CN104764680A - 双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，包括单粒子聚焦气路、两个光强度检测单元、两个光场分布检测单元、散射腔体、微机控制单元和电源供电系统。本发明减少了粒子折射率和环境湿度等条件对光散射法检测粒子光学等效粒径的影响，能够提高粒径检测灵敏度和准确度；采用侧前向散射光场分布检测单元推算粒子折射率，增强粒子粒径检测准确性；可与其他气溶胶粒子检测技术结合，提高检测准确性。

Description

双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置

技术领域

本专利涉及单气溶胶粒子粒径实时检测，特别是一种实时性较强的基于光散射法的双波长单气溶胶粒子粒径测量装置，可实现对气溶胶粒子粒径浓度较高准确度地检测。本发明可应用于环境检测等领域。

背景技术

气溶胶是指由固体或液体粒子分散并悬浮在气体介质中形成的混合体系。粒子粒径大小为0.001～100μm，通常粒子的动力学直径在0.01至10μm之间，能在大气中驻留几个小时。习惯上，把悬浮在大气中的固体和液体粒子称为气溶胶。

粒度是用来描述气溶胶粒子的重要参数，因为它在很大程度上决定了悬浮在空气中的粒子行为特征。在大气气溶胶的理化特性研究领域，气溶胶物理性质主要包括粒子的大小、形态和粒子谱分布，包括粒子数量浓度粒径分布、体积浓度粒径分布和质量浓度粒径分布等。

在气溶胶科学和技术中，粒子粒径度量参数常用的术语是当量直径，是与之有相同物理性质的球形粒子的直径。例如，粗颗粒物(PM10)是指空气动力学直径10μm以下的颗粒物。

在相关环境检测和研究领域需要实时、原位的气溶胶粒子检测和分析技术^[1]。粒子弹性光散射检测法是气溶胶粒径实时检测常用技术手段之一。当粒子与入射光作用时，产生弹性散射光和非弹性散射光。弹性散射包括折射、反射、衍射，非弹性散射包括拉曼散射、荧光和粒子的吸收等。粒子散射光的总量是粒子形状、粒度、折射指数及仪器参数如光波波长、散射角度的复合函数，通常定义一个“光学当量直径”。如果被测粒子与仪器中测得的校准粒子的散射光的量相同，则校准粒子的直径就是被测粒子的光学当量直径。

在实际检测中，粒子光学当量直径与光学等效粒径最直观的联系是粒子散射光强度与粒子粒径的关系。目前对于光学散射的实时测量技术的研究比较成熟，国内也有很多相关的产品。然而，气溶胶粒子来源广泛、构成复杂，预测或抵消不同粒子形状与折射率等因素引起的散射光场差异较为困难。

1.粒子形状因素

粒径较小的粒子，符合Mie散射或瑞利散射理论。粒径较大的粒子，简单形状的粒子的散射光总量能较精确测量，如已知化学成分的球体、椭球体、杆形粒子。大多数形状不规则的粒子，由于粒径、形状、折射率等因素的综合影响，即使收集较大空间角散射光，其强度差异较大，光学当量直径与粒度之间很难建立起联系。因此，需要采用粒形测量方法获得形状类型、形状因子等可分析的信息和参数，结合其他相关参数建立多参数反演的模型综合分析，减少粒径测量的影响。基于光散射法的气溶胶粒子形状检测法是较有效实时测量手段之一。

2.粒子材料折射率等因素

粒子折射率代表物质的光学特性。不同种类、不同组成的粒子对同一波长的入射光通常具有不同的折射率；同一种粒子对不同波长的光也具有不同的折射率。大气中粒子的材料折射率跟地域、时间等因素关系都比较大。因此，这些问题易造成相同粒径、不同材料粒子散射光场分布与强度不同，测量仪器结果出现偏差，必须经常校准。

3.环境湿度条件与气溶胶粒子吸湿特性

大气气溶胶的吸湿性是气溶胶的重要特征之一。研究表明，气溶胶粒子在相对湿度大于35％左右时，便能吸附水汽而凝结增长，当相对湿度超过60％时，气溶胶吸附水汽的能力更为显著，成为影响气溶胶光学性质的主要因素之一。在高相对湿度条件下，气溶胶吸湿增长改变了粒子大小、形态、复折射率、粒子谱分布和光学参数，从而影响了气溶胶粒子在大气环境中的特性和行为。如含有吸湿性组分(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等无机成分和部分吸湿性有机物)的颗粒物吸湿增长使得粒子粒径增大，大气中的细颗粒物(粒径远小于1μm)会迅速吸湿增长到对可见光散射更为有效的粒径范围，使气溶胶散射能力大大增强。

因此，基于弹性光散射原理的光学粒子分粒径区间计数器所测量的光学等效粒径通常是近似值。尽管如此，光散射作为一种测量手段仍有其明显的优点，包括检测粒子时迅速、连续、灵敏度高，能实时显示粒子浓度和粒径分布信息，时间分辨率高，相关技术较为成熟，通常成本较低。如果能够在此基础上，结合相关或者其他技术手段减少气溶胶粒子折射率不同的影响，提高粒径检测准确度，具有较好的应用前景。

虽然在实验中用已知粒度和折射率的气溶胶粒子来校准光学仪器，开展实验，但理论响应函数可以给出全面的光学系统特征。

各种测量光散射的光学装置，其区别在于平均散射角θ、接收器数值孔径ΔΩ和入射条件。单色平面波入射光条件下，通过光学系统接收散射光强度可以用光学系统响应函数积分计算：

P_λ可以作为球形粒子直径d的光学系统光强接收函数。i为散射函数空间分布描述，由散射角θ、方位角粒子粒径d、入射光波长λ和粒子折射率m＝n-jk确定，粒子直径d和波长λ通过尺寸参数相联系。I₀为照射强度，即单位面积的光能量。

关于粒径分级的准确性，必须区别可避免的和不可避免的误差。可避免的误差是在接收散射光强随粒度增长的校准曲线上的非线性增长，可通过改变光电转换器件的相关可操作区间增益系数等因子来校正。但是，在校准曲线存在不明确部分，或称粒径模糊区，或校准标准气溶胶的折射率上不同于待测气溶胶，则会产生不可避免的误差。

依据各种光学检测系统条件，基于Mie散射原理可以计算接收散射光强度与不同折射率球形粒子粒径理论响应函数曲线。计算结果表明：

1)在单色光测量条件下，某些粒子粒径段与接收光强对应曲线存在波动，即粒径模糊区；

2)粒子折射率不同，相同粒径或相近粒径范围内粒子的接收光强幅值不同，波动不同，粒径模糊较多，易造成粒径测量误差。

为减少粒子折射率的影响，研究人员在光学粒子计数器中可采用白光光源和不同的光学接收系统方案等2种方法。

1)光源

光源是光学粒子计数器的关键部件，目前有多色频白炽光源与激光光源2种。由于半导体激光器等激光光源具有单色性好、稳定性高、寿命长、体积小等优点，采用激光光源的尘埃粒子计数器探测灵敏度、信噪比、计数效率、可靠性等技术指标得到了大幅度的提高。因此，现在的光学粒子计数器主要采用激光光源。

2)为减少折射率不同的粒子波动引起的粒径测量误差，研究人员对采用不同光学系统方案进行了研究。为得到平缓的光强与粒径标定曲线，需要选用较大散射光场接收方案。已经商业化的光学粒子计数器中的光学系统可以初步分为近前向(衍射波瓣)散射仪器、收集前方散射光的仪器(θ<90°)以及直角散射的仪器(θ＝90°)。谭锟、胡欢陵在“光学粒子计数器测量结果的订正”(光学学报，1986，4(1)：55-60)中介绍，近前向散射式仪器的响应曲线受粒子折射率影响较小，但是其响应曲线也不是单调变化，存在几个粒径无法确定的模糊区和多值部分，直径为0.95μm的PSL球体可被分类为0.77μm的粒子。90°散射式仪器的响应曲线单调改变，但受粒子折射率的影响较大，故测量也不准确。

在先技术(参见“双通道实时生物气溶胶监测方法与装置”，中国专利号CN101858847A，发明人黄惠杰，周光超，赵永凯，赵永凯,冯春霞,韩杰,黄立华,谢承科,孙征宇,张友宝)中基于生物粒子中不同荧光生色团的紫外光诱导本征荧光特性，采用两种波长紫外激发光分别检测应用传统粒子冲击器快速富集的多气溶胶粒子的荧光信息，实现对生物气溶胶粒子的低误报率判别和实时监测。但该种方法以多个富集到采样板上的气溶胶粒子的荧光信息为检测对象，采用旋转驱动机构驱动粒子采样板分别依次定位实现对粒子富集、两种不同紫外光诱导荧光的检测等步骤。该技术需要多气溶胶粒子富集时间、相对实时性较低，不适用于基于弹性散射光原理的单气溶胶粒子粒径的实时检测。

发明内容

本发明的目的在于克服上述光散射检测技术的不足，基于气溶胶粒子光散射检测原理和吸湿特性，提出一种基于双波长光学散射实时、准确检测单气溶胶粒子粒径的方法与装置，应用于大气环境检测领域。

本发明原理如下：

1)依据光散射原理中粒子粒径参数α＝2πr/λ，光学系统设计要求和水的吸收峰谷值范围，相对选择2种波长入射光光源λ₁和λ₂，分别检测单个气溶胶粒子的相同散射空间角度内的光场强度I_λ1和I_λ2，进行对比修正，基于理论和实际响应曲线，反演粒子的光学等效粒径，降低粒子折射率等因素的影响；

2)根据实际需要，分别检测2种波长条件下一定散射角度范围内的散射光场分布，估算粒子折射率数值范围，结合I_λ1和I_λ2检测结果，提高粒子粒径检测准确度；

3)依据气溶胶吸湿增长特性和环境湿度实际情况，结合检测得到的粒子粒径和折射率信息，较准确地反演粒子相关参数。

本发明基于光散射原理和气溶胶吸湿增长特性。

1)光散射原理

在严格电磁理论中，Mie散射理论是散射规律的常规理论，适用于所有均匀球形散射体。

在不同条件下，Mie散射理论可以过渡到其他散射近似。Van de Hulst引入判断因子P＝2πd|m-1|/λ来判断散射体理论适用范围：当P<0.3时，可以使用Rayleigh散射理论；当P≈1时，只能使用Mie散射理论；当P>30时，可以使用夫琅和费衍射理论。其中，水及许多物质的光学常数涉及复折射率指数。复折射率指数是描述电磁辐射与物质相互作用的参数，由实部和虚部构成，分别对应物质的折射率指数n(λ)和消光系数k(λ)。

散射光场是粒子形状、粒度、折射率及仪器参数如光波波长、散射角度的复合函数，通常定义“光学当量直径”。如果被测粒子与仪器中测得的校准粒子的散射光的量相同，则校准粒子的直径就是被测粒子的光学当量直径。在实际检测中，粒子光学当量直径与光学等效粒径最直观的联系是粒子散射光强度与粒子粒径的关系，两者相对应的标定曲线是推导粒子光学等效粒径的基本依据。式(1)中，采用单点光电检测器件可检测光学系统接收到的特定空间角内的散射光强P_λ，通过散射光强度和标定曲线得到粒子粒径。

对于不同粒径的粒子，光学系统设计有所不同。粒径较小的粒子可作为球形粒子处理。粒径较大的粒子中很多是非球形形状，在装置中增加单独粒形检测功能是一种较为有效的手段。对于检测粒径而言，需要考虑粒子表面积与表面散射的对应关系，设计选取尽量大而合理的散射光角度接收系统以获得粒子最大而适合的散射光信号，从而获得粒子光学等效粒径的表征信息，对粒子粒径进行准确推断。

另外，采用1维或2维阵列光电检测器件可检测光学系统接收到的特定空间角内的散射光场强度分布结合粒子形状、粒径等信息反演粒子折射率数值。但在实际中，这种方法受到检测速度、灵敏度、技术和成本可行性的限制。

2)单个气溶胶粒子的吸湿特性

研究表明，环境湿度对单个粒子的作用改变了粒子的粒径r和复折射率m。一般相对湿度条件下，气溶胶粒子的复折率是由干气溶胶粒子和凝结的液态水共同决定，常用等效均匀球形粒子的折射率指数表示。 G通过大量实验和理论验证，总结出了气溶胶复折射率与相对湿度Hr和粒径比之间的关系，如下式

m_e＝m_re+jm_ie,   (2-1)

m_re＝m_rw+(m_r0-m_rw)·(r_h/r₀)^-3,   (2-2)

$\frac{m_{\mathrm{ie}}}{m_{\mathrm{re}}^2+2}=\frac{m_{\mathrm{iw}}}{m_{\mathrm{rw}}^2}+(\frac{m_{\mathrm{io}}}{m_{\mathrm{ro}}^2+1}-\frac{m_{\mathrm{iw}}}{m_{\mathrm{rw}}^2}){\left(\frac{r_h}{r_o}\right)}^{-3},---(2-3)$

式中，下标为r，i，e，0和w分别为实部、虚部、吸湿后气溶胶、干气溶胶粒子和水。

对于单个粒子，相对湿度Hr对气溶胶粒子谱分布的影响可通过湿气溶胶粒子半径r_h与干气溶胶粒子半径r₀的经验关系式得到

r_h＝(1-H_r)^-(1/d)·r₀.   (3)

式中d为常系数，根据不同情况对d进行取值。对于大陆洁净大气粒子，气溶胶吸湿特性差，d＝5.8；对于海洋大气粒子，气溶胶吸湿特性强，d＝3.9；对于污染大气粒子，气溶胶吸湿性介于两者之间，d＝4.4。

孙景群等人依据多数实际结果，对(3)式进行了修正，

$\frac{r_h}{r_o}={(1-H_r)}^{-\left(\frac{1}{d}\right)}-{(1-60\%)}^{-(1/d)}+1.---\left(4\right)$

(4)式适用于60％≤Hr≤95％。

因此，吸湿后的气溶胶粒子尺度参数为α＝2πr_h/λ。对于吸湿性较强的气溶胶粒子，Hr为90％时，按照(2-2)式，粒子复折射率实部和虚部分别为

m_re＝m_rw+C_r×(m_r0-m_rw)。   (5-1)

$m_{\mathrm{ie}}=(\frac{m_{\mathrm{iw}}}{m_{\mathrm{rw}}^2}+(\frac{m_{\mathrm{io}}}{m_{\mathrm{ro}}^2+2}-\frac{m_{\mathrm{iw}}}{m_{\mathrm{rw}}^2}){\left(\frac{r_h}{r_o}\right)}^{-3})\&times;(m_{\mathrm{re}}^2+2)---(5-2)$

G.M.Hale和M.R.Querry测定的液态水在200-1400nm的波段范围内的光谱吸收系数。水对不同波长范围内复折射率实部为1.32-1.34，虚部在400-560nm为10^-9量级；在600-640nm为10^-8量级；在725-800nm为10^-7量级；在900-1000nm为10^-6量级。因此，式(4)可以近似为

m_re≈(1-C_r)m_rw+C_rm_r0   (6-1)

$m_{\mathrm{ie}}\&ap;C_r{m}_{i0}\frac{m_{\mathrm{re}}^2+2}{m_{r0}^2+2}.---(6-2)$

依据上述原理与特性研究，本发明中所述的2种入射光波长λ₁和λ₂可依据G.M.Hale和M.R.Querry测定的液态水在200-1400nm的波段范围内的光谱吸收系数中的多个极小值和极大值在可见光波段400-800nm范围内，包括400-560nm，600-640nm，725-800nm，900-1000nm等波长范围内选取。

由于激光器件制造技术的发展，满足检测仪器功率、能耗与集成度等应用要求的光源、光电转换器件，以及高信噪比的光学检测系统元器件已能达到单个微纳米级气溶胶粒子快速、实时检测技术指标要求。

所述的第1路光源波长λ₁可选用在350-500nm的较为平缓的波谷范围，环境湿度和粒子水量的影响相对最小。第2路λ₂可选择在720-800nm或950-1000nm之间较平缓的范围内。在这2种入射光条件下，相同粒径粒子的粒径参数α＝2πr/λ相对可达2倍以上；水的吸收系数和折射率差别达到1-3个数量级。

基于2种波长条件下气溶胶粒子散射光场分布结合粒子尺寸参数α，通过散射光场信息的对比和分析，能够推算并修正粒子折射率的影响。结合式(4)和(6)中粒子r_h，m_re，m_ie等参数，通过环境湿度检测信息，能够减少湿度对于反演粒子粒径带来的误差。

本发明的技术解决方案如下：

一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特点在于，包括单粒子聚焦气路、两个光强度检测单元、两个光场分布检测单元、散射腔体、微机控制单元和电源供电系统；

所述的单粒子聚焦气路由入口管道和出口管道组成，所述的入口管道包括入气喷嘴，分别与该入气喷嘴相连的样气进气口和鞘气进气口，该鞘气进气口与鞘流气泵相连，所述的出口管包括出气口和与该出气口相连的总气泵；

所述的两路光强度检测单元包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件、光强接收光路；两个光强接收光路采用反射接收设计方案，包括共用的反射镜和分别对应两路入射光的散射光接收组件；

所述的散射腔体呈六边形腔结构，其上表面和下表面分别开有相互相对应的孔，所述的进气喷嘴和出气口分别对应安装在所述的上、下表面的孔中，使单粒子聚焦气路的中心轴线与所述的散射腔体共线；所述的散射腔体的六个侧表面分别开有孔，每组所述的光强度检测单元的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件分别安装在相互对应的孔中，使单粒子聚焦气路的中心轴线与该光轴垂直相交；所述的光强度检测单元的光强接收光路的反射镜和光强接收组件分别安装在所述的散射腔体的相互对应的孔中，使该光路光轴与单粒子聚焦气路的中心线垂直相交，且光路光轴与两路照明光路光轴垂直，光轴位于两路照明光路光轴距离中间平面内；

所述的两路光场分布检测单元分别安装在与两路光强度检测单元的照明光路前进方向相对应的散射腔体的两个侧表面上，每路光场分布检测单元的光轴与对应照明光路光轴共面，且两路光轴均与单粒子聚焦气路的中心线垂直相交；

所述的鞘流气泵、总气泵、光强度检测单元、光场分布检测单元、电源供电系统分别与所述的微机控制处理单元相连；

所述的鞘流气泵、总气泵、光强度检测单元和光场分布检测单元分别与所述的电源供电系统相连。

所述的第2路光强度检测单元的照明光路光轴O₁O₁’与散射腔体的中心线QQ’的交点O_1C位于所述的第1路光场强度检测单元的照明光路光轴O₂O₂’与散射腔体的中心线QQ’的交点O_2C的正下方，且每路照明光路的光轴与散射腔体的中心线QQ’垂直。

所述的散射腔体上供所述的光强度检测单元的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件的两个安装侧表面互相平行，供光强度检测单元的光强接收光路的反射镜和光强接收组件的两个安装侧表面互相平行，该两组平行的平面互相垂直。

所述的照明光路是依次由光源、准直镜、光阑、整形镜和整形光阑组成。

所述的光强接收光路是依次由反射镜、接收光阑、滤光片和光强探测器组成。

所述的光场分布检测单元是依次由准直镜组、滤光片、聚焦镜组、光阑和一维光电探测器组成。

所述的第1路照明光路的光源波长λ₁的波谷范围在350-500nm，第2路照明光路的光源波长λ₂的波谷范围在720-800nm或950-1000nm之间。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

1.粒径检出限低，准确度高：减少了粒子折射率和环境湿度等条件对光散射法检测粒子光学等效粒径的影响，能够提高粒径检测灵敏度和准确度；

2.装置较易设计制作：2种波长照明光路共用1组反射镜接收系统，结构设计方案较易实现；

3.可测量粒子折射率信息：采用侧前向散射光场分布检测单元推算粒子折射率，增强粒子粒径检测准确性；

4.应用性较强：可与其他气溶胶粒子检测技术结合，提高检测准确性。

附图说明

图1是粒子产生散射光的原理示意图

图2是水的吸收系数谱图

图3是2种波长自然光入射光条件下，粒径范围0.1-10um、分辨率为0.1um的不同折射率球形粒子散射角范围10°-170°散射光场相对接收强度理论计算结果。

图4是2种波长自然光入射光条件下，对1-2μm粒径段内不同折射率粒子粒径反演过程图。(a)i_tot405nm相对光强线性分区和归一化后与球形粒子粒径对应曲线图；(b)i_tot980nm相对光强线性分区和归一化后与球形粒子粒径对应曲线图；(c)数值处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与不同折射率粒子粒径对应3维图。

图5是2种波长自然光入射光条件下，2-4μm粒径段内数值处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与不同折射率粒子粒径对应3维图。

图6是2种波长自然光入射光条件下，4-10μm粒径段内数值处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与不同折射率粒子粒径对应3维图。

图7是2种波长p偏振入射光条件下，各种折射率粒子的散射光场分布。

图8是本发明的检测流程图

图9是本发明检测装置的结构示意图

图10是本发明光学系统示意图。(a)主视图，(b)俯视图，(c)左视图。

图11是本发明光学系统光轴排布示意图

图12是本发明散射腔体的结构图。

具体实施方式

本发明具体实施方式分为散射光场理论计算与检测装置2部分内容。

I理论仿真

依据实际半导体器件指标参数，选取的2种光源波长分别为λ₁＝405nm和λ₂＝980nm。依据Mie散射理论和Van de Hulst判断因子P，选择不同折射率材料和粒径的气溶胶粒子。在实际中，粒子材料包括折射率随波长变化的物质，对于光散射测量，可以依据环境中的粒子种类信息进行具体计算。本发明中选择液态水和固定折射率分别为1.5，1.7，2和2.5假定物质进行计算与讨论分析。

表1 水对不同入射光波长的折射率

按照Van de Hulst判断因子P＝2πd|m-1|/λ，不同折射率与粒径的粒子散射理论的适用范围如表2所示。在计算中，选择粒径从0.1到10μm，粒径分辨率为0.1μm的球形粒子。

表2 不同波长条件下，Van de Hulst判断因子P对应的粒径d(μm)

理论计算结果分为接收散射光强与接收散射光场分布2种。其中，通过单个气溶胶粒子的相同散射空间角度内的光场强度I_λ1和I_λ2，基于接收散射光强与粒子粒径的理论和实际响应曲线，反演粒子的光学等效粒径，降低粒子折射率等因素的影响；通过检测2种波长条件下一定散射角度范围内的散射光场分布，估算粒子折射率数值范围，结合I_λ1和I_λ2检测结果，提高粒子粒径检测准确度。

1接收散射光强理论计算结果

基于Mie散射理论，在自然光入射条件下，粒子散射光强分布为

式中I₀为入射光光强，θ为散射角，R为距离粒子中心距离。本发明中采用网址http://www.philiplaven.com/的MiePlot4305程序计算Mie散射光场。

散射光强检测系统接收粒子散射光场散射角和方位角空间立体角范围内的信号，采用侧向、前向、后向等设计方案。

在计算散射光场分布时，有2种方法：

(1)依据实际散射光光强接收系统设计方案，基于式(1)光学系统响应函数计算光强；

(2)在散射光空间角中方位角与散射角没有关联的条件下，球形粒子在每个散射角上沿方位角光场强度相对z轴对称，可沿散射角空间计算光强分布或积分。如果接收系统在每个散射角位置接收到的方位角范围相同，则接收到的散射光相对光强为

$F=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}^2{I}_0}{{4\mathrm{\&pi;}}^2}\mathrm{\&Phi;}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&theta;}}_1}^{{\mathrm{\&theta;}}_2}\frac{[i_1\left(\mathrm{\&theta;}\right)+i_2\left(\mathrm{\&theta;}\right)]}{2}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}.$

式中，Φ为方位角范围。

为便于计算分析，本发明按照第2种方法计算不同粒径球形粒子散射光相对光强。

本发明中计算的粒子粒径区间为0.1-10um，粒径范围较大，在实际中材料折射率和粒子形状的影响因素作用不同。因此，对2种波长自然入射光条件下不同折射率材料和粒径的粒子分别进行讨论与分析。散射光场接收范围为散射角θ为10-170°角度范围，2种波长条件下的散射光强度分别为i_tot405nm和i_tot980nm。

1)总体情况

图3是粒径范围0.1-10um，分辨率为0.1um的不同折射率粒子的散射光强度计算结果。从计算结果可见，随粒径的增长，各种折射率粒子的散射光强的总体趋势单调增长，不同折射率粒子的光强误差范围相对较小。但实际中，由于粒子粒径检测准确度、灵敏度、分辨率、速度等要求，需要考虑以下误差影响：

(1)粒子形状等参数；

(2)动态光学检测误差等因素，包括粒子的定位误差；

(3)光学检测系统相关性能，包括照明聚焦光斑分布和均匀性、光电转换器件响应特性等。

上述因素会散射强度的单调增长降低，影响测量结果，国内外研究学者已进行了细致的研究和讨论。在此，依据计算结果有下列性质：

(1)对于一种折射率粒子，各散射角范围内光场强度在某段粒径区间内会存在非单调段和模糊段。非单调段是指随着粒径增加，散射光强度曲线存在拐点或者单调下降的粒径段。粒径模糊段包括3种类型：

a.随粒径增加光强曲线在某粒径段内内增长率和增长值较低，光强值对应粒子粒径可能区间相对较宽，粒径可分辨率较低；

b.随粒径增加，光强曲线在某粒径段内存在上下小范围波动。这种情况下，可以通过降低粒径分辨率的方法提高光强曲线单调特性；

c.随粒径增加，光强曲线在某粒径段内不规则上下波动，且变化范围较大。这种情况下，光强值对应相对很宽的粒径区间，或者对应多个可能的粒径区间，影响粒径测量准确性。

(2)尽管水珠粒子和折射率为1.2，1.5与1.7的粒子在0.1-1μm粒径区间的i_tot980nm具有较好的单调递增性，但i_tot405nm在较大粒径范围具有较好的曲线平滑度与相对较小的光强浮动范围，因此，一般以i_tot405nm作为粒径的首要检测值。

(3)在各种条件下的初步分析可分为小粒径段、中粒径段、较大粒径段进行。

按照入射光波长的光强曲线情况，在405nm入射光条件下，粒径可分为≤1μm的小粒径段和>3μm的较大粒径段，与其间的中粒径段；在980nm入射光条件下，粒径可分为≤2μm的小粒径段和>6μm的较大粒径段，与其间的中粒径段。

按照折射率取值的光强曲线情况，粒子分为较小折射率(<1.7)和较大折射率(≥1.7)粒子。

在小粒径和中粒径段，较小折射率粒子散射光强曲线平滑度，或单调增长性较好，i_tot405nm易出现非单调段和a类模糊段；i_tot980nm易出现非单调段和b类模糊段。

2)粒子粒径反演

在实际检测中，检测仪器需要通过光电转换器件接收散射光强信号，反演粒子粒径。由于粒子粒径区间和折射率范围较大，本发明中按照粒子各粒径段，通过上节中计算得到各种球形粒子的光强响应曲线分为0.1-2μm，2-4μm和4-10μm等3部分进行介绍。其中，首先以0.1-2μm粒径段介绍粒径本发明进行粒子粒径反演的信号处理过程。

(1)0.1-2μm粒径段

较小折射率粒子的i_tot405nm在0.6-1.4μm存在非单调段和a类模糊段，相同折射率粒子的i_tot980nm在对应0.6-1.4μm较小粒径段具有较好单调递增特性，采用2种波长对散射光强度能够提高粒子粒径检测分辨率和准确性；

较大折射率粒子在0.2-1μm粒径段i_tot405nm上存在非单调段，在1-2μm粒径段依据折射率不同存在不同类型模糊段。i_tot980nm在0.4-1μm粒径段具有不同的非单调段和模糊段。

从测得光强值确定粒子粒径，需要依据一定粒径段内光强与粒径的对应关系进行反演。在此，取不同入射光条件下在1-2μm粒径段内光强最小值到最大值区间按照能够达到的细分度进行较直接的线性分区和归一化。其中，i_tot405nm分布最小值取44，最大值取171，按步进增值量为4细分为32区间，如图4(a)所示；i_tot980nm分布最小值取3，最大值取61，按步进增值量为2细分为32区间，如图4(b)所示。在处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与粒径对应3维图图4(c)上，存在2个1.0和1.1μm的粒径重合点，粒径分辨率优于0.2μm。

(2)2-4μm粒径段

在2-4μm粒径段范围，较小折射率和较大折射率粒子光强曲线差异较大。依据a中的方法和计算结果，对两种入射光条件的散射光强线性分区和归一化取值如下：i_tot405nm分布最小值取145，最大值取585，按线性增值为8细分为55区间；i_tot980nm分布最小值取35，最大值取125，按线性增值为2细分为45区间。在处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与粒径对应3维图图5上，存在2-2.1μm、2和2.2μm、2.3-2.4μm和3.1-3.2μm等粒径重合点，粒径分辨率优于0.3μm。

(3)4-10μm粒径段

粒径为4-10μm时，折射率为1.2的粒子的光强曲线幅值与其他折射率粒子差异较大。按照散射光强线性分区和归一化取值如下：i_tot405nm分布最小值取464，最大值取2648，按线性增值为12细分为182区间；i_tot980nm分布最小值取105，最大值取591，按步进增值为3细分为162区间。在处理后的i_tot405nm和i_tot980nm与粒径对应3维图图6上，仅存在少量相近粒径区间内的重合点，粒径分辨率优于0.5μm。

由上述理论计算和分析结果可知，本发明采用2种波长入射光测量不同粒径的折射率较小的粒子在相应折射率和粒径区间中有以下3种效果：

(1)修正单波长光学粒子粒径测量非单调段和a类模糊区的检测误差，提高检测准确度；

(2)提高b类模糊区的粒径分辨率；

(3)在c类模糊区中可以对粒径检测区进行细分，增加信息量，降低检测误报率。

2接收散射光场分布理论计算结果

依据光散射原理，式(1)中粒子散射光场强度分布与散射角θ、方位角粒子尺寸参数和粒子折射率m＝n-jk确定。通过检测2种波长条件下散射光场在散射角1维立体角空间、或2维立体角空间上光强分布信息，如光强极大和极小值相对强度、个数与位置等参数，可以估算粒子折射率数值范围。在实际检测中，对粒子在不同粒径段具有检测分辨率要求，或如PM2.5等特定粒径值的检测准确度要求，结合2个波长下散射光强度，对检测结果进行进一步修正。这种检测功能可采用光学系统接收散射光场，1维或2维阵列光电转换器件检测，接收散射角区间范围可以按照光强分布的理论计算和设计结果选择。

本发明中考虑入射光为相对0°方位角散射面平行线偏振光。接收光学系统接收空间立体散射角θ在45±20°范围内方位角中心角度为3π/2的散射光。实际检测中一般依据光学系统接收孔径测量各散射角一定方位角范围内的散射光强度。为便于计算，本发明中选择各散射角均接收方位角均从190°到350°范围内的散射光。

图7中，各种折射率粒子的散射光场分布中，2种波长条件下，分布曲线极值个数、位置、强度、对比度等信息都有不同。通过检测和对这些参数的计算处理，依据计算和实际标定结果可以获得折射率数值信息，从而主动修正光强检测得到的粒径结果。

3气溶胶粒子吸湿特性影响

对于水珠粒子，尽管在2种波长下折射率虚部引起的吸收系数相差3个量级，在i_tot980nm上由于虚部对相对强度的影响小于0.4‰。因此，由于环境湿度的影响主要反映在粒子折射率的粒径的改变，因此，与粒径检测的准确度、灵敏度和分辨率有直接联系。在实际仪器设计中，对于环境湿度引起的测量误差可以通过检测以下信息进行主动修正：

1)增加环境湿度监测器；

2)检测入射光光源输出功率和入射光穿过采样气溶胶流路后光功率，计算照明光强衰减。

II检测装置

实施上述实时气溶胶单粒子检测流程如图8所示，分为气溶胶采样，单粒子聚焦气路，第一路散射光强度检测、第一路散射光场分布检测、第二路散射光强度检测、第二路散射光场分布检测等6个步骤。按所述流程，装置包括单粒子聚焦气路1、双波长散射光强度检测单元2、双波长散射光场分布检测单元3、散射腔体4和微机控制单元5等5部分，总体结构如图9所示，光学检测系统如图10与图11中所示。

装置各部分功能如下：

所述的单粒子聚焦气路1由样气管道11、鞘气管道12、入气喷嘴13和出气口14组成，其中出气口13安装于检测腔体上平面，喷嘴中心线与所述检测腔体中心轴线QQ’共线。所述的样气管道11由装置总体气泵16-2驱动对大气气溶胶采样，气溶胶粒子随样气运动。所述的鞘气管道12通过鞘流气泵15-2驱动通入洁净鞘气。在出气口13位置，受到鞘气应力作用，样气气路宽度会被压缩，或称聚焦在所述散射腔体中心线QQ’位置区域内。气溶胶粒子的空间范围随着样气压缩而缩小。气路中各组件通过气管、连接件与结构件连接，通过滤膜15-1、15-3和16-1、16-3滤除气路中的粒子。

检测腔体4用于进行装置集成，结构如图12所示。在腔体6个侧面上对应8个孔，分别用来安装2路散射光强度检测单元21和22、2路散射光场分布检测单元31和32等。在腔体上、下两个表面安装单粒子聚焦气路1的入气喷嘴13和出气口14。各单元或部件与腔体通过螺纹或配合管件和固定密封件定位密封连接。

两路散射光强度检测单元21、22分别包括照明光路-1、光陷阱与光源强度监测组件-2和光强接收光路-3等3部分。第2路散射光强度检测单元22照明光路22-1光轴O₁O₁’与散射腔体4中心线QQ’交点O_1C在第1路光场强度检测单元21照明光路21-1光轴O₂O₂’与QQ’交点O_2C下方。依据实际粒子流速和其他参数，O_1C与O_2C所在垂直气路平面距离约2-4mm。

照明光路21-1依次由光源211、准直镜212、光阑213、整形镜214、整形光阑215组成。波长为λ₁＝405nm半导体激光器211采用连续工作模式，出射光经准直镜212变为尺寸为2x4mm的矩形光斑，通过光阑213滤除杂散光。整形镜214可选用焦距为60mm的柱面镜，将准直后的光束一维方向聚焦，经整形光阑215后光束另一维宽度整形为2mm，在光敏感区中心垂直光轴的平面得到2mm×0.1mm的矩形焦斑。长边同气溶胶粒子运动方向垂直。照明光路22-1依次由λ₂＝980nm半导体激光器光源221、准直镜222、光阑223、整形镜224、整形光阑225组成，各组件功能与21-1相同。

光强接收光路21-3和22-3用于接收2路照明光路产生的粒子散射光信号，采用反射接收设计方案，共用1个椭球反射镜25以反射汇聚粒子的散射光。光强接收光路21-3用以接收λ₁＝405nm的散射光，依次由反射镜25、接收光阑231、滤光片232、光强探测器233组成。接收光阑231用已滤除散射腔中背景噪声。滤光片232用以滤除其他波长光和粒子自身非弹性散射光等干扰光信号。经光强探测器233获得的粒子散射光转换为电信号，并通过快速信号采集器件将信号传输到微机控制单元5处理与分析。光强接收光路22-3用以接收λ₂＝405nm的散射光，依次由反射镜25、接收光阑241、滤光片242、光强探测器243组成，各组件功能与21-1相同。

在光陷阱与光源强度监测组件21-2和22-2中，分别设计有光陷阱216、226和反射镜217、227用将前向剩余的照明光束引导出散射光检测区域并衰减或吸收，并采用光强监测器218和228监测光源强度变化，并将信号传输到微机控制单元5处理与分析。

散射光场分布检测单元31用于检测粒子在λ₁＝405nm照明光路条件下产生的侧前向45°±20°散射角度范围内的光场分布，依次由准直镜组311、滤光片312、聚焦镜组313、光阑314、1维光电探测器315组成。粒子散射光信号经准直镜组311准直，滤光片232滤除其他波长光信号后经聚焦镜组313聚焦。聚焦光斑经光阑314滤除杂散光后在适当位置经1维光强探测器315将1维散射光场分布转换为电信号，传输到微机控制单元5处理与分析。散射光场分布检测单元33用于检测粒子在λ₂＝980nm照明光路条件下产生的侧前向45°±20°散射角度范围内的光场分布，依次由准直镜组321、滤光片322、聚焦镜组323、光阑324、1维光电探测器325组成，各组件功能与21-1相同。

所述的微机控制单元5由快速信号采集器件501、信号比较与触发器件502和信号控制处理单元503构成。所述快速信号采集器件501用以测量光强探测器233和243得到的粒子散射光强度、光强监测器218和228得到的光源强度和1维光电探测器315和325得到的1维光场分布转换的电信号幅值。所述的信号比较与触发器件502用以快速比较2个粒子散射光强度检测单元的信号阈值并产生计数信号以对不同粒径范围粒子进行计数。所述信号控制处理单元503一方面用以控制装置中各个功能用电器件，如气泵、激光器的工作状态控制；另一方面按时序工作，对气溶胶粒子的2路散射光强度和2路散射光场分布信号进行处理分析，结合需要估算粒子材料折射率，结合环境湿度、折射率等信息对粒子粒径进行修正，减少误差。

装置整体各部件和微机控制单元5由电源供电系统6提供所需电力。

本发明具有以下效果：1.粒径检出限低，准确度高：减少了粒子折射率和环境湿度等条件对光散射法检测粒子光学等效粒径的影响，能够提高粒径检测灵敏度和准确度；2.装置较易设计制作：2种波长照明光路共用1组反射镜接收系统，结构设计方案较易实现；3.可测量粒子折射率信息：2种波长照明光路共用1组侧前向散射光场分布检测单元推算粒子折射率，增强粒子粒径检测准确性；4.应用性较强：可与粒子空气动力学等效粒径及与其他气溶胶粒子检测技术结合，提高检测准确性。

Claims (7)

1.一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，包括单粒子聚焦气路(1)、两个光强度检测单元(2)、两个光场分布检测单元(3)、散射腔体(4)、微机控制单元(5)和电源供电系统(6)；

所述的单粒子聚焦气路(1)由入口管道和出口管道组成，所述的入口管道包括入气喷嘴(13)，分别与该入气喷嘴(13)相连的样气进气口(11)和鞘气进气口(12)，该鞘气进气口(12)与鞘流气泵(15-2)相连，所述的出口管包括出气口(14)和与该出气口(14)相连的总气泵(16-2)；

所述的两路光强度检测单元(2)包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件、光强接收光路；两个光强接收光路采用反射接收设计方案，包括共用的反射镜和分别对应两路入射光的散射光接收组件；

所述的散射腔体(4)呈六边形腔结构，其上表面和下表面分别开有相互相对应的孔，所述的进气喷嘴(13)和出气口(14)分别对应安装在所述的上、下表面的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与所述的散射腔体(4)共线；所述的散射腔体(4)的六个侧表面分别开有孔，每组所述的光强度检测单元(2)的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件分别安装在相互对应的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与该光轴垂直相交；所述的光强度检测单元(2)的光强接收光路的反射镜和光强接收组件分别安装在所述的散射腔体(4)的相互对应的孔中，使该光路光轴与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交，且光路光轴与两路照明光路光轴垂直，光轴位于两路照明光路光轴距离中间平面内；

所述的两路光场分布检测单元(3)分别安装在与两路光强度检测单元(2)的照明光路前进方向相对应的散射腔体(4)的两个侧表面上，每路光场分布检测单元(3)的光轴与对应照明光路光轴共面，且两路光轴均与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交；

所述的鞘流气泵(15-2)、总气泵(16-2)、光强度检测单元(2)、光场分布检测单元(3)、电源供电系统(6)分别与所述的微机控制处理单元(5)相连；

所述的鞘流气泵(15-2)、总气泵(16-2)、光强度检测单元(2)和光场分布检测单元(3)分别与所述的电源供电系统(6)相连。

2.根据权利要求1所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，所述的第2路光强度检测单元的照明光路(22-1)光轴O₁O₁’与散射腔体(4)的中心线QQ’的交点O_1C位于所述的第1路光场强度检测单元的照明光路(21-1)光轴O₂O₂’与散射腔体(4)的中心线QQ’的交点O_2C的正下方，且每路照明光路的光轴与散射腔体(4)的中心线QQ’垂直。

3.根据权利要求1所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，所述的散射腔体(4)上供所述的光强度检测单元(2)的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件的两个安装侧表面互相平行，供光强度检测单元(2)的光强接收光路的反射镜和光强接收组件的两个安装侧表面互相平行，该两组平行的平面互相垂直。

4.根据权利要求1或2所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，所述的照明光路是依次由光源、准直镜、光阑、整形镜和整形光阑组成。

5.根据权利要求1或2所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的光强接收光路是依次由反射镜、接收光阑、滤光片和光强探测器组成。

6.根据权利要求1或2所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的光场分布检测单元(3)是依次由准直镜组(311)、滤光片(312)、聚焦镜组(313)、光阑(314)和一维光电探测器(315)组成。

7.根据权利要求3所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的第1路照明光路的光源波长λ₁的波谷范围在350-500nm，第2路照明光路的光源波长λ₂的波谷范围在720-800nm或950-1000nm之间。