CN103411927A

CN103411927A - 一种散射式云滴粒子探测器的标定装置和方法

Info

Publication number: CN103411927A
Application number: CN2013102996614A
Authority: CN
Inventors: 卜令兵; 袁静; 黄兴友
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103411927B

Abstract

本发明提供一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，属于气象分析技术领域，包括三维平移台、放置标准粒子的玻璃瓶、恒定气流泵和光纤芯；三维平移台的台面与玻璃瓶固定连接，玻璃瓶的瓶口连接玻璃瓶盖，玻璃瓶盖上设置进气管和出气管，进气管的一端伸入玻璃瓶的底部，其另一端通过管道与恒定气流泵连接，出气管的一端伸入玻璃瓶的上部，其另一端固定光纤芯。同时，本发明还提供一种散射式云滴粒子探测器的标定方法，包括中心位置确定步骤、计算灵敏区域面积步骤及绘制幅度频次分布图步骤和云滴粒子探测器的特征响应曲线步骤。本发明避免了标定过程中速度不同、灵敏区域内重合等问题，保证粒子从灵敏区通过，提高粒子的使用效率。

Description

一种散射式云滴粒子探测器的标定装置和方法

技术领域

本发明涉及一种云滴粒子探测器的标定装置，尤其是涉及一种利用光纤芯测量灵敏区域的散射式云滴粒子探测器的标定方法及装置，属于气象分析技术领域。

背景技术

云滴粒子探测器可以用于云滴粒子的粒径谱、含水量的测量，其测量数据对人工影响天气具有重要的指导作用，有利于提高人工活动影响的效率。测量中将探测器固定于飞机机翼下方，飞机在云中飞行时，云滴粒子相对仪器沿垂直与光路的方向飞行，当云滴粒子探测器进入光路时，按照米散射原理，激光被云粒子向4π方向散射，接收系统接收接收4-14°立体角内的散射光，经透镜转变为平行光，分束镜将接收到的散射光分为两部分，使用两个光电探测进行探测，探测器前面有小孔的通道为质量控制通道，用于确定粒子出现位置是否在灵敏区域范围内，另一探测器为测量通道，其幅度决定待测粒子的大小。对一台散射式云滴粒子探测器而言，不仅要求准确测量单个粒子的尺寸，还要求其灵敏区域准确可靠，为确保测量准确，云滴粒子探测器需要定期的进行定标。

目前对云滴粒子探测器的标定有多种方法：基于小孔的系统标定方法，基于水滴的标定方法和基于标准粒子的标定方法。基于小孔的系统标定方法，通过系统对固定大小小孔的响应判断仪器的工作状态，但无法完成系统的原始标定。基于水滴的标定方法所使用的仪器复杂昂贵，且水滴变形会影响标定效果。综合考虑现场标定可行性及标定的准确性，基于标准粒子的标定方法仍然是最为常用的标定方法。在该方法中，一般使用罐装氮气瓶将标准粒子从容器中吹出，监视云滴粒子探测器的输出，并将输出结果与厂方给出的输出结果进行对比，综合评判云滴粒子探测器的工作状态，必要时对云滴粒子探测器进行调整，直至达到理想工作状态。该方法也可以通过喷洒不同粒径的标准粒子结合米散射理论完成仪器的原始标定。但这种方法存在一定的缺陷，主要表现为：1、吹出的粒子速度不稳定，粒子平均速度受罐装氮气瓶的影响，氮气压力越大速度越大，反之越小，就一次操作而言各个时刻粒子的速度也不相同，导致电信号宽度各不相同，影响数据的处理；2、粒子重合效应，氮气瓶开关刚打开时，一般气体压力较大，短时间内将标准粒子全部吹出，粒子吹出的密度较大，导致多个标准粒子同时出现在光路中，即接收系统同时接收到了多个粒子的散射，则会得到较大的粒子直径；3、标定过程中，粒子应从探测器的灵敏区域通过，目前标定中没有对应的位置的调整结构，而灵敏区域的范围很小，约为2mm，因此，很难保证粒子从灵敏区域通过，也降低了标准粒子的使用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，避免了标定过程中速度不同、灵敏区域内重合等问题，保证粒子从灵敏区通过，提高粒子的使用效率。

同时，本发明还提供了解决上述问题的一种散射式云滴粒子探测器的标定方法。

为了解决以上技术问题，本发明涉及一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，包括三维平移台、放置标准粒子的玻璃瓶、恒定气流泵和光纤芯；所述三维平移台的台面通过连接件与所述玻璃瓶固定连接，所述玻璃瓶的瓶口旋拧连接玻璃瓶盖，所述玻璃瓶盖上设置进气管和出气管，所述进气管的一端伸入所述玻璃瓶的底部，其另一端通过管道与所述恒定气流泵连接，所述出气管的一端伸入所述玻璃瓶的上部，其另一端固定所述光纤芯。

本发明技术方案的进一步限定为：所述三维平移台包括X、Y、Z三个方向上的调整螺杆，所述调整螺杆的调整精度为20微米。

进一步地：所述玻璃瓶为容积为2毫升的医用玻璃瓶。

进一步地：所述进气管伸入玻璃瓶的一端距离玻璃瓶底部2毫米。

进一步地：所述出气管伸入玻璃瓶的一端距离玻璃瓶盖底部2毫米。

进一步地：所述光纤芯长度为2毫米，芯茎为100微米。

本发明提供的另一技术方案为：一种散射式云滴粒子探测器的标定方法，按如下步骤进行：

S1、调整三维平移台，将固定于玻璃瓶的出气管一端的光纤芯移入云滴粒子探测器的光路中，且光纤芯处于云滴粒子探测器的两臂中间位置；

S2、启动云滴粒子探测器后，调整三维平移台使光纤芯在云滴粒子探测器光路中的位置改变，当云滴粒子探测器的质量控制通道和测量控制通道的电压比符合分束镜的分光比时，光纤芯所在的位置即为云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置；

S3、调整三维平移台使光纤芯垂直于云滴粒子探测器光路的方向移动，并记录光纤芯在不同位置的质量控制通道电压与测量通道电压，直至光纤芯移出云滴粒子探测器的光路；

S4、调整三维平移台使光纤芯平行云滴粒子探测器光路的方向移动20微米后继续执行步骤，直至光纤芯离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米，根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积；

S5、调整三维平移台使光纤芯移出云滴粒子探测器光路，并且出气管位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方后，启动恒定气流泵，将玻璃瓶内的标准粒子匀速喷出，云滴粒子探测器记录进入光路中的每一个标准粒子引起的质量控制通道与探测通道的电压比，利用质量控制通道与探测通道的电压比排除出现在灵敏区域外的标准粒子，并根据在灵敏区域内标准粒子的测量通道的幅度绘制幅度频次分布图，同时利用高斯方法得到幅度频次分布图的中心位置和宽度，幅度频次分布图的中心位置即为该标准粒子的特征幅度即标定结果；

S6、当玻璃瓶内标准粒子被全部喷出后，清洗玻璃瓶再换用另一种粒径的标准粒子，重复步骤S5，得到另一种粒径的标准粒子的标定结果；

S7、将所有尺寸的标定结果进行分析，绘制云粒子探测器的特征响应曲线，根据米散射理论，将不同粒径的标准粒子转化为不同尺寸的冰晶粒子，得到云粒子探测器对冰晶的响应曲线，完成粒子探测器的标定工作。

进一步地：步骤S5中，使光纤芯移出光路，并且出气管位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方的方法为：首先将光纤芯移动到云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置，然后调整三维平移台使光纤芯沿云滴粒子探测器光路平移，平移的距离为出气管直径的一半；最后，调整三维平移台使光纤芯垂直云滴粒子探测器光路移动，移动的距离与出气管直径相等。

进一步地，步骤S4中，根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积的方法为：计算质量控制通道电压与测量通道电压的电压的最大比值R_max，并设定最小比值为R₀，当电压比值大于R₀小于R_max时，所述光纤芯移动的长度为灵敏区域的宽度W；而光纤芯离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米即为灵敏区域的长度；根据上述灵敏区域的宽度和长度即可得到灵敏区域的面积。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种散射式云滴粒子探测器的标定装置及其方法，利用光纤散射模拟粒子及三维平移台精密调节可测量出灵敏区域的形状与面积，本发明使用恒定气流泵将标准粒子均匀吹出，避免了多个粒子同时出现在光路中的情况，减小了粒子重合引起的误差，同时，恒定气流泵吹出不同粒径的标准粒子通过光路的速度相同，使得标定结果更为准确；恒定气流泵的气流在进入标准粒子的玻璃瓶前经过过滤与干燥，有效地前少空气中颗粒物带来的干扰，使粒径小的标准粒子的标定结果更为准确；同时，本发明使用的三维平移台将出气管精确的定位于灵敏区域的上方，保证标定结果的正确性，并能够提高粒子使用效率。本发明装置结构简单，组装容易，同时方法步骤控制精确，容易实现。

附图说明

图1为本发明的散射式云滴粒子探测器的标定装置结构示意图；

图2为实施例1的20微米标准粒子的标定结果图；

图3为实施例1绘制的云粒子探测器的特征响应曲线图。

具体实施方式

实施例1

本发明的一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，如图1所示，包括三维平移台1、放置标准粒子的玻璃瓶3、恒定气流泵6和光纤芯8。

三维平移台1包括X、Y、Z三个方向上的调整螺杆，所述调整螺杆的调整精度为20微米。三维平移台1的台面通过连接件2与玻璃瓶3固定连接，通过调整三维平移台1各个方向的调整螺杆，使固定在玻璃瓶3下方的光纤位于云滴粒子探测器的中心位置，通过平移台连续的位置调整，可以准确测得灵敏区域范围。本实施例中，连接件2通过螺钉顶紧的方式与玻璃瓶3连接，方便玻璃瓶的拆装。

玻璃瓶3为容积为2毫升的医用玻璃瓶，并且内壁光洁，用于放置标准粒子。玻璃瓶3的瓶口旋拧连接玻璃瓶盖4。玻璃瓶盖4为塑料旋紧盖，其上设置进气管5和出气管7，进气管5的一端伸入玻璃瓶3的底部，其另一端通过管道与恒定气流泵6连接，恒定气流泵6提供流速恒定的气流，该气流经过过滤和干燥。出气管7的一端伸入玻璃瓶3的上部，其另一端固定光纤芯8。本实施例中，进气管5伸入玻璃瓶3的一端距离玻璃瓶3底部2毫米，使恒定气流泵6的气体到达玻璃瓶3的底部，可以最大范围的将标准粒子吹动；出气管7伸入玻璃瓶3的一端距离玻璃瓶盖4底部2毫米，标准粒子吹出完全，不遗漏。而固定在出气管7一端的光纤芯8为玻璃光纤芯，其长度为2毫米，其芯茎为100微米，能够散射激光，模拟云滴粒子，用于精密测量灵敏区域面积和出气管7位置的固定。玻璃瓶3内可以放置不同粒径的标准粒子，恒定气流泵6工作时，将玻璃瓶3内的标准粒子通过出气管吹出，而吹气管口通过光纤芯8和三维平移台1的调整，正好位于灵敏区域的中心位置，可以更为准确的对系统进行标定。

上述散射式云滴粒子探测器的标定装置的使用方法，按如下步骤进行：

S1、调整三维平移台1，将固定于玻璃瓶3的出气管7一端的光纤芯8移入云滴粒子探测器的光路中，且光纤芯8处于云滴粒子探测器的两臂中间位置。

S2、启动云滴粒子探测器后，调整三维平移台1使光纤芯8在云滴粒子探测器光路中的位置改变，当云滴粒子探测器的质量控制通道和测量控制通道的电压比符合分束镜的分光比时，光纤芯8所在的位置即为云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置。

S3、调整三维平移台1使光纤芯8垂直于云滴粒子探测器光路的方向移动，并记录光纤芯8在不同位置的质量控制通道电压与测量通道电压，直至光纤芯8移出云滴粒子探测器的光路。

S4、调整三维平移台1使光纤芯8平行云滴粒子探测器光路的方向移动20微米后继续执行步骤3，直至光纤芯8离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米，根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积。

根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积的方法为：计算质量控制通道电压与测量通道电压的电压的最大比值R_max，并设定最小比值为R₀，当电压比值大于R₀小于R_max时，所述光纤芯移动的长度为灵敏区域的宽度W；而光纤芯离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米即为灵敏区域的长度；根据上述灵敏区域的宽度和长度即可得到灵敏区域的面积。

S5、调整三维平移台1使光纤芯8移出云滴粒子探测器光路，并且出气管7位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方后，启动恒定气流泵6，将玻璃瓶3内的标准粒子匀速喷出，云滴粒子探测器记录进入光路中的每一个标准粒子引起的质量控制通道与探测通道的电压比，利用质量控制通道与探测通道的电压比排除出现在灵敏区域外的标准粒子，并根据在灵敏区域内标准粒子的测量通道的幅度绘制幅度频次分布图，同时利用高斯方法得到幅度频次分布图的中心位置和宽度，幅度频次分布图的中心位置即为该标准粒子的特征幅度即标定结果，本实施例提供了20微米标准粒子的标定结果如图2所示。

使光纤芯8移出光路，并且出气管7位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方的方法为：首先将光纤芯8移动到云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置，然后调整三维平移台1使光纤芯8沿云滴粒子探测器光路平移，平移的距离为出气管7直径的一半；最后，调整三维平移台1使光纤芯8垂直云滴粒子探测器光路移动，移动的距离与出气管7直径相等。本实施例中，出气管7的直径为3mm，因此光纤芯8平移的距离为1.5mm，垂直移动的距离为3mm。

S6、当玻璃瓶3内标准粒子被全部喷出后，清洗玻璃瓶再换用另一种粒径的标准粒子，重复步骤S5，得到另一种粒径的标准粒子的标定结果。

S7、将所有尺寸的标定结果进行分析，绘制云粒子探测器的特征响应曲线，根据米散射理论，将不同粒径的标准粒子转化为不同尺寸的冰晶粒子，得到云粒子探测器对冰晶的响应曲线，完成粒子探测器的标定工作。本实施例绘制的云粒子探测器的特征响应曲线如图3所示。

本发明利用装置中的100微米的玻璃光纤借助精密位移平台，可以精确测量云滴粒子探测器的灵敏面积，并借助玻璃光纤将玻璃球粒子出口管精确的定位于灵敏面积中心位置，利用恒定气流将标准粒子吹出，使标准粒子通过激光的时速度相同，可以避免玻璃球粒子在光路中重合所产生的误差，实现散射式云滴粒子探测器的快速、准确的标定。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：包括三维平移台（1）、放置标准粒子的玻璃瓶（3）、恒定气流泵（6）和光纤芯（8）；所述三维平移台（1）的台面通过连接件（2）与所述玻璃瓶（3）固定连接，所述玻璃瓶（3）的瓶口旋拧连接玻璃瓶盖（4），所述玻璃瓶盖（4）上设置进气管（5）和出气管（7），所述进气管（5）的一端伸入所述玻璃瓶（3）的底部，其另一端通过管道与所述恒定气流泵（6）连接，所述出气管（7）的一端伸入所述玻璃瓶（3）的上部，其另一端固定所述光纤芯（8）。

2.根据权利要求1所述一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：所述三维平移台（1）包括X、Y、Z三个方向上的调整螺杆，所述调整螺杆的调整精度为20微米。

3.根据权利要求1所述一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：所述玻璃瓶（3）为容积为2毫升的医用玻璃瓶。

4.根据权利要求1所述一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：所述进气管（5）伸入玻璃瓶（3）的一端距离玻璃瓶（3）底部2毫米。

5.根据权利要求1所述一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：所述出气管（7）伸入玻璃瓶（3）的一端距离玻璃瓶盖（4）底部2毫米。

6.根据权利要求1所述一种散射式云滴粒子探测器的标定装置，其特征在于：所述光纤芯（8）长度为2毫米，芯茎为100微米。

7.一种散射式云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于：按如下步骤进行：

S1、调整三维平移台（1），将固定于玻璃瓶（3）的出气管（7）一端的光纤芯（8）移入云滴粒子探测器的光路中，且光纤芯（8）处于云滴粒子探测器的两臂中间位置；

S2、启动云滴粒子探测器后，调整三维平移台（1）使光纤芯（8）在云滴粒子探测器光路中的位置改变，当云滴粒子探测器的质量控制通道和测量控制通道的电压比符合分束镜的分光比时，光纤芯（8）所在的位置即为云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置；

S3、调整三维平移台（1）使光纤芯（8）垂直于云滴粒子探测器光路的方向移动，并记录光纤芯（8）在不同位置的质量控制通道电压与测量通道电压，直至光纤芯（8）移出云滴粒子探测器的光路；

S4、调整三维平移台（1）使光纤芯（8）平行云滴粒子探测器光路的方向移动20微米后继续执行步骤（3），直至光纤芯（8）离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米，根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积；

S5、调整三维平移台（1）使光纤芯（8）移出云滴粒子探测器光路，并且出气管（7）位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方后，启动恒定气流泵（6），将玻璃瓶（3）内的标准粒子匀速喷出，云滴粒子探测器记录进入光路中的每一个标准粒子引起的质量控制通道与探测通道的电压比，利用质量控制通道与探测通道的电压比排除出现在灵敏区域外的标准粒子，并根据在灵敏区域内标准粒子的测量通道的幅度绘制幅度频次分布图，同时利用高斯方法得到幅度频次分布图的中心位置和宽度，幅度频次分布图的中心位置即为该标准粒子的特征幅度即标定结果；

S6、当玻璃瓶（3）内标准粒子被全部喷出后，清洗玻璃瓶再换用另一种粒径的标准粒子，重复步骤S5，得到另一种粒径的标准粒子的标定结果；

8.根据权利要求7所述的一种散射式云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于：步骤S5中，使光纤芯（8）移出光路，并且出气管（7）位于云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置的上方的方法为：首先将光纤芯（8）移动到云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置，然后调整三维平移台（1）使光纤芯（8）沿云滴粒子探测器光路平移，平移的距离为出气管（7）直径的一半；最后，调整三维平移台（1）使光纤芯（8）垂直云滴粒子探测器光路移动，移动的距离与出气管（7）直径相等。

9.根据权利要求7所述的一种散射式云滴粒子探测器的标定方法，其特征在于：步骤S4中，根据记录的质量控制通道电压与测量通道电压确定灵敏区域并得到灵敏区域的面积的方法为：计算质量控制通道电压与测量通道电压的电压的最大比值R_max，并设定最小比值为R₀，当电压比值大于R₀小于R_max时，所述光纤芯移动的长度为灵敏区域的宽度W；而光纤芯离开云滴粒子探测器灵敏面积的中心位置2毫米即为灵敏区域的长度；根据上述灵敏区域的宽度和长度即可得到灵敏区域的面积。