俞維嘉，田桂婷，李明非

(北京工業(yè)大學，北京 100124)

近幾年來，環(huán)境治理是我國發(fā)展建設過程中的重中之重，空氣污染問題嚴重危害了我國國民的身體健康，其中對人體健康危害最大的就是細顆粒物。

隨著社會經濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，能源消耗不斷攀升、機動車尾氣排放不斷增多，城市空氣質量日益惡化。在各項空氣污染指標中，可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)是北京市大氣主要的污染物。PM2.5和PM10對人類健康的危害是非常嚴重的。有研究表明，若大氣中PM10濃度上升 10 μg/m3，日死亡人數上升0.53%；若大氣中PM2.5濃度上升10 μg/m3，日死亡人數上升0.85%。對于PM2.5濃度時間序列和PM10濃度時間序列，分析它們的變化規(guī)律和突變特性具有重要意義[1]。

細顆粒物又稱PM2.5，PM2.5是指空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。

細顆粒物因為直徑小，進入呼吸道的部位更深。10 μm直徑的顆粒物通常沉積在上呼吸道，2 μm以下的可深入到細支氣管和肺泡。細顆粒物進入人體到肺泡后，直接影響肺的通氣功能，使機體容易處在缺氧狀態(tài)。

對顆粒的長期暴露可引發(fā)心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。當空氣中PM2.5的濃度長期高于10 μg/m3，就會帶來死亡風險的上升。此外，PM2.5極易吸附多環(huán)芳烴等有機污染物和重金屬，使致癌、致畸、致突變的機率明顯升高。

本文先后調研了中國多個城市的污染情況，尤其是PM2.5的含量隨時間的變化，了解了中國重污染城市每年和一年中每個月的PM2.5含量。

近年來,基于地基遙感網絡對氣溶膠進行探測已經成為了一種常用方法,國內外相關學者運用觀測數據分析氣溶膠光學特性、識別氣溶膠種類、反演雷達比和偏振比等。發(fā)現北京地區(qū)冬季氣溶膠中,細粒子顆粒物比重較大，污染物的主要成分為細顆粒物[2]。

在研發(fā)過程中，利用光學散射的原理，對儀器進行了多種情況下的準確性驗證，得到了大量的實驗數據，這些都對儀器的準確性提高起到了重要的作用。

希望通過研發(fā)這一款儀器，利用新穎的方法和技術，快速、準確的測定PM2.5的含量，協(xié)助進行大氣檢測，以便更有針對性的對PM2.5進行有效治理。

1 設計思路

1.1 功能實現

圖1為測量空氣PM2.5的裝置。

圖1 裝置示意圖

該裝置利用了米氏散射原理，使用激光提供光源以探測空氣中的PM2.5 顆粒的大氣監(jiān)測裝置。裝置由風道探測腔，測量裝置及電路和計算軟件三部分組成。探測腔由3D打印塑料構成，呈半圓形，橫截面呈正方形。兩端留有開口，其一裝有風扇，風扇外部裝有小孔濾膜，以過濾掉空氣中粒徑大于2.5 μm的粉塵。另一開口為氣體輸出端。探測腔中央留有透明玻璃窗口，此為探測光束的進入口和輸出口。風道內部涂有吸光率達99.4%的特殊黑色涂料，已實現光學隔離并排除外界光照影響。

測量裝置由二極管，信號放大電路和數據讀取電路三部分組成。本項目使用PIN光電二極管將光信號轉化為可讀取電信號。二極管置于探測腔上壁內側，視野中央與光束方向垂直，以增大散射光線采集效率并排除原探測光束的影響。二極管前側裝有短焦距凸透鏡，其綜合效果使二極管所觀測探測光束得到放大，進而實現米氏散射光信號的放大，增加探測靈敏度。信號放大電路為增加探測靈敏度的又一措施。光電二極管將散射光強信號轉化為對應強度電壓信號，信號放大電路將電壓信號正比例放大，使數據更易于處理。該電路的增益及偏置均可靈活調節(jié)，以適應不同使用場景。數據讀取電路使用市面上常見的Arduino開源嵌入式硬件平臺，其模擬端口與信號放大電路對接，以讀取電壓信號。數據讀取電路同時整合電腦接口功能，可通過USB數據線與計算機串聯(lián)接口對接，實現不同設備的靈活對接和不同算法的靈活應用，同時增加裝置便攜性。

計算軟件由數據讀取電路和所對接計算機共同提供。數據讀取電路可根據不同使用場景靈活使用不同數據讀取間隔和探測閾值。計算機端可根據要求使用不同數據去噪音算法。去噪音的數據使用算法自動換算為對應空氣中PM2.5顆粒數。由于裝置電路本身不存在待機問題，裝置可根據時間要求實現24 h不間斷監(jiān)測，也可根據具體情景實現只對特定事件或一天中特定時間段的監(jiān)測。以實現該功能，裝置可與事件觸發(fā)電路結合，也可由所對接計算機靈活應用。

1.2 技術特色

該項目的最大特色優(yōu)勢為靈活應用。市面上可低價購買的原材料實現相應的功能。數據讀取電路使用市面上可廣泛購買的Arduino開源開發(fā)平臺，探測腔由塑料3D打印制成，實現快速制造，快速迭代等相關功能。Arduino可與電腦接口對接，實現實時數據采集功能，能較快測量大氣粉塵濃度。同時裝置高度模塊化，每一模塊可根據要求單獨改進，以適應要求使用場景和功能。最后，在技術細節(jié)方面，探測腔內部使用特殊黑色吸光涂料實現被動光學隔離，該做法增加了裝置的靈敏度，改善了裝置的抗干擾能力。圖2為探測腔內部場景。

圖2 探測腔內部場景圖

2 原理分析

2.1 測量裝置部分

裝置最關鍵的模塊就是測量部分，也就是如何利用激光測出大氣污染物濃度。本裝置利用米散射原理，當一束激光通過一段空氣時，空氣中的顆粒物會形成散射，將光束散射出去，這就是米散射。米散射過程中，空氣中污染顆粒的濃度方程：

(1)

其中，ρ為粒子密度，d為粒子直徑，簡稱粒徑，r為探測點到粒子的距離，λ為探測光波長，I0為探測光強度，ISca為總散射光強。其中，S1和S2為兩個參數，其由折射率、介電常數、磁導率、阻抗、粒子直徑和散射角決定，S1和S2具體表達式如下

也就是說，可以將等式(1)視為w=kISca的式子，其中k為與ρ，d，r，λ，I0有關的參數。

在實驗儀器設計中，上述參數可為確定值：通過在氣體采集室(后文簡稱氣室)口添加一風扇裝置，可以控制氣室氣體流速，也就是單位時間內進入氣室的空氣污染物微粒數量，也就確定了粒徑密度ρ；通過在氣室通風口處安置濾膜，可以固定在氣室中粒子的直徑d；通過將檢測光信號的PIN二極管位置固定，同時將光路位置確定，即可確定探測點到粒子的距離r；通過選用波長為532 nm，功率為100 mW的激光器確定了探測光的波長λ和探測光強度I0(光強=功率/面積)。

這些參數確定后，k值也隨之確定了下來(即k是一個常數)，那么空氣中污染顆粒的濃度與其在氣室中對激光的散射光強度成正比。即w正比于ISca的關系，就是設計的裝置的核心原理。

2.2 信號探測裝置

在氣室的內側、頂部，安置了一個PIN二極管，用于將光信號轉化為電信號。從PIN兩個管腳處引出兩條導線接在信號放大電路上，為了增加探測靈敏度。光電二極管將散射光強信號轉化為對應強度電壓信號，而信號放大電路可以將電壓信號正比例放大，使數據更容易被探測并記錄到。與此同時，采用的信號放大電路的增益及偏置都可以自由的調節(jié)，即儀器可以在不同的環(huán)境下進行測量，避免了當空氣污染過大導致的測量電壓飽和，或者空氣污染物很少時測不到數據等的情況。

2.3 數據處理部分

通過數據讀取電路采集數據。本裝置采用常見的Arduino開源嵌入式硬件平臺，其模擬端口與信號放大電路對接，以讀取電壓信號。數據讀取電路同時整合電腦接口功能，可通過USB數據線與計算機串聯(lián)接口對接，實現不同設備的靈活對接和不同算法的靈活應用，同時增加裝置便攜性。

3 實驗檢測

按照設計對裝置進行組裝后對其進行性能測試。測試環(huán)境如圖3所示。

圖3 測試環(huán)境

將探測腔入風口加以3 um玻璃纖維濾膜或10 um PTFE濾膜后與紙質容器連接，用于過濾PM2.5或PM10。容器與入風口連接處開有小孔，使容器內大氣可被抽入探測腔。探測腔另一側出風口放有市場上購買激光測霾儀，提供標準濃度。污染物粒子源為紙容器內所點燃的香煙。容器內大氣被吸入探測腔后由出風口噴出。

共進行實驗三組，每組實驗下設置兩次實驗進行相互對照。各組實驗條件如下：

(1)第一組實驗：

①實驗1：不點燃香煙，加裝3 um濾膜

②實驗2：點燃香煙，加裝3 um濾膜

(2)第二組實驗：完全重復第一組實驗，以探測裝置的可重復性

(3)第三組實驗：

①實驗1：不點燃香煙，加裝10 um濾膜

②實驗2：點燃香煙，加裝10 um濾膜

以第一組實驗為例，獲得數據由圖4(a),圖4(b)所示。

t/s

實驗采用3 um 濾膜以測取PM2.5濃度。裝置被設置每秒采集2個數據點。為降低裝置所測得電壓數據中的噪聲已對裝置測量結果進行固定子集為10個數據點(即n=10)的移動平均計算，對激光測霾儀結果每5 s進行采樣?？蓮膬蓤D中看出藍色和橙色實線的波動位置基本吻合。可看出激光測霾儀所測得的PM2.5濃度的微小波動能在實驗裝置測得電壓中被準確反映，說明裝置對PM2.5濃度變化較為靈敏。為驗證結果更換濾膜后將實驗重復一次，其操作與上組完全相同。結果與圖4基本一致，裝置測量結果可重復性較高。

為驗證裝置對PM10也可發(fā)揮測量作用，將濾膜從3 um玻璃纖維換為10 um PTFE，其他實驗操作不變，進行第三組實驗，結果由圖5(a),圖5(b)組成，已對裝置結果進行n=10移動平均計算。

t/s

看出測霾儀測得PM10濃度呈明顯上下波動，而裝置呈現電壓變化趨勢與之基本吻合，說明裝置對PM10濃度也有較好測量能力。

最后，為說明探測腔前所加裝濾膜能發(fā)揮所設想的粉塵過濾功能，設計實驗檢測裝置不進行抽氣時測量結果。將濾膜換回未使用3 um玻璃纖維，風扇斷電，使抽氣功能無法實現。與上三組實驗同方法進行第四組實驗。將未點燃香煙和點燃香煙分別放入10 min后將濾膜取出，與第一組第二組實驗和未使用新濾膜比較，如圖6所示。

圖6 新舊濾膜對比圖

濾膜①為未使用玻璃纖維濾膜，濾膜②為第四組實驗所使用濾膜，濾膜③、④分別為第一次和第二次實驗所使用濾膜。由于粉塵來源使用已點燃香煙，產生的污染物中含有大量懸浮焦油顆粒。當裝置進行抽氣時，焦油顆粒伴隨其他粉塵微粒吸入探測腔入口，其粒徑大于3 μm時被濾膜攔截，呈現為棕色污漬。明顯可見圖中濾膜③、④表面存在上述污漬，第四組實驗的濾膜②不存在污漬，和未使用的濾膜①無明顯差別，說明濾膜對特定粒徑的過濾功能可實現。

4 數據分析

為確定裝置測量結果的準確性與可靠程度，將裝置與市面上測霾儀進行比較。為量化裝置測量和市面測霾儀測量兩組數據的相關性，即所搭建裝置測的數據吻合市面裝置測的數據的程度，引進皮爾遜相關系數的計算。其數學上的定義為：

計算出不同組實驗的皮爾遜系數，可以體現所搭建的裝置所測數據和市面裝置所測數據的相關性，說明裝置測量結果的準確度與可靠性。計算第一組-第三組實驗對應數據的相關系數，其結果為表1。

表1 不同數據組所計算得出的皮爾遜相關系數比較

5 結 語

PM2.5作為一種常見的大氣污染物，時時刻刻都在影響著的生活，良好的環(huán)境治理離不開良好的環(huán)境監(jiān)測手段。通過設計、搭建PM2.5檢測裝置，并通過反復測量將裝置不斷更新升級與調試，同時配合上先進的計算機軟件與靈敏的傳感器，現本裝置已可以進行污染物濃度的測量，且不易受外界環(huán)境的干擾，證實了類似系統(tǒng)的技術可行性。希望在將來的儀器能為環(huán)境監(jiān)測貢獻一份力量，協(xié)助讓環(huán)境變得更好。