CN101329249A - 气体中微小颗粒物的分析方法及仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体中微小颗粒物的分析方法及仪器。解决10微米以下微小粒子分级计数分析的精确度不高问题。本发明气体中微小颗粒物分析仪器包括宽带光源、干涉仪、气体扫描、空间滤波系统(小孔光阑或光纤)、光电检测、差频滤波放大电路和分析计算系统。本发明采用低相干光干涉仪原理对气体中粒子进行数据采集，通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络(包络数量代表粒子的个数)特性，精确计算出每个粒子的特征，可有效监测分析粒径小于10μm的微小粒子。本发明方法和仪器适用于PM10、PM5、PM2.5和PM1等微小粒子的分析和监测。

Description

气体中微小颗粒物的分析方法及仪器

一、技术领域

本发明涉及光学仪器，尤其涉及一种气体中微小颗粒物的分析方法及仪器。

二、背景技术

城市空气细颗粒物可通过呼吸道进入肺部并沉积在肺泡上，有的可直接进入血液；同时这些细颗粒物携带大量的细菌、病毒及有毒有害物质，导致呼吸系统疾病及心血管疾病患者病情加重，从而对人体健康造成很大的危害。

PM2.5(粒径为2.5μm)大气颗粒物对人体健康及环境的影响微小粒子的贡献比粗大粒子更大。从健康角度考虑，世界各国都制定了PM10的环境质量标准。自从1997年美国颁布PM2.5的新标准以来，许多国家都在研究制定PM2.5环境质量标准的问题，但由于PM2.5标准检测方法和检测仪器的不统一，我国目前还未开始制定该标准。

现有的PM10和PM2.5检测，按测量原理分类有：β射线吸收式、振荡天平式、光吸收式和光散射式。β射线吸收式由捕集在滤纸上的PM10对β射线吸收值的增加，显示出质量浓度。振荡天平式由于PM10的增加导致石英振子的振动频率降低，从而显示出质量浓度值。光吸收式由捕集到滤纸上的PM10对光吸收量的增加，显示出相对浓度。光散射式PM10对光散射量的增加，给出相对浓度。

对于可吸入颗粒物PM10的监测，β射线吸收式和振荡天平式是公认的标准方法。但对于PM2.5及更小的粒子的监测，上述两个方法的配套附件(对应的粒子切割头)还不完善，影响了测量精度，因此还未被多数专家认可。因此很多科学家开展了光散射式方法的改进研究，取得了一些进展，但目前光散射式激光粉尘仪产品还存在信噪比不高，准确度受测量环境影响较大的问题。

三、发明内容

本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种可有效监测分析气体中粒径小于10μm的微小粒子的分析方法及仪器，可用于PM10、PM5、PM2.5和PM1等微小粒子的同时高精度分析，并且准确度基本不受测量环境的影响。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

鉴于低相干光干涉仪在光纤缺陷检测和医学断层成像方面的成功应用，本发明采用低相干光干涉仪原理对气体中粒子进行数据采集，通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络(包络数量代表粒子的个数)特性，精确计算出该粒子的粒径大小。

本发明气体中微小颗粒物分析仪的检测光路甚至可以在开放环境中工作，而不像激光散射式粉尘仪那样，检测光路必须在暗室中工作。这是由于相干条件的约束和针孔成像的条件的约束，只有在相干散射体积内的粒子散射才会被检测放大接收到，成为一个粒子的有效计数，并且相干信号很强，提高了检测的信噪比。其他的散射光不是被针孔空间滤波器屏蔽掉，就是被探测滤波放大电路滤掉。采用时域光学相干层析成像的差频放大电路来提取相干信号，滤掉了外来杂散光的干扰，进一步提高了仪器的信噪比。

本发明的气体中微小颗粒物分析仪包括宽带光源、干涉仪(可以是开放式干涉仪，也可以是光纤式干涉仪)、气体扫描、空间滤波系统(小孔光阑或光纤)、光电检测、差频滤波放大电路和分析计算系统。

当宽带光源发出的一定带宽的光经准直光学系统准直成平行光，射到分光棱镜后，被分成两束平行光，一束为参考光，经参考光反射镜被返射，经分光棱镜和接收透镜到达光电探测器。另一束为样品光，经透镜、小孔光阑8和聚焦物镜聚焦到相干散射体积，当气流中的微小粒子到达相干散射体积时，该粒子的散射光才能通过小孔光阑，经透镜、分光棱镜和接收透镜到达光电探测器上，与参考臂返回的光相干涉(此时参考臂光程与样品臂光程差在光源的相干长度内)。光电探测器把所有接收到的光信号转变成电信号，电信号经放大、滤波(滤掉低频和直流等干扰信号)后，只有干涉信号被提取出来，进行粒子计数，通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络，精确计算出该粒子的粒径大小。

四、附图说明

图1为本发明原理图和实施案例图。

图2为本发明另一实施案例图。

图中标号说明：1宽带光源、2准直光学系统、3分光棱镜、4参考光反射镜、5接收透镜、6光电探测器、7透镜、8小孔光阑、9聚焦物镜、10相干散射体积、11气流中的微小粒子。

五、具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本发明的气体中微小颗粒物分析仪包括宽带光源1、准直光学系统2、分光棱镜3、参考光反射镜4、接收透镜5、光电探测器6、透镜7、小孔光阑8、聚焦物镜9、相干散射体积10、气流中的微小粒子11。

实施例1的特点是携带粒子的气流在通过相干散射体积时，气流方向与光轴方向相垂直。宽带光源1发出的一定带宽的光经准直光学系统2准直成平行光，射到分光棱镜3后，被分成两束平行光，一束为参考光，经参考光反射镜4被返射，经分光棱镜3和接收透镜5到达光电探测器6。另一束为样品光，经透镜7、小孔光阑8和聚焦物镜9聚焦到相干散射体积10，当气流中的微小粒子11到达相干散射体积10时，该粒子的散射光才能通过小孔光阑8，经透镜7、分光棱镜3和接收透镜5到达光电探测器6上，与参考臂返回的光相干涉(此时参考臂光程与样品臂光程差在光源的相干长度内)。光电探测器6把所有接收到的光信号转变成电信号，电信号经放大、滤波(滤掉低频和直流等干扰信号)后，只有干涉信号被提取出来，进行粒子计数，通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络，精确计算出该粒子的粒径大小。

实施例2：

如图2所示，本发明的颗粒物分析仪器包括宽带光源1、准直光学系统2、分光棱镜3、参考光反射镜4、接收透镜5、光电探测器6、透镜7、小孔光阑8、聚焦物镜9、相干散射体积10、气流中的微小粒子11、导流腔12、抽气泵13。

实施例2的特点是通过动力源使气体流动，携带粒子的气流在通过相干散射体积时，气流方向与光轴方向相平行；宽带光源1发出的一定带宽的光经准直光学系统2准直成平行光，射到分光棱镜3后，被分成两束平行光，一束为参考光，经参考光反射镜4被返射，经分光棱镜3和接收透镜5到达光电探测器6。另一束为样品光，经透镜7、小孔光阑8和聚焦物镜9聚焦到相干散射体积10，当气流中的微小粒子11到达相干散射体积10时，该粒子的散射光才能通过小孔光阑8，经透镜7、分光棱镜3和接收透镜5到达光电探测器6上，与参考臂返回的光相干涉(此时参考臂光程与样品臂光程差在光源的相干长度内)。光电探测器6把所有接收到的光信号转变成电信号，电信号经放大、滤波(滤掉低频和直流等干扰信号)后，只有干涉信号被提取出来，进行粒子计数，通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络，精确计算出该粒子的粒径大小。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1、一种气体中微小颗粒物的分析方法，其特征是该方法按以下步骤实现：

——采用低相干光干涉仪原理对气体中粒子进行数据采集；

——通过气体流动实现气体扫描，由于粒子的流速，实现差频滤波放大，提高检测的信噪比；

——通过分析记录的每个粒子的干涉条纹包络(包络数量代表粒子的个数)特性，精确计算出每个粒子的特征参数(粒径、速度)。

2、一种如权利要求1所述的气体中微小颗粒物分析方法的气体中微小颗粒物分析仪器，包括宽带光源、干涉仪、气体扫描、空间滤波系统(小孔光阑或光纤)、光电检测、差频滤波放大电路和分析计算系统；其特征是采用低相干光干涉仪对气体中粒子进行扫描，通过分析采集的每个粒子的干涉条纹包络(包络数量代表粒子的个数)特性，精确计算出每个粒子的特征参数。

3、根据权利要求1所述的气体中微小颗粒物的分析方法，其特征是所述的低相干光干涉仪可以是开放式干涉仪，也可以是光纤式干涉仪。

4、根据权利要求1所述的气体中微小颗粒物的分析方法，其特征是所述的低相干光是相干长度小于5mm的光源。

5、根据权利要求1所述的气体中微小颗粒物的分析方法，其特征是所述的通过气体流动可以是通过动力源使气体流动也可以是对已经流动的气体直接进行检测。

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