进行分类，同时测量PM1、PM2.5、PM4、PM10、TSP等多种粒径颗粒物质量浓度，当测量的质量浓度过大时，可通过上位机发送指令，控制新风系统工作，降低颗粒物质量浓度。

附图说明

图1是本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统的结构示意图；

图2是本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统中线性电源电路的结构示意图；

图3是本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统中T型跨阻放大电路的结构示意图；

图4是本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统中电压增益调节电路及调零电路的结构示意图；

图5是本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统中RC滤波电路的结构示意图；

图6是利用本发明的大气气溶胶颗粒物分类检测系统检测得到的脉冲信号图。

图中，1.线性电源电路，2.光电二极管，3.T型跨阻放大电路，4.电压增益调节电路，5.调零电路，6.RC滤波电路，1-1.电源变压器，1-2.桥式整流桥，1-3.电容滤波电路，1-4.±5V电源电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统，如图1所示，包括光电二极管2，光电二极管2电性连接T型跨阻放大电路3，T型跨阻放大电路3电性连接电压增益调节电路4，电压增益调节电路4电性连接调零电路5，调零电路5电性连接RC滤波电路6，RC滤波电路6电性连接上位机LabVIEW；还包括线性电源电路1，T型跨阻放大电路3、电压增益调节电路4、调零电路5以及RC滤波电路6均分别与线性电源电路1电性连接；线性电源电路1为T型跨阻放大电路3、电压增益调节电路4、调零电路5、RC滤波电路6提供低纹波的直流电压。

光电二极管的型号为S2386-44K；光电二极管2，用于接收大气气溶胶颗粒物散射光信号，并将光信号转换为电流信号；T型跨阻放大电路3，用于实现微弱的光电流信号到毫伏级电压信号的转换；电压增益调节电路4，用于将毫伏级电压信号放大至后续电路易于处理的电压信号；调零电路5，用于未接入光电二极管时，对电路进行调零；RC滤波电路6，用于滤波50Hz工频信号的干扰。

线性电源电路1，如图2所示，包括220V交流电压，220V交流电压电性连接电源变压器1-1，电源变压器1-1电性连接桥式整流桥1-2，桥式整流桥1-2电性连接电容滤波电路1-3，电容滤波电路1-3电性连接±5V电源电路1-4，±5V电源电路1-4包括分别与电容滤波电路1-3电性连接的三端稳压器a、三端稳压器b；经三端稳压器a、三端稳压器b后分别输出+5V电源、-5V电源；

三端稳压器a的型号为LM7805，三端稳压器b的型号为LM7905；

220V交流市电经电源变压器1-1降压成13V交流电；后经桥式整流桥1-2整流为单一方向、脉动系数较大的直流电；由电容滤波电路1-3滤波，得到纹波小的直流电；由±5V电源电路1-4中的芯片LM7805和LM7905得到±5V电源，为T型跨阻放大电路2、电压增益调节电路3、调零电路4、RC滤波电路6供电。

T型跨阻放大电路3，如图3所示，包括电阻R3，电阻R3一端接地，电阻R3另一端分别连接电阻R5一端、电阻R6一端，电阻R5另一端分别连接电容C4一端、第一运算放大器的2脚、光电二极管2接头的2脚，光电二极管2接头的2脚还连接第一运算放大器的2脚，光电二极管2接头的1脚接地，光电二极管2接头的3脚连接三端稳压器a(+5V电源)，电阻R6另一端连接第一运算放大器的6脚，电容C4另一端还连接第一运算放大器的6脚，用于消除电路的自激震荡；第一运算放大器的7脚连接三端稳压器a(+5V电源)、电容C1一端、电容C2一端，电容C1、电容C2的另一端均接地，以减少+5V电压的纹波；第一运算放大器的4脚连接三端稳压器b(-5V电源)、电容C6一端、电容C8一端，电容C6、电容C8的另一端均接地；以减少-5V电压的纹波；第一运算放大器的3脚接地；

电阻R3为1KΩ的0805型贴片电阻；电阻R5、电阻R6为10KΩ的0805型贴片电阻；电容C4为47pF的陶瓷电容；电容C1、电容C6均为0.1uF的电解电容；电容C2、电容C8均为10uF的电解电容；第一运算放大器的型号为MAX4238；

电压增益调节电路4及调零电路5，如图4所示，包括电阻R9，电阻R9一端连接T型跨阻放大电路3中第一运算放大器的6脚，电阻R9另一端连接第二运算放大器的2脚、滑动变阻器R7一端，通过改变滑动变阻器的阻值即可改变电压增益调节电路4的放大倍数；第二运算放大器的6脚与滑动变阻器R7另一端连接，滑动变阻器R7中间端与自身的输入端相连；第二运算放大器的7脚连接三端稳压器a、电容C5一端，第二运算放大器的3脚连接电阻R11一端，第二运算放大器的4脚连接三端稳压器b(-5V电源)、电容C7一端；电阻R11、电容C5、电容C7的另一端均接地；

第二运算放大器的6脚连接电阻R10一端，电阻R10另一端连接第三运算放大器的2脚、电阻R8一端、电阻R4一端，电阻R4另一端连接电阻R2一端，电阻R2另一端与滑动变阻器R1中间端连接，滑动变阻器R1两端分别连接三端稳压器a(+5V电源)、三端稳压器b(-5V电源)，当未接入光电二极管2时，改变滑动变阻器值时，即可改变电阻R4上端电压，使输出OUT的电压为零，电阻R8另一端第三运算放大器的6脚，第三运算放大器的6脚连接输出端子P2的1脚，输出端子P2的2脚接地；第三运算放大器的7脚连接三端稳压器a(+5V电源)、电容C3一端，第三运算放大器的3脚连接电阻R12一端，第三运算放大器的4脚连接三端稳压器b(-5V电源)、电容C9一端；电阻R12、电容C3、电容C9的另一端均接地；

第二运算放大器的型号为AD825；第三运算放大器的型号为LF353；电阻R11、电阻R2、电阻R12均为10KΩ的贴片电阻；滑动变阻器R1、滑动变阻器R7均为100KΩ的滑动变阻器；电阻R4、电阻R10均为5.1KΩ的贴片电阻；电容C4、电容C3、电容C7、电容C9均为0.1uF的电解电容；

RC滤波电路6，如图5所示，包括第四运算放大器，第四运算放大器的3脚连接电阻R17一端、电容C11一端，电阻R17另一端连接电阻R16一端，电阻R16另一端连接电阻R15一端、电容C12一端、电容C13一端，电阻R15另一端连接电阻R14一端，电阻R14另一端连接输出端子P2、电容C10一端，电容C10另一端连接电容C11一端，电容C11一端连接电阻R18一端，电容C11另一端连接R17一端、第四运算放大器的3脚，电阻R18另一端连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接电容C12另一端、电容C13另一端、第四运算放大器的6脚、第四运算放大器的7脚；电容C12另一端与电容C13另一端连接；

第四运算放大器的5脚连接滑动变阻器R20上端；滑动变阻器R20一端接地，滑动变阻器R20中间端连接电阻R13一端，电阻R13另一端连接第四运算放大器的1脚、第四运算放大器的2脚、输出端子P3一端，输出端子P3另一端接地；

第四运算放大器的8脚连接三端稳压器a(+5V电源)；第四运算放大器的4脚连接三端稳压器b(-5V电源)；

第四运算放大器的型号为LF353，电阻R15、电阻R17、电阻R18均为91KΩ贴片电阻；电阻R14、电阻R16均为5.1KΩ贴片电阻；电阻R13为1KΩ贴片电阻；电容C10、电容C11、电容C12、电容C13均为33nF的陶瓷电容；滑动变阻器R20为220KΩ的滑动变阻器；

本发明一种大气气溶胶颗粒物分类检测系统，其具体工作原理是：

电路接通线性电源电路1后，光电二极管2能接收到大气气溶胶颗粒物的散射光信号，此时光电二极管2收集到的是脉冲光信号，同时由于背景光的影响，使得光电二极管2收集到的脉冲光信号中会含有一个较强的本地噪声信号，两种光信号经过T型跨阻放大电路3将光电流信号转换成电压信号，由于220V工频信号的影响，使得转换后的电压信号由颗粒物的脉冲电压信号、背景光的电压信号及50Hz类正弦电压信号组成。该信号经过电压增益调节电路4、调零电路5、RC滤波电路6后，可滤除50Hz类正弦电压信号。此时电压信号由颗粒物的脉冲电压信号、背景光的电压信号组成，两者信号频率、幅值相近，高通、低通、带通、带阻滤波器无法滤除背景光的电压信号，于是将该信号由数据采集卡采集至上位机LabVIEW，通过自适应滤波方法滤除背景光的电压信号，得到颗粒物的脉冲电压信号的电压值与数目，对于脉冲电压信号强度一样的信号可视为来自同一直径的颗粒物，通过上述处理，即可得到不同直径颗粒物的数目以及质量浓度。

采集RC滤波电路6的输出信号，即背景光的电压信号和颗粒物的脉冲信号的混合信号，此混合信号为x(n)；经过自适应滤波后得到输出信号y(n)；将混合信号x(n)与输出信号y(n)相减，即得到颗粒物的脉冲信号。

如图6所示，为颗粒物的脉冲信号与粒径的关系图，粒径为0.4μm、0.5μm、0.6μm的聚苯乙烯标准球形粒子脉冲信号依次为图中的第一个峰、第二个峰、第三个峰，0.4μm、0.5μm、0.6μm粒径的所对应的电压信号区分明显，所对应的区间为0.3V-0.4V、0.5V-0.7V、0.7V-0.9V，颗粒物粒径越大，颗粒物的脉冲信号也越大；通过测量不同直径的标准球形颗粒的脉冲信号，即可知道不同粒径下，颗粒物对应的电压信号，通过该电压信号可实现颗粒物的粒径分类。由颗粒物的反演公式