一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置

1.本发明属于大气环境颗粒物理化性质探测技术领域，特别是涉及一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置。


背景技术：

2.对颗粒物粒径的探测可以显著提升空气质量模式的预报技巧，对于气溶胶的扩散、转化过程，多尺度的大气污染综合治理具有重要意义。
3.对于颗粒物粒径的探测，激光雷达具有较高的时空分辨率，但其购置和维护成本较高，对于突发的大气污染事件，由于时间、空间分布的随机性，在激光雷达难以覆盖的区域难以对污染过程进行监测，对于近地面层颗粒物浓度的梯度变化特征也难以准确获取。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，包括测量腔模块，所述测量腔模块包括测量腔和设置在所述测量腔上的入射光准直模块和至少一散射信号探测模块，所述测量腔上设有主通道、入射光通道和散射信号探测通道，所述主通道与气路系统连接；所述入射光通道和散射信号探测通道分别连通在所述主通道的外侧；所述入射光准直模块对应所述入射光通道设置，所述散射信号探测模块对应所述散射信号探测通道设置。
5.较佳地，所述入射光准直模块包括准直镜筒、激光二极管和第一透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述准直镜筒内，所述激光二极管设置在所述准直镜筒的外端口处，所述准直镜筒角度可调节的设置在所述入射光通道内。
6.较佳地，所述测量腔包括测量腔主体和若干侧臂，所述主通道开设在所述测量腔主体上；若干所述侧臂固设在所述测量腔主体的外侧，所述入射光通道和散射信号探测通道分别贯穿侧臂并连通至所述主通道；所述准直镜筒与所述入射光通道之间存在间隙；所述入射光通道所在的侧壁上设置若干螺纹孔，若干螺纹紧固件贯穿若干所述螺纹孔将所述准直镜筒锁紧在该侧臂中。
7.较佳地，所述第一透镜组件包括第一准直透镜和平凸柱面透镜，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜沿着所述准直镜筒从外向内间隔设置在所述准直镜筒上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜的凸面均朝向所述主通道。
8.较佳地，所述散射信号探测模块包括第二透镜组件和apd光电转换模块，所述第二透镜组件设置在所述散射信号探测通道内，所述apd光电转换模块设置在该散射信号探测通道的外端口处；所述apd光电转换模块包括调理电路和设置在所述调理电路上的雪崩光电二极管，所述调理电路设置在所述散射信号探测通道的外端口上，所述雪崩光电二极管朝向该散射信号探测通道。
9.较佳地，所述第二透镜组件包括第二准直透镜和聚焦透镜，所述第二准直透镜和
聚焦透镜沿着所述散射信号探测通道从内向外间隔设置在该散射信号探测通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜的凸面均朝向所述主通道。
10.较佳地，所述入射光通道与所述散射信号探测通道均为直线通道，且两者呈90
°
夹角。
11.较佳地，所述测量腔模块还包括激光耗散模块，所述激光耗散模块包括开设在所述测量腔内的激光耗散腔，所述激光耗散腔的一端密封，另一端与所述主通道连通；所述激光耗散腔正对着所述入射光准直模块，并与所述入射光准直模块分布在所述主通道的相对两侧。
12.较佳地，还包括控制模块和供电模块，所述控制模块分别与所述供电模块和测量腔模块电连接。
13.较佳地，所述主通道内还设有温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述控制模块连接。
14.较佳地，还包括外壳，所述测量腔模块、供电模块和控制模块均安装在所述外壳内。
15.较佳地，所述主通道的两端分别设有进气口和出气口，所述气路系统包括气泵，所述气泵通过气管与所述出气口连接。
16.与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：1、本发明提供一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，此监测装置通过无人机搭载进行大气颗粒物粒径的探测，通过适配无人机的小型颗粒物粒径监测装置可以在污染过程的预报预警中发挥重要作用；2、本发明提供一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，即此监测装置搭载在无人机上，用于对大气颗粒物粒径的观测，还可灵活应用于移动、固定站点等多种观测场景。
17.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：图1为本发明的优选实施例提供的测量腔模块的结构示意图；图2为本发明的优选实施例提供的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置的结构示意图；图3为本发明的优选实施例提供的侧壁的结构示意图。
19.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
21.请参考图1至图3，一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，包括：测量腔模块10，其包括测量腔2和设置在所述测量腔2上的入射光准直模块1和至少一散射信号探测模块3，所述测量腔2上设有主通道25、入射光通道23和散射信号探测通道，所述主通道25与气路系统连接；所述入射光通道23和散射信号探测通道分别连通在所述主通道25的外侧，并且所述入射光通道23与所述散射信号探测通道均为直线通道，且两者呈90
°
夹角；所述入射光准直模块1对应所述入射光通道23设置，所述散射信号探测模块3对应所述散射信号探测通道设置；控制模块40，与所述测量腔模块10控制连接；供电模块30，为所述控制模块40和所述测量腔模块10供电，12v锂电池。
22.为了便于将测量腔模块10、控制模块40和供电模块30安装在无人机上，因此，线监测装置还包括一外壳20，测量腔模块10、控制模块40和供电模块30均安装在此外壳20内，在本实施例中，测量腔2上设有便于与外壳20固定连接的固定孔24，紧固件穿过外壳20至固定孔24中，将测量腔2固定在外壳20上。此外壳20上设有便于外界气体进入测量腔2的空气通道。
23.为了满足无人机搭载要求，外壳20采用3d打印光敏固化成型的树脂外壳，满足装置强度和精度要求的同时减轻整个装置重量。
24.所述主通道25的两端分别设有进气口8和出气口，本实施例对气路系统不做具体限制，只要能促进外界空气从主通道25的进气口8进入，从出气口排出即可。
25.作为一种实施例，所述气路系统包括气泵7，如微型隔膜泵，所述气泵7通过出气管与主通道25的出气口连接。
26.作为另外一种实施例，气路系统，基于鞘气绕流原理，气路系统分别与主通道25的两端口连接。
27.本实施例的气路系统优选第一种实施例，目的在于减轻测量腔模块10的重量，便于携带。
28.在本实施例中，所述入射光准直模块1包括激光二极管11和第一透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述入射光通道23内，所述激光二极管11设置在该入射光通道23的外端口处。激光二极管11通过透镜组合（第一透镜组件）在颗粒物光散射位置呈现准直线性光斑，这种状态下最有利于光散射信号的接收与颗粒物的反演。
29.本实施例对第一透镜组件的构造不做具体限制，如，第一透镜组件包括第一准直透镜12和平凸柱面透镜14，所述第一准直透镜12和平凸柱面透镜14沿着所述入射光通道23从外向内间隔设置在该入射光通道23上，所述第一准直透镜12和平凸柱面透镜14的凸面均朝向所述主通道25。
30.为了便于对入射光准通道内的线性光斑的位置进行校正，确保颗粒物和光斑在理想的位置交汇并发生散射，因此，将入射光准直模块1设置为角度可调的结构，如入射光准直模块1还包括准直镜筒13，所述准直镜筒13通过螺纹紧固件角度可调节的紧固在所述入射光通道23内；
所述第一透镜组件安装在所述准直镜筒13内，所述激光二极管11设置在所述准直镜筒13的外端口处。
31.具体的，所述测量腔2包括测量腔主体21和若干侧臂22，所述主通道25开设在所述测量腔主体21上；若干所述侧臂22固设在所述测量腔主体21的外侧，所述入射光通道23和散射信号探测通道分别贯穿侧臂22并连通至所述主通道25；所述准直镜筒13与所述入射光通道23之间存在间隙；所述入射光通道23所在的侧壁上设置若干螺纹孔221，若干螺纹紧固件贯穿若干所述螺纹孔221将所述准直镜筒13锁紧在该侧臂22中。在本实施例中，为了便于准直镜筒13的调节，若干螺纹孔221分布在侧壁的三个不同的方向。需要调节准直镜筒13时，将螺纹孔221上的螺纹紧固件拧松，调整准直镜筒13至合适位置后，拧动不同方向的螺纹紧固件，直至紧紧抵住准直镜筒13，使其固定。
32.在本实施例中，入射光通道23和散射信号探测通道的结构可以相同，也可以不同。为了通用性好，即散射信号探测模块3可以安装在入射光通道23内，入射光准直模块1可以安装在散射信号探测通道，则入射光通道23和散射信号探测通道的结构，即入射光通道23和散射信号探测通道所在的侧臂22结构相同，即侧臂22上均设有螺纹孔221。
33.由于所述准直镜筒13与所述入射光通道23之间存在间隙，为了确保测量腔2的密封性，因此，在主通道25和侧通道之间通过设置一透镜进行密封，防止主通道25内的空气从入射光通道23流出。
34.在本实施例中，所述散射信号探测模块3包括第二透镜组件和apd光电转换模块31，所述第二透镜组件设置在所述散射信号探测通道内，所述apd光电转换模块31设置在该散射信号探测通道的外端口处；所述apd光电转换模块31包括调理电路和设置在所述调理电路上的雪崩光电二极管，所述调理电路设置在所述散射信号探测通道的外端口上，所述雪崩光电二极管朝向该散射信号探测通道，目的是便于将颗粒物散射信号汇聚在雪崩光电二极管的感光面上；所述调理电路与所述控制模块40连接。
35.本实施例对第二透镜组件的构造不做具体限制，如，所述第二透镜组件包括第二准直透镜33和聚焦透镜32，所述第二准直透镜33和聚焦透镜32沿着所述散射信号探测通道从内向外间隔设置在该散射信号探测通道上，所述第二准直透镜33和聚焦透镜32的凸面均朝向所述主通道25。
36.进一步的，所述散射信号探测模块3还包括安装镜筒，第二透镜组件安装在此安装镜筒内。
37.所述测量腔模块10还包括激光耗散模块4，所述激光耗散模块4包括开设在所述测量腔2内的激光耗散腔，所述激光耗散腔的一端密封，此密封端面倾斜设置，另一端与所述主通道25连通；所述激光耗散腔正对着所述入射光准直模块1，并与所述入射光准直模块1分布在所述主通道25的相对两侧。本实施例，激光耗散模块4通过折射与吸收，将多余激光在耗散腔中进行消光。
38.所述主通道25内还设有温湿度传感器5，所述温湿度传感器5与所述控制模块40连接，目的是便于对测量腔2内的温湿度状况进行监控。由于温度对于主通道25的进气流量的计算会产生影响，湿度过高则需要对主通道25的进气进行干燥处理（主通道25的进气口8处
需要配合设置干燥装置），因此测量腔2内空气的温湿度状况会对颗粒物数量的测量产生影响。
39.本发明对控制模块40不做具体限制，如采用树莓派主板。为了缩减整个装置的体积，通过树莓派主板外接模数转换芯片，对颗粒物信号实现高频数据读取和模数转换，基于python程序实现对数据的实时展示功能和存储。
40.为了满足无人机搭载的要求，本装置对常规光学粒径谱仪进行了多项改进，改进后的装置为150mm*150mm*85mm长方体外壳20，质量约800g，体积小、质量轻，可满足无人机搭载的要求，适用于颗粒物粒径的观测，同时也可灵活应用于移动、固定站点等多种观测场景。
41.为了便于数据的展示和分析等功能，监测装置还包括显示屏50，此显示屏50与控制模块40（树莓派主板）连接，显示用以控制系统运行及监控运行状态等。
42.为了便于定位，监测装置还包括gps定位模块6。
43.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，包括测量腔模块，所述测量腔模块包括测量腔和设置在所述测量腔上的入射光准直模块和至少一散射信号探测模块，所述测量腔上设有主通道、入射光通道和散射信号探测通道，所述主通道与气路系统连接；所述入射光通道和散射信号探测通道分别连通在所述主通道的外侧；所述入射光准直模块对应所述入射光通道设置，所述散射信号探测模块对应所述散射信号探测通道设置。2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述入射光准直模块包括准直镜筒、激光二极管和第一透镜组件，所述第一透镜组件设置在所述准直镜筒内，所述激光二极管设置在所述准直镜筒的外端口处，所述准直镜筒角度可调节的设置在所述入射光通道内。3.根据权利要求2所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述测量腔包括测量腔主体和若干侧臂，所述主通道开设在所述测量腔主体上；若干所述侧臂固设在所述测量腔主体的外侧，所述入射光通道和散射信号探测通道分别贯穿侧臂并连通至所述主通道；所述准直镜筒与所述入射光通道之间存在间隙；所述入射光通道所在的侧壁上设置若干螺纹孔，若干螺纹紧固件贯穿若干所述螺纹孔将所述准直镜筒锁紧在该侧臂中。4.根据权利要求2所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述第一透镜组件包括第一准直透镜和平凸柱面透镜，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜沿着所述准直镜筒从外向内间隔设置在所述准直镜筒上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜的凸面均朝向所述主通道。5.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述散射信号探测模块包括第二透镜组件和apd光电转换模块，所述第二透镜组件设置在所述散射信号探测通道内，所述apd光电转换模块设置在该散射信号探测通道的外端口处；所述apd光电转换模块包括调理电路和设置在所述调理电路上的雪崩光电二极管，所述调理电路设置在所述散射信号探测通道的外端口上，所述雪崩光电二极管朝向该散射信号探测通道。6.根据权利要求5所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述第二透镜组件包括第二准直透镜和聚焦透镜，所述第二准直透镜和聚焦透镜沿着所述散射信号探测通道从内向外间隔设置在该散射信号探测通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜的凸面均朝向所述主通道。7.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述入射光通道与所述散射信号探测通道均为直线通道，且两者呈90
°
夹角。8.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述测量腔模块还包括激光耗散模块，所述激光耗散模块包括开设在所述测量腔内的激光耗散腔，所述激光耗散腔的一端密封，另一端与所述主通道连通；所述激光耗散腔正对着所述入射光准直模块，并与所述入射光准直模块分布在所述主通道的相对两侧。9.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，
其特征在于，还包括控制模块和供电模块，所述控制模块分别与所述供电模块和测量腔模块电连接。10.根据权利要求9所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述主通道内还设有温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述控制模块连接。11.根据权利要求10所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，还包括外壳，所述测量腔模块、供电模块和控制模块均安装在所述外壳内。12.根据权利要求1所述的一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，其特征在于，所述主通道的两端分别设有进气口和出气口，所述气路系统包括气泵，所述气泵通过气管与所述出气口连接。

技术总结
本发明提供了一种应用于无人机探测的便携式颗粒物粒径在线监测装置，包括测量腔模块，所述测量腔模块包括测量腔和设置在所述测量腔上的入射光准直模块和至少一散射信号探测模块，所述测量腔上设有主通道、入射光通道和散射信号探测通道，所述主通道与气路系统连接；所述入射光通道和散射信号探测通道分别连通在所述主通道的外侧；所述入射光准直模块对应所述入射光通道设置，所述散射信号探测模块对应所述散射信号探测通道设置。本发明提供的监测装置通过无人机搭载进行大气颗粒物粒径的探测，通过适配无人机的小型颗粒物粒径监测装置可以在污染过程的预报预警中发挥重要作用。用。用。


技术研发人员：潘小乐 姚维杰 吴煌坚 王自发
受保护的技术使用者：中国科学院大气物理研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8