基于单粒子激光散射法扬尘在线监测系统设计

马永跃

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

摘要： 为有效监测工地和道路扬尘，基于不用技术的颗粒物在线监测系统得到越来越多的关注。由于成本控制的要求，光散射技术具有很高的价格竞争力。然而基于光散射技术的颗粒物传感器的精度，一直是制约光散射法的可靠性应用。单粒子激光光散射法，使光散射法的监测精度得到很大的提升。本文以本公司研制的单粒子激光散射扬尘传感器为基础，设计一套扬尘在线监测系统。通过对长期的运行数据分析，扬尘传感器的稳定性和一致性都能满足相关标准的要求。

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.

关键词： PM10；在线系统；激光光散射；扬尘；单粒子计数器

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

中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0134-03

0 引言

单粒子光散射法又叫粒子计数器法，与颗粒群光散射法相比，它的测量对象为单个粒子的散射光。粒子计数器主要由光源、光室、流量监控系统、光电探测器和后续电路系统构成，其中光源分为普通光源和激光光源，激光光源由于单色性好，光能量集中稳定，信噪比高，能检测到更小粒径的颗粒物等优点而得到广泛应用，目前常见的激光光源有He-Ne激光器和激光二极管；粒子计数器光室中比颗粒群光散射法多了一宽度为小于或等于毫米量级的光敏区，它的目的就是保证每一瞬间只有一个颗粒物经过光敏区，以便正确计数和确定其粒径大小。

由于激光散射法受天气气象条件影响比较严重，检测系统需要同时监测气象五参数数据，以便对扬尘监测数据进行实时修正。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

本系统由ARM控制器、粒子计数器、噪声传感器、气象五参数传感器、LED屏、和监测平台等部分组成。

其中粒子计数器工作原理：当单个颗粒物通过光学传感器的光敏区时，颗粒会散射入射的激光，在90°采光角方向设置一块旋转球面反射镜收集颗粒的散射光，再利用光电探测器将球面反射镜的散射光转化成电压脉冲信号，脉冲信号的幅度对应颗粒物的粒径，一段时间后，粒子计数器将检测到一个个的电压脉冲信号，脉冲信号的个数对应颗粒物的个数，最后根据电压脉冲信号的幅度分布演算各粒径范围内颗粒物的质量浓度。

ARM控制单元，由STM32103RB微控器电路、两路RS485通讯电路、一路RS232电路和IO接口电路组成。控制单元通过RS485-1与粒子计数器以及其他传感器组成星形传感网络，可以实现对各个传感器数据的实时读取以及对传感器进行参数设置。同时控制单元通过RS232接口电路与通信模块通信，将测量数据通过通信模块实时上传到检测平台。

统电路结构图如图2所示。

1.2 监测方案设计

①由于粒子計数器中气体采样泵的使用寿命有限，粒子计数器必须间歇工作。没五分钟工作1分钟，然后将粒子计数数据通过特定算法转换为不同粒径颗粒物浓度数据。

②每五分钟读取一次温度、湿度和大气压数据。通过温度和压力数据将颗粒物浓度值转换为标况下的浓度值，再使用湿度数据对浓度值进行修正。

2 主要硬件电路设计

系统采用12位ADC，串口发送采用无校验，一位停止位模式，如果满足1ksps的采样率，则串口波特率至少需要20bits/s的波特率。STM32F103RB单片机内置有多个UART串口，最高波特率可达到4.5Mbits/s[6]。在实际使用中，串口波特率采用115200bits/s，完全满足设计需求。本文重点介绍其他关键硬件电路设计。

2.1 計数器电路设计

计数器电路首先通过光源控制电路产生恒定的激光光源电压，是激光器的发射功率能够在不同的温湿度条件下能够发出恒定功率的光源。粒子的散射光由光电池接收并通过调理电路，将接收到的光电信号进行放大滤波。然后通过通道分配电路区分出六种不同粒径信号。波形整形电路将不同粒径的电压信号整形成计数器电路能够识别的方波信号。最后计数器电路将计数值交由ARM控制器进行数据处理。

2.2 传感网络电路及固件设计

传感网络电路采用RS485硬件通讯电路，并使用Modbus-RTU通讯协议与各个传感器组成星形传感器网络。对粒子计数器和其他传感器进行地址预分配，ARM控制器通过对不同地址的操作，实现对不同传感器的设置和数据读取。

3 测试结果

为有效比对粒子计数器的一致性，对现场运行一段时间后的三台设备进行数据平行性分析。通过十天的数据采集，对比数据如图4所示。

对十天的数据按天为单位求浓度的平均值，然后进行平行性计算，结构如图5所示。

设备的平行性为3.03，完全满足标准HJ 653-2013《环境空气颗粒物（PM10和PM2.5）连续自动监测系统技术要求及检测方法》对平行性的要求。

4 结语

通过测试结果曲线可以看出，本监测系统的重复性和一致性非常好，通过软件平台可以实现对施工工地的颗粒物数据进行实时监测。同时通过设置超限报警可对工地的违规施工进行及时报警，从而促进工地规范施工。

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