本發(fā)明涉及氣溶膠質(zhì)量濃度測量和信號補(bǔ)償處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置，氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測方法以及基于最小二乘曲面擬合的偏干氣溶膠質(zhì)量濃度修正方法。

背景技術(shù)：
氣溶膠是指大氣與懸浮于其中的固體和液體微粒所組成的多相體系，其中的粒子為氣溶膠粒子。氣溶膠粒子濃度直接影響著環(huán)境空氣質(zhì)量。盡管氣溶膠只是地球大氣成分中含量很少的組分，但其對生物圈的影響與作用不可低估。氣溶膠化學(xué)成分復(fù)雜，其顆粒物可以作為大氣中反應(yīng)表面或催化劑，以及很多氣相物質(zhì)的接受體。大氣氣溶膠負(fù)載的化學(xué)物質(zhì)，特別是工業(yè)污染物在風(fēng)系的作用下，可進(jìn)行幾百至幾千千米的長距離傳輸，大氣污染影響是不分國界和地區(qū)，是全球性問題，其對人類生存環(huán)境的嚴(yán)重危害已日益加劇。大氣輸入物質(zhì)對海洋的生物地球化學(xué)循環(huán)、大氣環(huán)境、冰雪化學(xué)組成、海底沉積和氣候演變等具有重要的影響。從全球變化角度看，大氣污染物通過大氣的大尺度傳輸，改變了全球大氣化學(xué)物質(zhì)的含量、結(jié)構(gòu)和組成，破壞了全球的輻射平衡，進(jìn)而可能對全球氣候變化造成影響。因此對氣溶膠污染的實時監(jiān)測刻不容緩。目前氣溶膠質(zhì)量濃度的檢測方法有多種，其中彈性光散射測量法具有速度快、靈敏度高等特點，是監(jiān)測大氣氣溶膠粒子濃度的主要方法之一：氣體中的粒子在光的照射下會發(fā)生散射，散射光強(qiáng)度和粒子大小有一個基本規(guī)律，就是微粒散射光的強(qiáng)度隨微粒的表面積的增加而增大。這樣只要測定散射光的強(qiáng)度就可推知粒子的大小。盡管如此，一方面，基于光散射法的氣溶膠測量儀量程單一，測量具有一定的局限性，測量多量程需要更換儀器測量非常不便且增加了成本。即使有的產(chǎn)品量程較寬，但是整個范圍的測量精度偏低。另一方面，光散射法容易受到環(huán)境濕度的影響，當(dāng)測量環(huán)境的相對濕度超過60％(影響閾值)，氣溶膠粒子表面會凝聚水分子，除了引起形貌變化之外，還會引起折射率發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致光散射法測量產(chǎn)生較大誤差，因此需要對濕度的影響進(jìn)行處理。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可以降低濕度對測量的干擾，提高測量精度的氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置及其檢測方法。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置，包括光路模塊、氣路模塊、信號處理模塊和單片機(jī)，光路模塊、氣路模塊、信號處理模塊分別和單片機(jī)連接，氣路模塊包括濕度傳感器以及依次連接的氣流干燥機(jī)、進(jìn)氣口、氣路通道、出氣口和氣泵，濕度傳感器設(shè)有兩個，分別設(shè)在進(jìn)氣口內(nèi)和氣路通道內(nèi)；光路模塊包括激光光源和光路通道，光路通道一端和激光光源相連，一端設(shè)在氣路通道內(nèi)部，信號處理模塊包括光電探測器和信號處理電路，光電探測器垂直置于氣路通道和光路通道的相交處。本發(fā)明包括用于提供光束的光路模塊(激光光源、光路通道)、用于引入被監(jiān)空氣的氣路模塊(氣泵、氣流干燥機(jī)、濕度傳感器、氣路通道)、用于分析和處理信號的信號處理模塊(光電探測器、信號處理電路、集成接口)，光路模塊、氣路模塊和信號處理模塊集成在一個腔體內(nèi)，通過濕度傳感器實時監(jiān)測氣體濕度是否對光測量有影響，并通過干燥機(jī)干燥氣體避免濕度對測量的影響。作為優(yōu)選，所述的單片機(jī)采用STM32F103芯片。作為優(yōu)選，所述的濕度傳感器采用型號為HN-L30的Chino濕度傳感器。作為優(yōu)選，所述的激光光源采用半導(dǎo)體激光器。體積小巧、功耗低、成本低。作為優(yōu)選，所述的氣泵采用葉片抽風(fēng)風(fēng)扇，提供負(fù)壓使氣體流過檢測區(qū)域的裝置。作為優(yōu)選，所述的光電探測器采用PIN型光電二極管，響應(yīng)速度較快，能將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。作為優(yōu)選，信號處理電路包括供電模塊和散射光信號處理模塊，供電模塊為激光光源和氣泵供電，散射光信號處理模塊對光電探測器輸出的電脈沖信號進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大，從而形成適當(dāng)幅度的電壓脈沖信號，用于后續(xù)送入單片機(jī)中分析和處理。作為優(yōu)選，氣路通道設(shè)有至少三個，相鄰的氣路通道之間設(shè)有可伸縮的遮光板。本發(fā)明為了避免因量程問題導(dǎo)致需要更換儀器測量造成不便和增加成本，在原有的氣路模塊側(cè)面平行的放置更多的不同流量的氣路模塊，在測量不同地點的氣溶膠濃度可以自由選擇打開一路氣路通道使氣流流進(jìn)儀器，并在每個不同量程的氣路通道里安裝不同的光敏面來反饋光散射后得到的電壓幅度信息(散射光脈沖信號幅度分布)，通過以上方法可以進(jìn)一步減小測量誤差，而且使用同一個信號處理電路，成本較低。作為優(yōu)選，氣路通道設(shè)有三個，測量量程分別為1-10mg/m3、0.1-1mg/m3和0.001-0.1mg/m3。上述氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測方法，包括以下步驟：第一步，打開氣泵，將含被測粒子的氣體從進(jìn)氣口抽入，經(jīng)過濕度傳感器檢測是否符合標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)氣口內(nèi)的濕度傳感器檢測的氣體濕度如果小于或等于設(shè)定的閾值，則符合標(biāo)準(zhǔn)；如果大于設(shè)定的閾值，則用氣流干燥機(jī)進(jìn)行干燥處理，直至氣體通道內(nèi)的濕度傳感器檢測的氣體濕度小于或等于設(shè)定的閾值，則符合標(biāo)準(zhǔn)；第二步，濕度傳感器檢測的氣體濕度符合標(biāo)準(zhǔn)后，打開激光光源，激光光源發(fā)出的激光束通過光路通道進(jìn)入光電探測器的光陷阱，含被測粒子的氣體被激光束照射后發(fā)出散射光脈沖，所述的散射光脈沖被光電探測器接收并轉(zhuǎn)化為電脈沖信號發(fā)送到單片機(jī)；第三步，單片機(jī)利用電壓脈沖信號幅度分布通過氣溶膠質(zhì)量濃度計算方程計算得到氣溶膠質(zhì)量濃度的檢測結(jié)果。作為優(yōu)選，氣溶膠質(zhì)量濃度的計算公式為其中，c為氣溶膠質(zhì)量濃度，m為本發(fā)明專利系統(tǒng)測量裝置的脈沖信號的通道數(shù)，N(vi)為測量氣溶膠顆粒物的離散電壓脈沖信號幅度分布，vi為幅度信息，k為比例系數(shù)，β為顆粒物形貌信息參數(shù)。本發(fā)明利用電壓脈沖信號幅度分布和平均質(zhì)量濃度的反演公式通過標(biāo)定與測試實驗確定待定系數(shù)來獲得氣溶膠質(zhì)量濃度計算方程。上式的質(zhì)量濃度反演公式包含了各通道電壓脈沖信號的個數(shù)信息N(vi)和幅度信息vi，使得被測顆粒物的散射光脈沖信號幅度分布得到了充分的利用，并且還包含反映顆粒物形貌信息的參數(shù)β，因而可以實現(xiàn)高精度氣溶膠檢測。作為優(yōu)選，第三步中單片機(jī)利用擬合函數(shù)CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)對偏干氣溶膠質(zhì)量濃度進(jìn)行實時補(bǔ)償修正，所述擬合函數(shù)獲得方法如下：步驟1：將氣溶膠氣體分為兩份，第一份直接采用濾膜稱重法測量，得到?jīng)]有被干燥的氣溶膠的質(zhì)量濃度CR作為標(biāo)準(zhǔn)的精確測量值；第二份采用氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置進(jìn)行質(zhì)量濃度測量，先測量氣溶膠氣體當(dāng)前的濕度值H，然后開啟氣流干燥機(jī)進(jìn)行干燥，得到濕度低于閾值時的氣溶膠質(zhì)量濃度C干燥；步驟2：利用加濕器改變氣溶膠的濕度，重復(fù)步驟1，記錄獲取各個濕度下的濾膜稱重法的測量結(jié)果CR(H)、氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置的測量結(jié)果C干燥以及濕度H，并將收集到的濃度值C干燥和濕度值H作為CR(H)＝(C干燥,H)的輸入變量。步驟3：通過氣溶膠發(fā)生器改變氣溶膠的質(zhì)量濃度，重復(fù)步驟1和步驟2，記錄獲取不同濃度和各個濕度下的濾膜稱重法的測量結(jié)果CR(H,C)，氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置的測量結(jié)果C干燥(C)以及濕度H，并將收集到的濃度值C干燥(C)和濕度值H作為CR(H,C)＝(C干燥(C),H)的輸入變量。步驟4:利用CR(H,C)＝(C干燥(C),H)曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲面擬合，獲得擬合函數(shù)CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)，利用該偏干氣溶膠質(zhì)量濃度修正函數(shù)進(jìn)行實時補(bǔ)償修正。本發(fā)明考慮到氣流干燥機(jī)干燥帶有水分的氣流，雖然避免了由于氣溶膠顆粒折射率變化(表面過量的水分引起的)而帶來的光散射測量誤差，但同時由于干燥去除了氣溶膠表面的部分水分，這也會導(dǎo)致與實際情況有一定的偏干偏差，會低估氣溶膠顆粒的質(zhì)量濃度，因此提供了上述基于最小二乘曲面擬合的偏干氣溶膠質(zhì)量濃度修正方法。本發(fā)明采用氣體干燥機(jī)干燥被檢氣體，可以有效提高檢測的準(zhǔn)確度，避免濕度對光散射發(fā)測量產(chǎn)生的影響。本發(fā)明裝置具有多量程，消除濕度影響的特點，解決了成本過高、檢測不準(zhǔn)確的問題，便于民用監(jiān)測生活中的氣溶膠濃度，便于大量生產(chǎn)。附圖說明圖1為本發(fā)明裝置的流程示意圖。圖2為濕度檢測的流程圖。圖3為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為偏干誤差補(bǔ)償曲線示意圖。圖中各數(shù)字代表：1、濕度傳感器；2、氣流干燥機(jī)；3、光電探測器；4、激光光源；5、氣路通道；6、光路通道；7、氣泵；8、遮光板；9、進(jìn)氣口；10、出氣口。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)介紹，但不局限于此。如圖1～3所示，本發(fā)明的氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測裝置包括光路模塊、氣路模塊、信號處理模塊和單片機(jī)，氣流干燥機(jī)2、濕度傳感器1分別和單片機(jī)相連，光電探測器3通過信號處理電路和單片機(jī)相連。氣路模塊包括依次連接的氣流干燥機(jī)2、進(jìn)氣口9、氣路通道5、出氣口10和氣泵7。氣泵7用于驅(qū)動含有氣溶膠粒子的氣體經(jīng)過濕度傳感器1、氣流干燥機(jī)2并將氣體送入光路通道6被檢然后送出。濕度傳感器1設(shè)有兩個，分別設(shè)在進(jìn)氣口9內(nèi)和氣路通道5內(nèi)，二者設(shè)定的閾值相同，只要其中一個濕度傳感器1檢測符合標(biāo)準(zhǔn)即可進(jìn)行氣溶膠檢測。本實施例氣路通道5設(shè)有三個不同的量程選擇：測量量程為1-10mg/m3的氣路通道A，測量量程為0.1-1mg/m3的氣路通道B，測量量程為0.001-0.1mg/m3的氣路通道C，且氣路通道A和氣路通道B之間以及氣路通道B和氣路通道C之間設(shè)置了可伸縮的遮光板8。氣路通道5的量程不同，因此三個進(jìn)氣口9的大小不同，一個進(jìn)氣口9對應(yīng)一個氣泵7用于驅(qū)動氣體進(jìn)入被檢光路通道6，且在不同量程的氣路通道5里安裝不同的光敏面來反饋光散射后得到的電壓幅度信息，即散射光脈沖信號幅度分布。本實施例三個通道共用氣體干燥機(jī)2，有獨(dú)立的濕度傳感器1來檢測濕度情況；使用同一個光路模塊和信號處理模塊，因而極大地降低了制造成本。本發(fā)明可設(shè)多個量程選擇，并不局限于三個，例如可以是四個，也可以是五個，可根據(jù)實際情況來設(shè)置進(jìn)氣口的大小和選擇打開合適量程的進(jìn)氣通道。信號處理模塊包括光電探測器3和信號處理電路，光電探測器3垂直置于氣路通道5和光路通道6的相交處，信號處理電路包括供電模塊和散射光信號處理模塊，供電模塊為激光光源4和氣泵7供電，散射光信號處理模塊對光電探測器3輸出的電脈沖信號進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大，從而形成適當(dāng)幅度的電壓脈沖信號，用于后續(xù)送入單片機(jī)中分析和處理。光路模塊包括激光光源4和光路通道6，激光光源4發(fā)出的光照射在光電探測器3的光敏面上方，光敏面對氣溶膠粒子的散射光反應(yīng)并將信號送入信號處理電路進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大后，從信號輸出端輸出。所述的單片機(jī)采用STM32F103芯片。所述的濕度傳感器1采用型號為HN-L30的Chino濕度傳感器。所述的激光光源4采用體積小巧、功耗低、成本低的半導(dǎo)體激光器。所述的氣泵7采用葉片抽風(fēng)風(fēng)扇，提供負(fù)壓使氣體流過檢測區(qū)域的裝置。所述的光電探測器3采用PIN型光電二極管，響應(yīng)速度較快，能將光信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。氣溶膠質(zhì)量濃度光學(xué)檢測方法，包括以下步驟：第一步，打開氣泵7，將含被測粒子的氣體從進(jìn)氣口9抽入，經(jīng)過濕度傳感器1檢測，或者經(jīng)過濕度傳感器1檢測和氣流干燥機(jī)2干燥后進(jìn)入氣路通道。單片機(jī)根據(jù)接收濕度傳感器1所檢測的濕度情況控制是否加大氣流干燥機(jī)功率或開啟激光光源開始進(jìn)行光散射測量。濕度傳感器1檢測的氣體濕度如果大于設(shè)定的閾值，表示對光散射有影響，則用氣流干燥機(jī)2進(jìn)行干燥處理直至濕度符合標(biāo)準(zhǔn)；如果檢測的濕度小于或等于設(shè)定的閾值，則符合標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)氣口9內(nèi)的濕度傳感器1直接檢測氣體濕度是否對光散射有影響，如果大于影響閾值，開啟氣流干燥機(jī)2用于干燥氣體并開啟氣泵吸入氣體。在氣路通道5內(nèi)的濕度傳感器1開始工作檢測氣體是否已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。如果氣體濕度依然大于閾值則加大氣流干燥機(jī)2的功率來降低氣體濕度。直至濕度傳感器1之一檢測的濕度達(dá)到可以進(jìn)行光散射檢的濕度閾值以下則開啟激光光源4，氣溶膠光學(xué)傳感器開始工作。第二步，打開激光光源4，在光電探測器3的正上方形成照射區(qū)域，激光光源4發(fā)出的激光束通過光路通道6進(jìn)入光電探測器3的光陷阱，含被測粒子的氣體在氣泵7驅(qū)動下勻速通過光電探測器3上方時被激光束照射后發(fā)出散射光脈沖，該散射光脈沖被光電探測器3接受并轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，信號處理模塊將這個電脈沖信號進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換以及電壓放大，從而形成適當(dāng)幅度的電壓脈沖信號。第三步，單片機(jī)利用電壓脈沖信號幅度分布和平均質(zhì)量濃度的反演公式通過標(biāo)定與測試實驗確定待定系數(shù)來獲得氣溶膠質(zhì)量濃度計算方程。上式的質(zhì)量濃度反演公式包含了各通道電壓脈沖信號的個數(shù)信息N(vi)和幅度信息vi，使得被測顆粒物的散射光脈沖信號幅度分布得到了充分的利用，并且還包含反映顆粒物形貌信息的參數(shù)β，因而可以實現(xiàn)高精度氣溶膠檢測。其中，c為氣溶膠質(zhì)量濃度，m為本發(fā)明專利系統(tǒng)測量裝置的脈沖信號的通道數(shù)，N(vi)為測量氣溶膠顆粒物的離散電壓脈沖信號幅度分布，vi為幅度信息，k為比例系數(shù)，β為顆粒物形貌信息參數(shù)?？紤]到氣流干燥機(jī)干燥帶有水分的氣流，雖然避免了由于氣溶膠顆粒折射率變化(表面過量的水分引起的)而帶來的光散射測量誤差，但同時由于干燥去除了氣溶膠表面的部分水分，這也會導(dǎo)致與實際情況有一定的偏干偏差，會低估氣溶膠顆粒的質(zhì)量濃度。因此，本發(fā)明采用了一種基于最小二乘曲面擬合的偏干氣溶膠質(zhì)量濃度修正方法，包括以下步驟：步驟1：將一定濃度的同樣的氣溶膠氣體分別轉(zhuǎn)接到微量震蕩天平測量儀(濾膜稱重法裝置)中和本發(fā)明光散射法檢測裝置中進(jìn)行質(zhì)量濃度測量。單片機(jī)微處理模塊啟動，發(fā)送指令給濕度傳感器開始進(jìn)行濕度的測量，記錄當(dāng)前濕度值H，若濕度高于閾值則開啟氣流干燥機(jī)進(jìn)行干燥，之后得到濕度低于閾值時的氣溶膠質(zhì)量濃度C干燥。而濾膜稱重法得到的沒有被干燥的氣溶膠的質(zhì)量濃度CR作為標(biāo)準(zhǔn)的精確測量值；步驟2：利用加濕器設(shè)定不同的濕度，從而改變該濃度氣溶膠的濕度，重復(fù)步驟1，記錄獲取各個濕度下的濾膜稱重法的測量結(jié)果CR(H)，本發(fā)明裝置質(zhì)量濃度測量結(jié)果C干燥以及濕度H，并將收集到的濃度值C干燥和濕度值H作為CR(H)＝(C干燥,H)的輸入變量。步驟3：通過氣溶膠發(fā)生器改變氣溶膠的質(zhì)量濃度，重復(fù)步驟1和步驟2，記錄獲取不同濃度和各個濕度下的濾膜稱重法的測量結(jié)果CR(H,C)，本發(fā)明裝置質(zhì)量濃度測量結(jié)果C干燥(C)以及濕度H，并將收集到的濃度值C干燥(C)和濕度值H作為CR(H,C)＝(C干燥(C),H)的輸入變量。步驟4:如圖4所示，本發(fā)明利用CR(H,C)＝(C干燥(C),H)曲面數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘曲面擬合，獲得擬合函數(shù)CR(H,C)＝f(C干燥(C),H)，該函數(shù)可以去除由于干燥而引起的氣溶膠質(zhì)量偏低的誤差。將該偏干氣溶膠質(zhì)量濃度修正函數(shù)移植到單片機(jī)STM32中進(jìn)行實時補(bǔ)償修正。