隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來(lái)越高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)每年都會(huì)有2.2～5.2萬(wàn)人因空氣顆粒物污染而死亡,在歐盟這一數(shù)字高達(dá)20萬(wàn)。空氣中顆粒物嚴(yán)重危害人的健康,尤其是直徑小于10 ?滋m的顆粒物(PM10)會(huì)隨空氣進(jìn)入呼吸道， 而直徑小于2.5 ?滋m的顆粒物(PM2.5)更是會(huì)進(jìn)入肺部和支氣管中，直接導(dǎo)致死亡風(fēng)險(xiǎn)的上升。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張全球空氣質(zhì)量地圖，專(zhuān)門(mén)展示世界各地PM2.5的密度。其中PM2.5濃度最高的地方出現(xiàn)在北非、東亞和中國(guó)。中國(guó)華北、華東和華中PM2.5的密度甚至接近80 ?滋g/m3,甚至超過(guò)了撒哈拉沙漠[2]。

    目前，國(guó)外對(duì)PM2.5監(jiān)測(cè)儀器的研究技術(shù)較為成熟，而我國(guó)在PM2.5監(jiān)測(cè)儀器方面的研究剛剛起步。2011年12月21日,環(huán)保部公布到2016年將在所有地級(jí)以上城市實(shí)施PM2.5監(jiān)測(cè)。目前我國(guó)使用的PM2.5監(jiān)測(cè)儀器大多是引進(jìn)國(guó)外的，其價(jià)格相當(dāng)高，因此研究一種PM2.5監(jiān)測(cè)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PM2.5濃度值，最終找到污染源消除污染顯得十分迫切。
1 空氣顆粒物監(jiān)測(cè)方法與原理
1.1 顆粒物監(jiān)測(cè)方法
    當(dāng)前，測(cè)量PM2.5濃度的方法主要有β射線吸收法、微量天平振蕩法和光散射法。β射線吸收法因其適用范圍廣、測(cè)量準(zhǔn)確被很多國(guó)家作為顆粒物監(jiān)測(cè)的首選方法。本文就是采用β射線吸收法研究測(cè)量PM2.5/PM10濃度。
1.2 β射線吸收法測(cè)量顆粒物濃度原理[2]
    當(dāng)一強(qiáng)度恒定的β源發(fā)出的β射線穿過(guò)一定厚度的介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸附作用，β射線的強(qiáng)度會(huì)衰減，其衰減的程度與顆粒物的質(zhì)量厚度成正比關(guān)系，在一定范圍內(nèi)其遵循如下規(guī)律：
  
    其工作過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制恒流采樣系統(tǒng)將采樣的氣體先后通過(guò)兩種不同的濾紙(第一種主要吸收空氣中較大的顆粒物質(zhì)，第二種主要吸收所測(cè)PM2.5/PM10濃度的顆粒物，濾紙可更換)過(guò)濾，當(dāng)采樣一定時(shí)間后，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾紙傳送帶將濾紙移向14C放射源(β射線源)處，β射線經(jīng)過(guò)含有顆粒物的濾紙后，由光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大之后由單片機(jī)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，最后通過(guò)串口將計(jì)數(shù)值發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)計(jì)算出PM2.5/PM10濃度值，并顯示出來(lái)。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

2.1 氣體恒流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用質(zhì)量流量控制器(MFC)和小型真空泵實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的恒流采樣，流量范圍為50～500 mL/min。MFC由流量傳感器、放大控制器、流量調(diào)節(jié)閥和分流器通道組成[3]。工作原理為：流量傳感器采用毛細(xì)管傳熱溫差量熱法原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。將傳感器加熱電橋所測(cè)得的流量信號(hào)放大后與設(shè)定電壓進(jìn)行比較，并通過(guò)差值電壓去控制流量調(diào)節(jié)閥，使之與設(shè)定的流量相等，分流器決定主通道的流量。
2.2 濾紙傳輸裝置設(shè)計(jì)
     濾紙傳輸裝置的主要作用是使濾紙?jiān)诓蓸狱c(diǎn)和射線探測(cè)點(diǎn)之間移動(dòng)和更換濾紙。精確地控制濾紙?jiān)诓蓸狱c(diǎn)與射線探測(cè)點(diǎn)之間移動(dòng)的距離至關(guān)重要。因此，采用步進(jìn)電機(jī)配合光電編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)濾紙傳輸位移的精確控制。
2.3 β射線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.3.1 β射線源
      本系統(tǒng)采用14C作為β射線源,其放射能量為0.156 MeV，半衰期為5 730年。這種放射源放射強(qiáng)度適中，且對(duì)人體無(wú)害，非常適合本監(jiān)測(cè)儀器。由于其半衰期很長(zhǎng)，因此在粉塵采樣前后的β射線測(cè)量中可認(rèn)為其強(qiáng)度不變。為提高系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，需半年左右重新標(biāo)定一下β射線對(duì)介質(zhì)的吸收系數(shù)k。
2.3.2 β射線強(qiáng)度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
　　由光電倍增管輸出的電信號(hào)為電流信號(hào)，在β粒子射線探測(cè)脈沖調(diào)理電路中，電流信號(hào)的靈敏度較電壓信號(hào)差很多，且不易后續(xù)電路處理，因此需將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再進(jìn)行放大、濾波和處理。β粒子脈沖調(diào)理電路系統(tǒng)組成如圖3所示。

    β粒子脈沖調(diào)理電路原理圖如圖4所示。電阻Rb一端接地，另一端與C18連接，使耦合電容C18對(duì)地構(gòu)成放電回路。其中電阻Rb的作用為：輻射脈沖經(jīng)過(guò)電阻Rb后能將A點(diǎn)的電勢(shì)迅速置零,以便于電容C18對(duì)新輻射脈沖的快速響應(yīng)；同時(shí)電阻Rb與電容C18構(gòu)成高通濾波器，可有效地抑制低頻噪聲。雙運(yùn)算放大器AD8066的A路為反相放大器，其具有較高的共模抑制比，能有效保證信噪比，同時(shí)可將負(fù)脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)檎}沖。其放大倍數(shù)由R4和R5決定，這里放大倍數(shù)為100。AD8066的B路為同相放大器，其增益由電阻R3、R2和滑動(dòng)變阻器W2決定，其中R2=0.2 kΩ，R3=1 kΩ，W2=2 kΩ，即放大6～16倍。在反相放大器的輸出與同相放大器輸入之間增加了由電容Cub和電阻Rb1組成的一階高通濾波器，可有效抑制AD8066的固有噪聲。由同相放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路后由電壓比較器MAX992對(duì)β粒子脈沖進(jìn)行閾值甄別，并將甄別出的β粒子脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)中斷中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件部分主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制氣體采樣的速度、濾紙傳輸方向和距離、β粒子脈沖的計(jì)數(shù)，以及數(shù)據(jù)的傳輸和顯示[4]。圖5為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

    系統(tǒng)上位機(jī)部分的軟件采用VC++編寫(xiě)，上位機(jī)部分主要完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。將一些系統(tǒng)參數(shù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)系統(tǒng)，并將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面，并計(jì)算、顯示輸出結(jié)果。PM濃度測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采用傳統(tǒng)的稱(chēng)重法與本測(cè)量?jī)x器分別對(duì)PM2.5/PM10進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1和表2所示。

    表1和表2分別為太原市中北大學(xué)室內(nèi)某天每隔1小時(shí)使用稱(chēng)重法和監(jiān)測(cè)儀器測(cè)出的PM2.5和PM10的濃度值，以及兩者的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。由表中可以看出,測(cè)量PM2.5誤差相對(duì)較大，最大誤差接近20%;測(cè)量PM10的誤差相對(duì)較小，基本都在5%以?xún)?nèi)。
    本文在比較各種測(cè)量粉塵濃度方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于β射線吸收法的PM2.5/PM10濃度測(cè)量系統(tǒng)。本系統(tǒng)集氣體采樣、濾紙傳送、射線強(qiáng)度檢測(cè)和結(jié)果顯示等功能于一體[5]，能連續(xù)測(cè)量空氣中的PM值，并可自定義采樣時(shí)間和采樣速率。且PM10濃度的測(cè)量完全能達(dá)到測(cè)量精度要求，PM2.5濃度測(cè)量誤差相對(duì)較大，但亦可滿(mǎn)足一般的測(cè)量要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 尹洧.大氣顆粒物及其組成研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代儀器,2012(2):1-5.
[2] 劉軍,馮艷君.基于β射線吸收法的可吸入顆粒物檢測(cè)儀[J]．儀表技術(shù)與傳感器,2011(9):39-40,58.
[3] 賀永方.β射線粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津:天津大學(xué),2008.
[4] 練德幸,趙修良,劉麗艷,等.基于PLC的β射線吸收法粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(4):35-40.
[5] 李佳穎.大氣顆粒物質(zhì)量濃度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].上海：上海理工大學(xué)，2007.