基于光纤光栅传感器的Pm2.5在线监测系统

基于光纤光栅传感器的Pm2.5在线监测系统
山东大学信息科学与工程学院物联网201
摘要：
本文介绍了一种基于光纤光栅传感器的Pm2.5在线监测系统，该系统使用布拉格光栅替换现行重量法中的天平，具有节能，耐用，高灵敏度，无静电影响，易于组网的优点。

1 引言
AQI(Air Quality Index,空气质量指数)是报告每日空气质量的参数。

描述了空气清洁或者污染的程度，以及对健康的影响。

空气质量指数的重点是评估呼吸几小时或者几天污染空气对健康的影响，你可能呼吸污染的空气后，在几个小时或几天的经验。

环保局计算空气质量指数通过五个主要污染标准：地面臭氧，颗粒物污染（也称颗粒物），一氧化碳，二氧化硫，二氧化氮。

对于这些污染物，环保局已成立了国家环境空气质量标准，以保障公众健康。

地面臭氧和空气中的颗粒的两种污染物构成这个国家对人类健康的最大威胁。

AQI是环境空气质量指数的缩写，是2012年3月国家发布的新空气质量评价标准，污染物监测为6项：二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、一氧化碳和臭氧，数据每小时更新一次。

AQI 将这6项污染物用统一的评价标准呈现。

PM2.5是指大气中直径在2.5微米及其以下的颗粒物，又叫做细颗粒物。

其上常富含大量有毒、有害物质，通常说来，直径在7—10微米的颗粒物可以进入鼻腔，4.7~7微米的颗粒物可以进入咽喉，这一阶段是可逆的，人体可以咳出来；但到了3.3~4.7微米时，颗粒物要进入气管和支气管，在2.1~3.3微米时，颗粒物可以进入中支气管……随着颗粒物直径的减小，其对人体的危害会越来越大。

世界卫生组织对PM2.5的标准每立方米PM2.5小于十微克为安全值
中国对PM2.5的标准每立方米PM2.5小于75微克为安全值监测Pm2.5通常有重量法、微量振荡天平法、Beta射线衰减法。

我国目前对大气颗粒物的测定主要采用重量法。

其原理是分别通过一定切割特征的采样器，以恒速抽取定量体积空气，使环境空气中的PM2.5和PM10被截留在已知质量的滤膜上，根据采样前后滤膜的质量差和采样体积，计算出PM2.5和PM10的浓度。

必须注意的是，计量颗粒物的单位ug/m3中分母的体积应该是标准状况下（0℃、101.3kPa）的体积，对实测温度、压力下的体积均应换算成
标准状况下的体积。

TEOM微量振荡天平法是在质量传感器内使用一个振荡空心锥形管，在其振荡端安装可更换的滤膜，振荡频率取决于锥形管特征和其质量。

当采样气流通过滤膜，其中的颗粒物沉积在滤膜上，滤膜的质量变化导致振荡频率的变化，通过振荡频率变化计算出沉积在滤膜上颗粒物的质量，再根据流量、现场环境温度和气压计算出该时段颗粒物标志的质量浓度。

Beta射线仪则是利用Beta射线衰减的原理，环境空气由采样泵吸入采样管，经过滤膜后排出，颗粒物沉淀在滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时，Beta射线的能量衰减，通过对衰减量的测定便可计算出颗粒物的浓度。

2 系统介绍
2.1 系统组成及功能
基于光纤光栅传感器的Pm2.5在线监测系统，该系统使用布拉格光栅替换现行重量法中的天平，具有节能，耐用，高灵敏度，无静电影响，易于组网的优点。

系统主要由光纤光栅传感器、传输信号用的光纤和光纤光栅解调设备组成。

光纤光栅传感器主要用于获取空气Pm2.5的值，光纤光栅解调设备用于对传感器信号的检测和数据处理，以获得测量结果，通过光纤能够实现遥测。

本系统可以在监测室中实现实时数据显示、实时数据曲线和历史数据回放等功能。

2.2系统的特点和优势
1 光纤传感器本身具有灵敏度高，适应环境能力强，几何形状适应性好等优点
2 相对于传统重量法，本系统完全可以采取全自动的方式工作，省时省力；精
确度远高于天平称量；静电存在不会影响测量结果；滤纸在测量结束之前不会移动，避免微粒散落。

3 系统快速响应，响应时间不超过60S。

4 布置传感器节点方便，可根据需要灵活布置节点位置
5采用并联方式多点检测，由一台服务器运算节省能源
6 可采用波分复用技术，利用原有光缆传输数据，节省成本。

2.3 系统的软件功能
1 显示功能：立体流程画面的显示功能；具有多种类型图表、系统图、曲线
图，用户界面更加直观；
2 分析功能：历史趋势显示，对未来趋势进行评估，提供检修参考信息；
3 报警功能：根据实际情况设定不同地点的浓度范围，系统可设置声音报警功能；
4 打印功能：可以进行各种报表的打印；
5 上传功能：实时Pm2.5浓度数据网络上传，轻松实现无人值守；
6 自检功能：系统中某一个传感器出现故障，能够通过软件甄别出故障传感器；
7 表格定制：用户可定制各种表格：实时数据表、历史数据及统计报表、设备参数表、 报警一览表、常用数据表、目录表、备忘录等。

8 查询功能：可以在系统图上直接查询设备信息、运行参数、统计信息等。

光纤光栅信号解调系统
光缆终端盒
传输光缆 每个监测点布置4个光纤光栅传感器
光缆终端盒
Web 发布
局内监控主机
变电站控制室
3 基本原理
3.1 光纤布拉格光栅的传感原理
一般的光纤传感系统由光源、传感器器件、光纤传输线、光电信号检测及信号处理四部分组成，光纤光栅基本信号调理结构图如下：
当沿纤芯传播的光在每个光纤Bragg格光栅面发生散射时，如果满足布拉格条件，每个光栅平面反射回来的光将逐步累加，最终在反向形成一个反射峰，这个其反射峰最高点所对应的波长就是中心波长，由光栅本身的物理参数决定。

而与Bragg波长不相符的光，也就是不满足Bragg条件的光，在每个光栅平面的反射会非常微弱。

光纤光栅传感的基本原理是利用其自身的光栅周期和有效折射率对外界物理量比较敏感的性质，将外界物理量的变化转化为其中心波长的移动，检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量的测量。

光纤布拉格光栅中心波长由下式确定：
式中，倒V为光栅周期常数，n（eff）为耦合模的有效折射率，应力应变或者温度的变化都将引起光纤Bragg波长的漂移，它们是引起光栅Bragg波长漂移的外界因素中最直接的物理量。

外界应力或者温度改变时，会导致光栅周期的变化，同时它们引起光纤材料的弹光效应和热光效应也使得光栅的有效折射率发生变化。

光栅传感就是通过检测中心波长的变化获得所需物理量。

采用光纤布拉格光栅传感器测应力应变时，应力所引起的波长漂移为
数学模型推导略
3.2 PM2.5监测方案
称重装置：
布拉格光栅采用粘贴式封装即将裸光栅作为应变传感器用粘结剂直接粘贴在具有弹性的衬底材料上，并可以采用刻槽的方式增大光栅与衬底的接触面积，加大变形的传递。

当放上滤纸时，利用衬底的弹性变形带动光栅同时变形，引起轴向拉伸或压缩，发生波长漂移。

根据中华人民共和国环境行业保护标准PM10及PM2.5采样器技术要求及采样方法方案设计传感器如下：
1 采样头
2 采样总管3采样顶5 引风机6 光纤光栅（1）7光纤光栅（2）8 温度计9恒温装置10滤器11 干燥器12流量计1
3 限流孔1
4 三通阀1
5 真空表16抽气泵
解调系统组成：
使用可调谐光源检测法。

这种方法利用调节光源波长的方法来达到匹配的目的，通过调节光纤激光器的输出波长，使之与光纤光栅的反射波长相匹配，如图所示，从可调谐光源发出的激光经耦合器输出到传感光纤光栅上，其反射光经耦合器，直接输出到光电探测器上，再经信号放大、处理并显示出测量结果。

调谐光源时，光电探测器的输出光强会发生变化，当传感光纤光栅的波长和激光器的波长一致时，输出信号最强。

各光纤光栅的中心波长的变化互不重叠，因此，当
输出光强最大时，读出光源的波长即为相应光纤光栅此时的中心波长。

软件总体设计
系统需要具有数据采集、实时显示、分析处理、保存、历史数据以及报警记
录查询和打印等基本功能，整个系统使用模块化的设计方法模块结构如下：
软件系统运行流程：
参考资料
《矿山安全生产检测FBG传感设计及系统研究》——杜怀光(山东大学)
《光纤光栅温度在线监测系统》——威海卫康通信技术有限公司
《PM2.5重量法解决方案》——皇河科技技术有限公司
《光纤布拉格光栅传感器设计研究》--戴森，黄永利（南京邮电大学）。