一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法，包括激光粉塵傳感器、信號放大模塊、MCU控制模塊、檢測修正模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源及按鍵。其特征是：激光粉塵傳感器包括激光發(fā)射端、激光檢測端、氣流通道；修正模塊為三軸加速度傳感器或熱式流量計；通訊模塊可為藍牙、wifi。本發(fā)明還包括一種可穿戴粉塵檢測方法，利用三軸加速度傳感器或熱式流量計檢測氣流通道內空氣流速，最終計算激光粉塵質量濃度值。鑒于穿戴設備的結構小巧、緊湊化需求，直接通過人體動作來實現(xiàn)空氣流入,可實時測量粉塵質量濃度，本發(fā)明在實際應用中根據(jù)用戶實際需求，可在激光粉塵裝置上預留佩戴環(huán)/扣/夾，或采用其他佩戴方式，本發(fā)明測量準確、方便攜帶。
【專利說明】
-種可穿戴粉塵檢測裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于空氣品質檢測領域，具體的設及一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著人口增長和工業(yè)化發(fā)展等因素，空氣中各種污染物和懸浮顆粒物大量增加， 導致霧靈的產(chǎn)生，給人們的生活和身體健康造成了不良影響，對空氣中懸浮顆粒物及有害 物質的監(jiān)測處理裝置的需求越來越旺盛，與此同時，人們對空氣中懸浮顆粒物檢測裝置在 測試精確性及使用舒適度等方面的要求越來越高。激光檢測技術作為對空氣中懸浮顆粒物 檢測手段之一，廣泛應用于各領域。但傳統(tǒng)的激光檢測技術采用氣累作為抽氣元件，在壽命 方面不能很好滿足使用要求。針對W上問題，現(xiàn)有技術提出了采用風扇代替氣累實現(xiàn)采氣， 并進一步修正顆粒物質量濃度，可解決氣累由于發(fā)熱導致使用壽命縮短的問題，但風扇全 速工作時，噪音問題還是不能徹底解決；W上采用氣累及風扇的方法，會導致凈化設備體積 大、價格高，對于車載、移動便攜檢測領域不宜推廣，效果不佳;另外，隨著人們物質文化水 平提高，人們越來越注重健康管理，通過運動提升個人健康指數(shù)。但是近些年霧靈頻發(fā)，而 霧靈極易導致呼吸系統(tǒng)防御功能和肺功能下降，參加跑步、籃球等運動方式不僅達不到強 身健體的目的，反而可能適得其反。大多時候，人們憑自己的感官不能準確判斷空氣質量好 壞，因此，亟待開發(fā)一種可隨身攜帶，可隨時隨地檢測空氣質量的裝置，尤其是提供一種便 攜式、可穿戴的粉塵檢測裝置。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明利用激光散射法作為對空氣中可吸入顆粒物進行檢測，其原理是含有粉塵 的空氣W-定體積流量Q通過激光粉塵傳感器的檢測區(qū)域，激光粉塵傳感器產(chǎn)生電信號I， 電信號I與激光粉塵質量濃度PM成正比，公式如下：
[0004] PM=K*I
[0005] I一一激光粉塵傳感器輸出電信號。
[0006] K--標定系數(shù)，有量綱常數(shù)。
[0007] PM--單位體積內粉塵質量，yg/m3。
[000引 Q--體積流量，ml/s。
[0009] 在實際應用時，由于本發(fā)明一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法所處的測量環(huán)境受溫 度、濕度、壓力、運動狀態(tài)等各種因素的影響，不能保證進入測量氣道內的空氣流量是恒定 不變的，但是測量設備的運動組件和控制程序是固定不變的，需要引入一種新的裝置及方 法，來減少由于環(huán)境因素改變而帶來的測量誤差，方案如下：
[0010] -種可穿戴粉塵檢測裝置，包括：
[0011] 光路檢測部分:包括一個激光粉塵傳感器，內部設有激光發(fā)射端和檢測端;激光粉 塵傳感器內的氣流通道與光路不在一水平線上;氣流通道兩端設有進氣端和出氣端；
[001 ^ 信號處理部分:包括MCU控制模塊；同時與MCU控制模塊連接的信號放大模塊、顯示 模塊、檢測修正模塊、通訊模塊、顯示模塊及按鍵；
[0013] 電源給光路檢測部分和信號處理部分供電；
[0014] 在上述的一種可穿戴粉塵檢測裝置，所述檢測修正模塊采用Ξ軸加速度傳感器或 熱式流量計。
[0015] 在上述的一種可穿戴粉塵檢測裝置，通訊模塊可為藍牙、wifi,及兩者的組合。
[0016] -種利用Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計測量流速的方法，具體方法是:設定一 時間段t，然后對測量裝置進行搖晃，搖晃是在時間段t內進行，且每隔時間段t測出實時加 速度值at，則實時流速值Vt計算公式為：
[0017]
[0018] 其中，Vo為每次進行加速度測量前的氣流流速，在對測量裝置進行搖晃前V〇 = 0。 [0019]在上述的一種利用立軸加速度傳感器測量流速的方法，還包括一種采用立軸加速 度傳感器或熱式流量計對粉塵質量濃度檢測、修正的方法，步驟如下：
[0020]步驟1、在實驗室環(huán)境下，將含有粉塵的空氣W恒定的體積流量Q通過激光粉塵傳 感器檢測區(qū)，激光粉塵傳感器輸出電信號I，測量當前實驗室環(huán)境下粉塵質量濃度值PM，粉 塵質量濃度值PM與激光粉塵傳感器輸出的電信號I之間的關系式為標定系數(shù)K:
[0023] 步驟2、實測時，由于所處測試環(huán)境的溫濕度、壓力、空氣流動狀態(tài)、人體晃動狀態(tài) 等因素不穩(wěn)定，很難保證測量時進入激光粉塵傳感器的被測空氣的體積流量與標定時的體 積流量是相等的，運將會影響粉塵質量濃度的精確計算;而粉塵質量濃值PM恒定，激光粉塵 傳感器產(chǎn)生的電信號I與體積流量Q成正比；為了保證測量的準確性，減少標定時體積流量 與實測條件下體積流量值不同引入的誤差，需在實時測量時，引入一修正系數(shù)K'，若實測體 積流量為Qt，在實驗室環(huán)境下標定的體積流量為化，則修正系數(shù)K '公式為：
[0024]
[0025] 步驟3、激光粉塵傳感器在實時測試環(huán)境下，輸出的電信號強度值為I，修正系數(shù)為 K'，標定系數(shù)為K，那么可計算實時粉塵質量濃度值PM' ：
[0026]
[0027]步驟4、通過晃動一種可穿戴粉塵檢測裝置，使得空氣流過激光粉塵檢測區(qū)域，空 氣流過氣流通道的橫截面積S不變，實測時有效流速為在交叉及接近垂直于進氣方向的速 度Vt，可計算激光粉塵傳感器氣體流量：
[002引 Qt = S*Vt
[0029] 步驟5、根據(jù)標定流速Vb及實測流速Vt，計算修正系數(shù)K' ：
[0030]
[0031] 步驟6、標定流速:模擬不同晃動狀態(tài)下得到一定樣本數(shù)量的流速值，求取樣本流 速的均值，參考流速均值的大小，確定裝置在標定時晃動的流速值化，化確定后不會更改；
[0032] 步驟7、采用Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計計算實時測試環(huán)境下，進入激光粉塵 傳感器的氣流流速Vt，測量時，Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計能實現(xiàn)計算在某一時段內 晃動一種可穿戴粉塵檢測裝置時，在交叉及接近垂直于進氣方向的平均流速值為計算 f 公式為：
[0033]
[0034] 步驟8、計算實時測試環(huán)境下粉塵質量濃度：
[0037]在上述的一種利用Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計測量流速的方法，利用熱式流 量計測量流速輸出的電信號為U，則實時測量流速值Vt計算公式為：
[003引 Vt=M*U0+N
[0039] 其中，經(jīng)過實際測量，標定任意兩個點的流速值Vt 1、Vt 2，對應輸出電信號值U1、 U2，即可確定M、N的值，最終可實時計算在某一時刻的流速值Vt。
[0040] 本發(fā)明通過人體動作實現(xiàn)空氣流入，特別的設及一種利用Ξ軸加速度傳感器或熱 式流量計，實時記錄當前某一時刻晃動狀態(tài)下氣體流速，在實際應用中根據(jù)用戶實際需求， 可在激光粉塵裝置上預留佩戴環(huán)/扣/夾，測量準確、方便攜帶。
【附圖說明】
[0041] 圖1為本發(fā)明的原理框圖。
[0042] 圖2為本發(fā)明質量濃度檢測修正、檢測流程圖。
【具體實施方式】
[00創(chuàng)實施例
[0044] 一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法，包括激光粉塵傳感器、信號放大模塊、MCU控制 模塊、檢測修正模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源及按鍵。
[0045] 激光粉塵傳感器包括激光發(fā)射端(光源、聚焦透鏡）、激光檢測端(光敏傳感器）、氣 流通道。其中檢測修正模塊采用Ξ軸加速度傳感器，通訊模塊優(yōu)選為藍牙、wifi。
[0046] 采用本裝置進行的一種利用Ξ軸加速度傳感器測量流速的方法，具體是:每隔時 間段t測出實時加速度值at，則實時流速值Vt計算公式為：
[0047]
[0048] 其中，VO為每次進行加速度測量前的氣流流速，在對測量裝置進行搖晃前V0 = 0。
[0049] 然后對粉塵質量濃度檢測、修正：
[0050] 在當前測試環(huán)境下，將一種可穿戴粉塵檢測裝置佩戴在手腕上，檢測時，水平伸直 手臂，露出進氣孔和出氣孔，用手握住檢測裝置，沿著進氣方向、出氣方向，優(yōu)選在-45Γ- 45Γ的方向晃動，然后手臂上下來回晃動若干次，激光粉塵傳感器修正、檢測方法如下：
[0051] a.在實驗室環(huán)境下，將含有粉塵的空氣W恒定的體積流量Q通過激光粉塵傳感器 檢測區(qū)，激光粉塵傳感器輸出電信號I，測量當前實驗室環(huán)境下粉塵質量濃度值PM，粉塵質 量濃度值PM與激光粉塵傳感器輸出的電信號I之間的關系式為標定系數(shù)K:
[0052] PM=K*I
[0053] 印
[0054] b.實測時，由于所處測試環(huán)境的溫濕度、壓力、空氣流動狀態(tài)、人體晃動狀態(tài)等因 素不穩(wěn)定，很難保證測量時進入激光粉塵傳感器的被測空氣的體積流量與標定時的體積流 量是相等的，運將會影響粉塵質量濃度的精確計算;而粉塵質量濃值PM恒定，激光粉塵傳感 器產(chǎn)生的電信號I與體積流量Q成正比；為了保證測量的準確性，減少標定時體積流量與實 測條件下體積流量值不同引入的誤差，需在實時測量時，引入一修正系數(shù)K'，若實測體積流 量為Qt，在實驗室環(huán)境下標定的體積流量為化，則修正系數(shù)K '公式為：
[0化5]
[0056] C.激光粉塵傳感器在實時測試環(huán)境下，輸出的電信號強度值為I，修正系數(shù)為K'， 標定系數(shù)為K，那么可計算實時粉塵質量濃度值PM' ：
[0化7]
[005引d.通過晃動一種可穿戴粉塵檢測裝置，使得空氣流過激光粉塵檢測區(qū)域，空氣流 過氣流通道的橫截面積S不變，實測時有效流速為在交叉及接近垂直于進氣方向的速度Vt， 可計算激光粉塵傳感器氣體流量：
[0化9] Qt = S*Vt
[0060] e.根據(jù)標定流速Vb及實測流速Vt，計算修正系數(shù)K '
[0061]
[0062] f.標定流速:模擬不同晃動狀態(tài)下得到一定樣本數(shù)量的流速值，求取樣本流速的 均值，參考流速均值的大小，確定裝置在標定時晃動的流速值化，化確定后不會更改；
[0063] g.采用Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計計算實時測試環(huán)境下，進入激光粉塵傳感 器的氣流流速Vt，測量時，Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計能實現(xiàn)計算在某一時段內晃動 一種可穿戴粉塵檢測裝置時，在交叉及接近垂直于進氣方向的平均流速值為計算公式 為：
[0069] 實施例2
[0070] 一種可穿戴粉塵檢測裝置及方法，包括激光粉塵傳感器、信號放大模塊、MCU控制 模塊、檢測修正模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源及按鍵。激光粉塵傳感器包括激光發(fā)射端 (光源、聚焦透鏡）、激光檢測端(光敏傳感器）、氣流通道。在本實施例中，檢測修正模塊采用 熱式流量計，通訊模塊優(yōu)選為藍牙、wifi。
[0071] 采用本裝置利用熱式流量計測量流速的方法，具體是：利用熱式流量計測量流速 輸出的電信號為U，則實時測量流速值Vt計算公式為：
[0072] Vt=M*Uo+N
[0073] 其中，經(jīng)過實際測量，標定任意兩個點的流速值Vtl、Vt2,對應輸出電信號值U1、 U2,即可確定M、N的值，最終可實時計算在某一時刻的流速值Vt。
[0074] 然后對粉塵質量濃度檢測、修正：
[0075] 在當前測試環(huán)境下，將一種可穿戴粉塵檢測裝置佩戴在脖頸上，檢測時，檢測時， 水平伸直手臂，露出進氣孔和出氣孔，用手握住檢測裝置，沿著進氣方向、出氣方向，優(yōu)選 在-45°C-45°C的方向晃動，然后手臂上下來回晃動若干次，激光粉塵傳感器修正、檢測方 法如下：
[0076] a.在實驗室環(huán)境下，將含有粉塵的空氣W恒定的體積流量Q通過激光粉塵傳感器 檢測區(qū)，激光粉塵傳感器輸出電信號I，測量當前實驗室環(huán)境下粉塵質量濃度值PM，粉塵質 量濃度值PM與激光粉塵傳感器輸出的電信號I之間的關系式為標定系數(shù)K:
[0077] PM=財 I
[007引 町
[0079] b.實測時，由于所處測試環(huán)境的溫濕度、壓力、空氣流動狀態(tài)、人體晃動狀態(tài)等因 素不穩(wěn)定，很難保證測量時進入激光粉塵傳感器的被測空氣的體積流量與標定時的體積流 量是相等的，運將會影響粉塵質量濃度的精確計算;而粉塵質量濃值PM恒定，激光粉塵傳感 器產(chǎn)生的電信號I與體積流量Q成正比；為了保證測量的準確性，減少標定時體積流量與實 測條件下體積流量值不同引入的誤差，需在實時測量時，引入一修正系數(shù)K'，若實測體積流 量為Qt，在實驗室環(huán)境下標定的體積流量為化，則修正系數(shù)Κ '公式為：
[0080]
[0081] C.激光粉塵傳感器在實時測試環(huán)境下，輸出的電信號強度值為I，修正系數(shù)為Κ'， 標定系數(shù)為Κ，那么可計算實時粉塵質量濃度值ΡΜ' ：
[0082]
[0083] d.通過晃動一種可穿戴粉塵檢測裝置，使得空氣流過激光粉塵檢測區(qū)域，空氣流 過氣流通道的橫截面積S不變，實測時有效流速為在交叉及接近垂直于進氣方向的速度Vt， 可計算激光粉塵傳感器氣體流量：
[0084] Qt = S*Vt
[0085] e.根據(jù)標定流速Vb及實測流速Vt，計算修正系數(shù)K '
[0086]
[0087] f.標定流速:模擬不同晃動狀態(tài)下得到一定樣本數(shù)量的流速值，求取樣本流速的 均值，參考流速均值的大小，確定裝置在標定時晃動的流速值化，化確定后不會更改；
[0088] g.采用Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計計算實時測試環(huán)境下，進入激光粉塵傳感 器的氣流流速Vt，測量時，Ξ軸加速度傳感器或熱式流量計能實現(xiàn)計算在某一時段內晃動 一種可穿戴粉塵檢測裝置時，在交叉及接近垂直于進氣方向的平均流速值為計算公式 為：
[0089]
[0090] h.計算實時測試環(huán)境下粉塵質量濃度：
[0094]應當理解，本技術領域的普通技術人員可W理解實現(xiàn)上述實施方法攜帶的全部或 部分特征，W及與W上特征及實施例相關及能夠替代、變化、修改和變形的全部技術特征， 都屬于本發(fā)明的保護范圍內，等同于本發(fā)明的限定。
【主權項】
1. 一種可穿戴粉塵檢測裝置，其特征在于:包括： 光路檢測部分:包括一個激光粉塵傳感器，內部設有激光發(fā)射端和檢測端;激光粉塵傳 感器內的氣流通道與光路不在一水平線上;氣流通道兩端設有進氣端和出氣端； 信號處理部分:包括MCU控制模塊；同時與MCU控制模塊連接的信號放大模塊、顯示模 塊、檢測修正模塊、通訊模塊、顯示模塊及按鍵； 電源給光路檢測部分和信號處理部分供電。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種可穿戴粉塵檢測裝置，其特征在于:所述檢測修正模塊采 用三軸加速度傳感器或熱式流量計。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種可穿戴粉塵檢測裝置，其特征在于，通訊模塊可為藍牙、 wifi，及兩者的組合。4. 一種利用三軸加速度傳感器或熱式流量計測量流速的方法，其特征在于:具體方法 是:設定一時間段t，然后對測量裝置進行搖晃，搖晃是在時間段t內進行，且每隔時間段t測 出實時加速度值at，則實時流速值Vt計算公式為：其中，VQ為每次進行加速度測量前的氣流流速，在對測量裝置進行搖晃前VQ = 0。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種利用三軸加速度傳感器測量流速的方法，其特征在于:還 包括一種采用三軸加速度傳感器或熱式流量計對粉塵質量濃度檢測、修正的方法，步驟如 下： 步驟1、在實驗室環(huán)境下，將含有粉塵的空氣以恒定的體積流量Q通過激光粉塵傳感器 檢測區(qū)，激光粉塵傳感器輸出電信號I，測量當前實驗室環(huán)境下粉塵質量濃度值PM，粉塵質 量濃度值PM與激光粉塵傳感器輸出的電信號I之間的關系式為標定系數(shù)K: PM=K*I步驟2、實測時，由于所處測試環(huán)境的溫濕度、壓力、空氣流動狀態(tài)、人體晃動狀態(tài)等因 素不穩(wěn)定，很難保證測量時進入激光粉塵傳感器的被測空氣的體積流量與標定時的體積流 量是相等的，這將會影響粉塵質量濃度的精確計算;而粉塵質量濃值PM恒定，激光粉塵傳感 器產(chǎn)生的電信號I與體積流量Q成正比；為了保證測量的準確性，減少標定時體積流量與實 測條件下體積流量值不同引入的誤差，需在實時測量時，引入一修正系數(shù)K'，若實測體積流 量為Qt，在實驗室環(huán)境下標定的體積流量為Q b，則修正系數(shù)K '公式為：步驟3、激光粉塵傳感器在實時測試環(huán)境下，輸出的電信號強度值為I，修正系數(shù)為K'， 標定系數(shù)為K，那么可計算實時粉塵質量濃度值PM' ：步驟4、通過晃動一種可穿戴粉塵檢測裝置，使得空氣流過激光粉塵檢測區(qū)域，空氣流 過氣流通道的橫截面積S不變，實測時有效流速為在交叉及接近垂直于進氣方向的速度Vt， 可計算激光粉塵傳感器氣體流量： Qt = S*Vt 步驟5、根據(jù)標定流速Vb及實測流速Vt,計算修正系數(shù)K' ：步驟6、標定流速:模擬不同晃動狀態(tài)下得到一定樣本數(shù)量的流速值，求取樣本流速的 均值，參考流速均值的大小，確定裝置在標定時晃動的流速值Vb，Vb確定后不會更改； 步驟7、采用三軸加速度傳感器或熱式流量計計算實時測試環(huán)境下，進入激光粉塵傳感 器的氣流流速Vt，測量時，三軸加速度傳感器或熱式流量計能實現(xiàn)計算在某一時段內晃動 一種可穿戴粉塵檢測裝置時，在交叉及接近垂直于進氣方向的平均流速值為P；，計算公式 為：步驟8、計算實時測試環(huán)境下粉塵質量濃度：6.根據(jù)權利要求4所述的一種利用三軸加速度傳感器或熱式流量計測量流速的方法， 其特征在于：利用熱式流量計測量流速輸出的電信號為U，則實時測量流速值Vt計算公式 為： Vt=M*U〇+N 其中，經(jīng)過實際測量，標定任意兩個點的流速值Vt 1、Vt2，對應輸出電信號值U1、U2，即 可確定M、N的值，最終可實時計算在某一時刻的流速值Vt。
【文檔編號】G01N15/06GK105823714SQ201610364007
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】劉志強, 熊友輝, 楊偉, 江坤
【申請人】武漢四方光電科技有限公司