CN203772688U - 一种基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于，由监测装置和信息模块构成；其中，监测装置包括：气室主体、带准直透镜的半导体激光器、光电接收器、第一主控模块、第一数据收发模块；所述的带准直透镜的半导体激光器安置于气室主体的一侧内面上，对侧内面上安设有光电接收器，光电接收器连接第一主控模块，第一主控模块连接第一数据收发模块；信息模块包括：第二数数据收发模块、第二主控模块、显示模块、操作模块，第二数数据收发模块连接第二主控模块、第二主控模块连接显示模块和操作模块，显示模块为无线连接方式连接，实现了无线查看实时、实地的雾霾强度，提示人们做好及时防护和出行安全警示。

Description

一种基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置

技术领域

本实用新型涉及基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，属地面气象监测技术领域。

背景技术

随着工业化进程的不断发展，雾霾天气问题也逐步突出。近年来的雾霾天气持续长，严重影响到人们的生产活动，雾霾的强度大小直接影响到人们的身体健康和交通安全，为了减轻雾霾污染危害，首先要对雾霾强度监测，准确地找到雾霾产生的源头，并加以控制，实时提醒人们及时防护并为空气净化提供先决条件。

目前，我国主要通过PM2.5观测站和利用气象卫星搭载的各种传感器，接收和测量地球及其大气层的可见光、红外和微波辐射等信息，地面站将卫星传来的图像信号进行处理和计算，得到雾霾的分布、强度等信息。人们主要通过天气预报了解针对城市地区和广阔区域雾霾强度信息，未具体涉及小范围区域雾霾强度精准信息。市面上出售有关雾霾监测的产品，其中PM2.5监测仪价格昂贵，使用时间长后因颗粒物附着仪器降低了测量精准度。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置。

为达到上述目的，本实用新型通过以下结构完成：基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置由气室主体与信息模块组成；

气室主体内有三个独立的密封空腔，其中气室主体的侧部空腔为采光室，气室主体的上部空腔为采样气室(3)，气室主体的下部空腔为标准气室(6)；采样气室(3)侧部和标准气室(6) 侧部各通过一个进光口与采光室相通，每个进光口处各装有一块透光玻璃(8)，

采光室的侧部装有带准直透镜的半导体激光器(1)，采光室的上部装有分束镜(7)，采光室的下部装有反射镜(10)，分束镜(7) 设于采样气室(3)进光一侧的透光玻璃(8)后面，反射镜(10)设于标准气室(6)进光一侧的透光玻璃(8)后面，

采样气室(3)顶部装有吸气装置(2)，吸气装置(2)与采样气室(3)相通，采样气室(3)内的底部侧部设置有一个采样气体出口(4)和装有一个光电接收器(5)，采样气室(3)的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜(12)，

标准气室(6) 侧部各通过一个透光玻璃(8) 进光口处与采光室相通，标准气室(6)的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜(12)，标准气室(6) 内的底部内侧装有一个光电接收器(5)；

所述光电接收器(5)与第一主控模块连接，第一主控模块与第一数据收发模块连接；

信息模块由第二数数据收发模块、第二主控模块、显示模块和操作模块组成，第二数数据收发模块与第二主控模块连接，第二主控模块与显示模块和操作模块连接，显示模块带显示及无线连接方式；信息模块装在采光室空隙位置；

反射镜平行度控制器(9)安装在采样气室(3)和标准气室(6)右侧镀膜平面反射镜(12)后面与主体气室右侧板之间位置。 

光电接收器(5)、反射镜平行度控制器(9)、带准直透镜的半导体激光器(1)和信息模块通过导线与电原连接。

所述镀膜平面反射镜(12)为镀铝膜平面反射镜，镀铝膜平面反射镜表面涂有一层表面平整、连续且颗粒均匀致密的二氧化钛。

所述反射镜平行度控制器(9)是通过压电陶瓷材料的逆压电效应制成的驱动器。

吸气装置(2)具有左右两个侧部开口。

带准直透镜的半导体激光器(1)能产生红外激光。

所述显示模块经连接的信息模块数据收发模块接收到数据，通过单片机控制并显示当前对应的雾霾强度，显示模块同时具有无线接收功能并显示功能。

所述标准气室(6)内装有净化的标准干燥空气。

所述气室主体外侧底部装有四个减震装置(11)。

本实用新型具有工作稳定、能快速、便捷、精准、实时、实地的进行雾霾强度监测，其成本低廉，可以广泛的分布各监测区域，能在气象监测和人们生活中得以广泛应用。 

附图说明

    图1为本实用新型基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置的气体主室结构示意图。

    图2为本实用新型基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置气体主室内部的光路线图。

    图3为本实用新型基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置各部件连接关系示意框图。

其中：1-带准直透镜的半导体激光器，2-吸气装置，3-采样气室，4-采样气体出口，5-光电接收器，6-标准气室，7-分束镜，8-透光玻璃，9-反射镜平行度控制器，10-反射镜，11-减震装置，12-镀膜平面反射镜。

具体实施方式

本实用新型基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置由由气室主体与信息模块组成；

气室主体内有三个独立的密封空腔，其中气室主体的侧部空腔为采光室，气室主体的上部空腔为采样气室3，气室主体的下部空腔为标准气室6；采样气室3侧部和标准气室6 侧部各通过一个进光口与采光室相通，每个进光口处各装有一块透光玻璃8，

采光室的侧部装有带准直透镜的半导体激光器1，采光室的上部装有分束镜7，采光室的下部装有反射镜10，分束镜7设于采样气室3进光一侧的透光玻璃8后面，反射镜10设于标准气室6进光一侧的透光玻璃8后面，

采样气室3顶部装有吸气装置2，吸气装置2与采样气室3相通，采样气室3内的底部侧部设置有一个采样气体出口4和装有一个光电接收器5，采样气室3的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜12，

标准气室6 侧部各通过一个透光玻璃8 进光口处与采光室相通，标准气室6的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜12，标准气室6 内的底部内侧装有一个光电接收器5；

所述光电接收器5与第一主控模块连接，第一主控模块与第一数据收发模块连接；

信息模块由第二数数据收发模块、第二主控模块、显示模块和操作模块组成，第二数数据收发模块与第二主控模块连接，第二主控模块与显示模块和操作模块连接，显示模块带显示及无线连接方式；信息模块装在采光室空隙位置；

反射镜平行度控制器9安装在采样气室3和标准气室6右侧镀膜平面反射镜12后面与主体气室右侧板之间位置。 

光电接收器5、反射镜平行度控制器9、带准直透镜的半导体激光器)和信息模块通过导线与电原连接。

监测装置主要包括带准直透镜的半导体激光器1、气室主体、光电接收器5、放大整形、A/D转换、主控模块、数据收发模块、反射镜平行度控制器9；信息模块包括：数据收发模块、主控模块、显示模块和操作模块；

所述气室主体外侧底部装有四个减震装置11，以防止因振动影响监测装置工作精度。

所述气室主体主要包括：标准气室6和采样气室3；

其中标准气室6内装有净化的标准干燥空气，标准气室6的作用:一是有效地抑制了带准直透镜半导体激光器工作时间长后发热，带来的激光器输出功率波动而造成的监测误差，二是可以削弱光在采样气团和标准空气相同成分吸收所带来的监测误差。

工作时所采集雾霾气团实时通过吸气装置2的左右两侧开口进入采样气室3，经过气流缓冲均匀进入采样气室3内，这利于所采集雾霾气团样本均匀的分布在采样气室3内，所采集雾霾气团越均匀地分布，越利于提高检测数据的精准度，最后所采集雾霾气团经过采样气体出口4出口处流出。

采样气室3和标准气室6内壁两侧都装有镀膜平面反射镜（镀铝膜平面反射镜）12，目的是提高反射镜10所反射红外激光的反射率，降低红外激光在采样气室3和标准气室6中的损耗。

    其中镀铝膜平面反射镜12，由于未经保护的铝膜表面在气室主体中会生成一层薄的氧化铝膜层，从而导致其反射率随时间推移迅速下降。因此在铝膜外面再加一层表面平整、连续、颗粒均匀致密的二氧化钛，起到保护作用；

带准直透镜的半导体激光器1能产生红外激光。

雾霾包括雾和霾，其主要成分是水、二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物，其主要成分在红外波长范围的峰值吸收谱线区域较集中；

其中红外激光经过准直透镜后形成一束光线，后经过分束镜7得到两路光强度相同的光；

其中一路光通过采样气室3的透光玻璃8进入采样气室3内；

其中另一路光经过反射镜10后，再经过标准气室6的透光玻璃8进入标准气室6内；

两路光分别在标准气室6和采样气室3两个气室内进行多次反射折射后，最后照射到各自气室内与光对应的光电接收器5上；通过反射镜平行度控制器9调整工作光在两气室内走的几何路程相同。

如果雾霾强度变化，光源发出的光被雾霾颗粒物的吸收和反射增加，到达光电接收器5的光强也会改变，从而导致光电探测器输出信号的有强弱变化；

所述光电探测器是采用光电传感器工作在线性范围的光电二极管； 

其中光电探测器检测出其接收到的光强的变化，通过把光强度的变化转换成电信号的变化；再将信号放大整形、A/D转换后输送给主控模块的单片机进行数据处理；

所得数据处理结果是将标准气室6电信号D2和采样气室3电信号D1之差得到Q,即D2-D1=Q ，且可知Q≥0，Q值与雾霾强度成线性关系；

其中A/D转换是由ADC0804芯片为核心的转换电路构成；

所述主控模块是STC12C5A60S2单片机为核心的最小系统构成； 

所述数据收发模块是以SI4432为核心的收发电路,利用 SI4432无线收发芯片体积小、功耗低、工作在240—960MHZ频段范围内，且具有最大输出功率可达+20DBm等优点，满足了模块的小型化、功耗低、传输性能强要求；

所述显示模块是信息模块的数据收发模块接收数据，通过单片机控制并显示当前Q值所对应的雾霾强度，实现无线接收并显示功能；

所述反射镜平行度控制器9是通过压电陶瓷材料的逆压电效应制成的驱动器。利用其精度高、响应速度快、位移分辨率高等优点来调整镀膜平面反射镜12的平行度，解决了由于温度变化影响气体主室形变造成的镀膜平面反射镜12的平行度改变所带来的监测误差问题；

所述控制模块是：通过信息模块的收发模块无线地将控制信号发送给监测装置，监测装置的单片机控制反射镜平行度控制器9，即改变压电陶瓷的驱动电路电压大小，达到精准控制反射镜10面角度和精度调整镀膜平面反射镜12。

如图3所示，基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置各模块功能框图，将带有减震装置11的监测装置放置雾霾被监测区域；

    如图1所示，基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置的气体主室外观图，所采集雾霾气团样品通过吸气装置2后，经过缓冲均匀充满采样气室3后从采样气体出口4出去；

    如图2所示，基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置气体主室内部光路线图。带准直透镜的半导体激光器1发射出来的激光通过分束镜7后得到两路激光，一路透过透光玻璃8进入采样气室3，另一路经反光镜后透过透光玻璃8进入标准气室6；

    激光在分别在两气室镀膜平面反射镜12之间多次反射后照射到光电接收器5上；

    光电接收器5所感应到的光强信号转化为电信号，经过放大整形、A/D转换、数据处理得到采样输出D1和标准输出信号D2，将D2和D1之差得到值Q，即： D2-D1=Q，实时监测得到的Q值; 

    通过监测装置的数据收发模块将数据发送出去，信息模块数据收发模块接收到数据，通过单片机控制显示模块显示出当前Q值对应的雾霾强度信息； 

    信息模块或者信息屏可以随身携带，无线查看实时、实地了解当地雾霾强度，提示人们及时做好防护和出行安全警示，环保部门或环保志愿者等也可以根据实时、实地的雾霾强度信息来采取因地适宜的净化处理环保方案；

    通过控制模块无线控制反射镜平行度控制器9达到精度调整镀膜平面反射镜12平行度。

Claims (8)

1.一种基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于雾霾强度无线监测装置由气室主体与信息模块组成；

气室主体内有三个独立的密封空腔，其中气室主体的侧部空腔为采光室，气室主体的上部空腔为采样气室(3)，气室主体的下部空腔为标准气室(6)；采样气室(3)侧部和标准气室(6) 侧部各通过一个进光口与采光室相通，每个进光口处各装有一块透光玻璃(8)，

采光室的侧部装有带准直透镜的半导体激光器(1)，采光室的上部装有分束镜(7)，采光室的下部装有反射镜(10)，分束镜(7) 设于采样气室(3)进光一侧的透光玻璃(8)后面，反射镜(10)设于标准气室(6)进光一侧的透光玻璃(8)后面，

采样气室(3)顶部装有吸气装置(2)，吸气装置(2)与采样气室(3)相通，采样气室(3)内的底部侧部设置有一个采样气体出口(4)和装有一个光电接收器(5)，采样气室(3)的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜(12)，

标准气室(6) 侧部各通过一个透光玻璃(8) 进光口处与采光室相通，标准气室(6)的内部左右两侧装有镀膜平面反射镜(12)，标准气室(6) 内的底部内侧装有一个光电接收器(5)；

所述光电接收器(5)与第一主控模块连接，第一主控模块与第一数据收发模块连接；

信息模块由第二数数据收发模块、第二主控模块、显示模块和操作模块组成，第二数数据收发模块与第二主控模块连接，第二主控模块与显示模块和操作模块连接，显示模块带显示及无线连接方式；信息模块可装在采光室空隙位置；

反射镜平行度控制器(9)安装在采样气室(3)和标准气室(6)右侧镀膜平面反射镜(12)后面与主体气室右侧板之间位置；

光电接收器(5)、反射镜平行度控制器(9)、带准直透镜的半导体激光器(1)和信息模块通过导线与电原连接。

2.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于所述镀膜平面反射镜(12)为镀铝膜平面反射镜，镀铝膜平面反射镜表面涂有一层表面平整、连续且颗粒均匀致密的二氧化钛。

3.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于所述反射镜平行度控制器(9)是通过压电陶瓷材料的逆压电效应制成的驱动器。

4.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于吸气装置(2)具有左右两个侧部开口。

5.根据权利要求2所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于带准直透镜的半导体激光器(1)能产生红外激光。

6.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于所述显示模块经连接的信息模块数据收发模块接收到数据，通过单片机控制并显示当前对应的雾霾强度，显示模块同时具有无线接收功能并显示功能。

7.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于所述标准气室(6)内装有净化的标准干燥空气。

8.根据权利要求1所述的基于光电检测技术的雾霾强度无线监测装置，其特征在于所述气室主体外侧底部装有四个减震装置(11)。