【摘要】：PM2.5顆粒受到社會的廣泛關注是由于它對人體健康的嚴重危害,而PM2.5的科學有效治理離不開及時精確的高分辨率監(jiān)測。PM2.5質量濃度的快速準確檢測是一個具有現實意義而又面臨重大挑戰(zhàn)的課題。光散射方法測量顆粒物這一技術從誕生以來就受到了產業(yè)界和學界的廣泛關注,受顆粒粒徑、折射率、成分等多重因素的復合影響,利用光散射方法測量顆粒物質量濃度的精度一直無法保證,相關的研究一度陷入停滯。總的來說,光散射技術測量顆粒物質量濃度的研究存在三個方面的不足:在測量方案的設計方面,顆粒物信息的獲取不夠全面,單個角度的散射光無法有效辨識顆粒物各項參數的變化;在測量理論方面,沒有完整的理論分析來針對不同的精度需求提供簡潔適用的信號處理方案;在應對氣象參數影響方面,沒有通過顆粒散射光自身來校正測量結果的方案,導致儀器的復雜和低效。針對以上三個問題,本文設計并研制一款新型的多角度光散射顆粒物濃度檢測儀,在更全面地獲取顆粒信息的基礎上提出多種信號處理方案,同時通過顆粒散射光的變化來校正氣象參數對顆粒物濃度檢測結果的影響。全文的研究內容及創(chuàng)新總結如下:(1)深入剖析光散射方法的理論基礎,從Mie散射理論出發(fā),構建不同采光角和立體角時顆粒粒徑與散射光的關系,創(chuàng)造性地選取40°、55°、140°三個角度用于設計多角度光散射顆粒物質量濃度傳感器。這三個角度的光探測器分別用于收集顆粒物的折射率實部、折射率虛部以及顆粒形狀信息。利用計算機輔助設計技術、3D打印技術、微弱信號檢測技術制造了一臺新型的多角度光散射顆粒物質量濃度傳感器樣機,隨后在此基礎上搭建了 一套顆粒物質量濃度檢測系統。(2)研究了顆粒物折射率、粒徑與散射光通量之間的關系,提出三種基于多角度光散射顆粒傳感器的信號處理及數據融合方案�；谡嬗行е禉z測的方案減少了大顆粒對傳感器檢測精度的影響,具有結構簡單、性能優(yōu)良、價格低廉等特點;通過結合夫瑯禾費衍射和瑞利散射,提出一種簡化的顆粒物傳感器測量模型并對模型參數進行優(yōu)化,該測量模型能夠極大提高單角度光散射式顆粒物傳感器的檢測性能;根據三個角度采集顆粒信息的差異,提出一種基于多角度光散射顆粒物濃度傳感器的數據融合模型,通過融合不同角度光探測器的信息而得到優(yōu)于單個角度光探測器的顆粒物濃度值,具有數據融合模型簡潔、性能優(yōu)異等特點。三種信號處理方案滿足了檢測精度的不同需求。(3)不同于常規(guī)地使用氣象傳感器或者除濕設備來修正或者減小相對濕度等氣象參數對光散射式顆粒物濃度傳感器檢測結果的影響,提出一種利用兩個前向角度光通量的比值作為氣象因子來校正傳感器檢測結果的方法。在理論分析的基礎上,通過對比實驗驗證了該校正方法的可行性和有效性。該方法具有可靠性高、易于實現等特點,能夠有效應對外界氣象參數尤其是相對濕度對顆粒物傳感器測量結果的影響。(4)在分析國內外研究學者工作的基礎上,針對室內顆粒物成分變化劇烈,校正測量結果困難的狀況,提出一種利用兩個角度光通量比值來獲取顆粒物質量中值直徑,隨后根據質量中值直徑來對顆粒物進行初步分類并校正顆粒物濃度值的方法。通過掃描電鏡觀察并用多角度顆粒物濃度測量儀測量不同類型的室內顆粒物,驗證了該方案的可行性。該方案拓展了多角度光散射式顆粒物濃度傳感器的功能和使用范圍。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X831;O436.2
【圖文】：

圖１．１所示，根據逡逑２逡逑

（ｂ）逡逑圖邋１．１邋平均邋ＰＭ２．５邋質量濃度（ｎｇ／ｍ３）：邋（ａ）邋１９９８－２０００邋年；（ｂ）邋２０１０－２０１２邋年逡逑事實上，最近十多年間，中國的霧霾確有加重的趨勢。如圖１．１所示，根據逡逑２逡逑

逡逑在全國范圍內，ＰＭ２．５質量濃度的分布也大相徑庭。如圖１．３所示，根據逡逑ＮＡＳＡ的衛(wèi)星觀測數據［６】，２００８－２０１０年這段時間全國各省區(qū)市年均ＰＭ２．５質量逡逑濃度的差異非常大。污染最為嚴重的是中國的華北以及中部地區(qū)，北部與南部的逡逑污染相對較小，這與北方西伯利亞地區(qū)污染較少以及南方光照時間長，顆粒分解逡逑能力強等因素有關。同時，這張圖也就能夠很好的為下一階段中國ＰＭ２．５的治理逡逑提供很好的決策依據。中國東南大部分區(qū)域屬于季風區(qū)，為了盡快降低高污染地逡逑區(qū)的ＰＭ２．５濃度，可以考慮將一些重污染企業(yè)分散到空氣擴散條件較好的區(qū)域，逡逑這樣不僅能夠降低平均ＰＭ２．５濃度值，也能夠減少污染影響的時間。逡逑ＰＭ２５邋“ｉｇ／ｍ．

【參考文獻】

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本文編號：2797459