光学散射法测量大气中PM2.5的浓度

俞维嘉，田桂婷，李明非

(北京工业大学，北京 100124)

近几年来，环境治理是我国发展建设过程中的重中之重，空气污染问题严重危害了我国国民的身体健康，其中对人体健康危害最大的就是细颗粒物。

随着社会经济的快速发展和城市化进程的加快，能源消耗不断攀升、机动车尾气排放不断增多，城市空气质量日益恶化。在各项空气污染指标中，可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)是北京市大气主要的污染物。PM2.5和PM10对人类健康的危害是非常严重的。有研究表明，若大气中PM10浓度上升 10 μg/m3，日死亡人数上升0.53%；若大气中PM2.5浓度上升10 μg/m3，日死亡人数上升0.85%。对于PM2.5浓度时间序列和PM10浓度时间序列，分析它们的变化规律和突变特性具有重要意义[1]。

细颗粒物又称PM2.5，PM2.5是指空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

细颗粒物因为直径小，进入呼吸道的部位更深。10 μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，2 μm以下的可深入到细支气管和肺泡。细颗粒物进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态。

对颗粒的长期暴露可引发心血管病和呼吸道疾病以及肺癌。当空气中PM2.5的浓度长期高于10 μg/m3，就会带来死亡风险的上升。此外，PM2.5极易吸附多环芳烃等有机污染物和重金属，使致癌、致畸、致突变的机率明显升高。

本文先后调研了中国多个城市的污染情况，尤其是PM2.5的含量随时间的变化，了解了中国重污染城市每年和一年中每个月的PM2.5含量。

近年来,基于地基遥感网络对气溶胶进行探测已经成为了一种常用方法,国内外相关学者运用观测数据分析气溶胶光学特性、识别气溶胶种类、反演雷达比和偏振比等。发现北京地区冬季气溶胶中,细粒子颗粒物比重较大，污染物的主要成分为细颗粒物[2]。

在研发过程中，利用光学散射的原理，对仪器进行了多种情况下的准确性验证，得到了大量的实验数据，这些都对仪器的准确性提高起到了重要的作用。

希望通过研发这一款仪器，利用新颖的方法和技术，快速、准确的测定PM2.5的含量，协助进行大气检测，以便更有针对性的对PM2.5进行有效治理。

1 设计思路

1.1 功能实现

图1为测量空气PM2.5的装置。

图1 装置示意图

该装置利用了米氏散射原理，使用激光提供光源以探测空气中的PM2.5 颗粒的大气监测装置。装置由风道探测腔，测量装置及电路和计算软件三部分组成。探测腔由3D打印塑料构成，呈半圆形，横截面呈正方形。两端留有开口，其一装有风扇，风扇外部装有小孔滤膜，以过滤掉空气中粒径大于2.5 μm的粉尘。另一开口为气体输出端。探测腔中央留有透明玻璃窗口，此为探测光束的进入口和输出口。风道内部涂有吸光率达99.4%的特殊黑色涂料，已实现光学隔离并排除外界光照影响。

测量装置由二极管，信号放大电路和数据读取电路三部分组成。本项目使用PIN光电二极管将光信号转化为可读取电信号。二极管置于探测腔上壁内侧，视野中央与光束方向垂直，以增大散射光线采集效率并排除原探测光束的影响。二极管前侧装有短焦距凸透镜，其综合效果使二极管所观测探测光束得到放大，进而实现米氏散射光信号的放大，增加探测灵敏度。信号放大电路为增加探测灵敏度的又一措施。光电二极管将散射光强信号转化为对应强度电压信号，信号放大电路将电压信号正比例放大，使数据更易于处理。该电路的增益及偏置均可灵活调节，以适应不同使用场景。数据读取电路使用市面上常见的Arduino开源嵌入式硬件平台，其模拟端口与信号放大电路对接，以读取电压信号。数据读取电路同时整合电脑接口功能，可通过USB数据线与计算机串联接口对接，实现不同设备的灵活对接和不同算法的灵活应用，同时增加装置便携性。

计算软件由数据读取电路和所对接计算机共同提供。数据读取电路可根据不同使用场景灵活使用不同数据读取间隔和探测阈值。计算机端可根据要求使用不同数据去噪音算法。去噪音的数据使用算法自动换算为对应空气中PM2.5颗粒数。由于装置电路本身不存在待机问题，装置可根据时间要求实现24 h不间断监测，也可根据具体情景实现只对特定事件或一天中特定时间段的监测。以实现该功能，装置可与事件触发电路结合，也可由所对接计算机灵活应用。

1.2 技术特色

该项目的最大特色优势为灵活应用。市面上可低价购买的原材料实现相应的功能。数据读取电路使用市面上可广泛购买的Arduino开源开发平台，探测腔由塑料3D打印制成，实现快速制造，快速迭代等相关功能。Arduino可与电脑接口对接，实现实时数据采集功能，能较快测量大气粉尘浓度。同时装置高度模块化，每一模块可根据要求单独改进，以适应要求使用场景和功能。最后，在技术细节方面，探测腔内部使用特殊黑色吸光涂料实现被动光学隔离，该做法增加了装置的灵敏度，改善了装置的抗干扰能力。图2为探测腔内部场景。

图2 探测腔内部场景图

2 原理分析

2.1 测量装置部分

装置最关键的模块就是测量部分，也就是如何利用激光测出大气污染物浓度。本装置利用米散射原理，当一束激光通过一段空气时，空气中的颗粒物会形成散射，将光束散射出去，这就是米散射。米散射过程中，空气中污染颗粒的浓度方程：

(1)

其中，ρ为粒子密度，d为粒子直径，简称粒径，r为探测点到粒子的距离，λ为探测光波长，I0为探测光强度，ISca为总散射光强。其中，S1和S2为两个参数，其由折射率、介电常数、磁导率、阻抗、粒子直径和散射角决定，S1和S2具体表达式如下

也就是说，可以将等式(1)视为w=kISca的式子，其中k为与ρ，d，r，λ，I0有关的参数。

在实验仪器设计中，上述参数可为确定值：通过在气体采集室(后文简称气室)口添加一风扇装置，可以控制气室气体流速，也就是单位时间内进入气室的空气污染物微粒数量，也就确定了粒径密度ρ；通过在气室通风口处安置滤膜，可以固定在气室中粒子的直径d；通过将检测光信号的PIN二极管位置固定，同时将光路位置确定，即可确定探测点到粒子的距离r；通过选用波长为532 nm，功率为100 mW的激光器确定了探测光的波长λ和探测光强度I0(光强=功率/面积)。

这些参数确定后，k值也随之确定了下来(即k是一个常数)，那么空气中污染颗粒的浓度与其在气室中对激光的散射光强度成正比。即w正比于ISca的关系，就是设计的装置的核心原理。

2.2 信号探测装置

在气室的内侧、顶部，安置了一个PIN二极管，用于将光信号转化为电信号。从PIN两个管脚处引出两条导线接在信号放大电路上，为了增加探测灵敏度。光电二极管将散射光强信号转化为对应强度电压信号，而信号放大电路可以将电压信号正比例放大，使数据更容易被探测并记录到。与此同时，采用的信号放大电路的增益及偏置都可以自由的调节，即仪器可以在不同的环境下进行测量，避免了当空气污染过大导致的测量电压饱和，或者空气污染物很少时测不到数据等的情况。

2.3 数据处理部分

通过数据读取电路采集数据。本装置采用常见的Arduino开源嵌入式硬件平台，其模拟端口与信号放大电路对接，以读取电压信号。数据读取电路同时整合电脑接口功能，可通过USB数据线与计算机串联接口对接，实现不同设备的灵活对接和不同算法的灵活应用，同时增加装置便携性。

3 实验检测

按照设计对装置进行组装后对其进行性能测试。测试环境如图3所示。

图3 测试环境

将探测腔入风口加以3 um玻璃纤维滤膜或10 um PTFE滤膜后与纸质容器连接，用于过滤PM2.5或PM10。容器与入风口连接处开有小孔，使容器内大气可被抽入探测腔。探测腔另一侧出风口放有市场上购买激光测霾仪，提供标准浓度。污染物粒子源为纸容器内所点燃的香烟。容器内大气被吸入探测腔后由出风口喷出。

共进行实验三组，每组实验下设置两次实验进行相互对照。各组实验条件如下：

(1)第一组实验：

①实验1：不点燃香烟，加装3 um滤膜

②实验2：点燃香烟，加装3 um滤膜

(2)第二组实验：完全重复第一组实验，以探测装置的可重复性

(3)第三组实验：

①实验1：不点燃香烟，加装10 um滤膜

②实验2：点燃香烟，加装10 um滤膜

以第一组实验为例，获得数据由图4(a),图4(b)所示。

t/s

实验采用3 um 滤膜以测取PM2.5浓度。装置被设置每秒采集2个数据点。为降低装置所测得电压数据中的噪声已对装置测量结果进行固定子集为10个数据点(即n=10)的移动平均计算，对激光测霾仪结果每5 s进行采样。可从两图中看出蓝色和橙色实线的波动位置基本吻合。可看出激光测霾仪所测得的PM2.5浓度的微小波动能在实验装置测得电压中被准确反映，说明装置对PM2.5浓度变化较为灵敏。为验证结果更换滤膜后将实验重复一次，其操作与上组完全相同。结果与图4基本一致，装置测量结果可重复性较高。

为验证装置对PM10也可发挥测量作用，将滤膜从3 um玻璃纤维换为10 um PTFE，其他实验操作不变，进行第三组实验，结果由图5(a),图5(b)组成，已对装置结果进行n=10移动平均计算。

t/s

看出测霾仪测得PM10浓度呈明显上下波动，而装置呈现电压变化趋势与之基本吻合，说明装置对PM10浓度也有较好测量能力。

最后，为说明探测腔前所加装滤膜能发挥所设想的粉尘过滤功能，设计实验检测装置不进行抽气时测量结果。将滤膜换回未使用3 um玻璃纤维，风扇断电，使抽气功能无法实现。与上三组实验同方法进行第四组实验。将未点燃香烟和点燃香烟分别放入10 min后将滤膜取出，与第一组第二组实验和未使用新滤膜比较，如图6所示。

图6 新旧滤膜对比图

滤膜①为未使用玻璃纤维滤膜，滤膜②为第四组实验所使用滤膜，滤膜③、④分别为第一次和第二次实验所使用滤膜。由于粉尘来源使用已点燃香烟，产生的污染物中含有大量悬浮焦油颗粒。当装置进行抽气时，焦油颗粒伴随其他粉尘微粒吸入探测腔入口，其粒径大于3 μm时被滤膜拦截，呈现为棕色污渍。明显可见图中滤膜③、④表面存在上述污渍，第四组实验的滤膜②不存在污渍，和未使用的滤膜①无明显差别，说明滤膜对特定粒径的过滤功能可实现。

4 数据分析

为确定装置测量结果的准确性与可靠程度，将装置与市面上测霾仪进行比较。为量化装置测量和市面测霾仪测量两组数据的相关性，即所搭建装置测的数据吻合市面装置测的数据的程度，引进皮尔逊相关系数的计算。其数学上的定义为：

计算出不同组实验的皮尔逊系数，可以体现所搭建的装置所测数据和市面装置所测数据的相关性，说明装置测量结果的准确度与可靠性。计算第一组-第三组实验对应数据的相关系数，其结果为表1。

表1 不同数据组所计算得出的皮尔逊相关系数比较

5 结 语

PM2.5作为一种常见的大气污染物，时时刻刻都在影响着的生活，良好的环境治理离不开良好的环境监测手段。通过设计、搭建PM2.5检测装置，并通过反复测量将装置不断更新升级与调试，同时配合上先进的计算机软件与灵敏的传感器，现本装置已可以进行污染物浓度的测量，且不易受外界环境的干扰，证实了类似系统的技术可行性。希望在将来的仪器能为环境监测贡献一份力量，协助让环境变得更好。