CN104807738B - 单气溶胶粒子形状实时检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单气溶胶粒子形状实时检测装置，包括单粒子聚焦气路、散射腔体、电源供电系统、两个定位触发单元、散射图样检测单元和微机控制处理单元。本发明基于粒子的前向与侧向散射光场特性，结合粒径测量相关信息，判别粒子形状，可检测粒径下限提高，在实际应用中的准确度高，采用的散射腔体设计的结构较简单、稳定性高，易于光学系统装校，结合单粒子空气动力学聚焦气路技术，通过微机控制系统自动化控制，实现单气溶胶粒子的实时检测。

Description

单气溶胶粒子形状实时检测装置

技术领域

本发明涉及气溶胶实时检测，特别是实时性较强的单气溶胶粒子形状快速检测方法和装置，能够实时检测大气中较小粒径的单个粒子光学散射图像并进行分析处理，实现对粒子形状的区分和判别。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多项混合体系。粒子或颗粒大小为0.001～100μm。习惯上，把这些粒子称为气溶胶。直径小于10μm的粒子可在大气中长时间漂浮，称为飘尘。

气溶胶粒子对地气辐射平衡、成云致雨、水循环、能见度改变等诸多物理化学过程和人体健康重要影响。空气动力学粒径d_p小于10μm的气溶胶粒子为可吸入颗粒物，又称粗颗粒物PM10(Particle Matter 10)。d_p小于2.5μm的为细颗粒物PM2.5等。PM10可以进入人体气管；PM2.5可以进入人体肺部。PM本身既是一种污染物，又是多种有毒物质的载体。PM2.5比PM10更易吸附有毒害的物质，从而造成严重危害。

大气气溶胶粒子种类与组分来源多相、构成复杂，研究人员需要根据气溶胶粒子的物理、光学或化学特征等识别粒子及其来源。其中，粒径和形状是用来描述气溶胶粒子大小和形态等物理特征的表征参数。不同种类气溶胶粒子一般具有不同形状，较为简单的形状包括球体(水滴或油滴)或圆柱体(玻璃纤维)等。许多粒子具有较为复杂的形状，如石棉的纤维、片状、雪花状、规则或不规则的晶体等。在不同的工作或生活环境中，气溶胶粒子的形状可以为研究其种类和来源提供线索，并且对研究粒子特征有重要帮助，是其它粒子测量技术的有力辅助。

对于测量粒形的方法，在先技术包括显微镜法等。显微镜法需要首先将气溶胶进行富集，再送至实验室进行检测，花费时间长，实时性低，检测成本较高。在通常的测量散粒物料颗粒形状参数的方法中，如人工观察记录方式，比较繁琐并且不精确。戈振扬、郭洁在“一种测量散粒物料颗粒形状参数的方法”中公开了应用数码显微镜和计算机测量散粒物料颗粒形状参数的方法。该方法采用图像处理软件对需测量颗粒形状做相应的特殊处理和优化，便于高效测量散粒物料颗粒形状相关的各种参数信息，精简测量过程，提高测量精确度。

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。基于光散射原理的粒子弹性光散射检测法具有快速、灵敏和成本较低等特点，是常用技术手段之一。当粒子与入射光光场作用时，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、荧光和粒子吸收等。粒子散射光场分布是粒子粒径、形状、折射率等参数和检测系统参数如入射光波长、偏振状态、散射角度的复合函数。基于此原理研制的光学粒子计数器已被广泛用于测量单个粒子散射光场强度分布从而获取气溶胶粒子粒径尺度分布。在上述光散射研究与应用基础上发展的实时气溶胶粒子形状识别技术，为获取粒子的形状以及表面形貌特征等物理性质提供了可行手段。目前对于粒径的实时测量技术的研究已经比较成熟，国内也有很多自主研制的相关产品。相对来说，对于粒形的实时检测在国内相关研究较少。

由于气溶胶粒子形状检测的实时性和准确度要求，这种技术一般需要依据散射光场等信息测量相关参数，逐步区分球形与非球形、轴对称和非轴对称、规则与不规则形状粒子，判断粒子形状类别。通过气溶胶粒子的前向2维散射光场图样推断粒子形状对称性等信息，可以采用直接接收光学系统，结构布局与设计较方便。常规前向接收系统孔径角范围为±2.5-±25°，如库尔特仪、ROYCO粒子计数器。依据Mie散射理论计算结果，在此范围内散射光角度信息可以判断粒子形状的对称性，但尚不足以用来获得粒径小于2.5μm粒子的直观散射图样和粒径信息，从而较准确地判别粒子形状。

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，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。但该种方法基于生物荧光分析技术原理，以富集的多个生物气溶胶粒子的荧光光谱强度为检测对象，且需要多气溶胶粒子富集时间、相对实时性较低，不适合基于弹性散射光原理的单气溶胶粒子形状的实时检测的应用目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种单气溶胶粒子实时检测方法与检测装置，通过同步采集大气中单个气溶胶粒子的前向和侧向散射图样进行分析处理，能够判别粒径小于2.5μm的粒子形状。

本发明的技术解决方案如下：

一种单气溶胶粒子形状实时检测装置，包括单粒子聚焦气路、散射腔体、电源供电系统、两路定位触发单元、散射图样检测单元和微机控制处理单元；

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进气喷嘴，分别与该进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；

所述的两路定位触发单元分别包括定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路；

所述的散射图样检测单元包括图样照明光路、前向图样接收光路和侧向图样接收光路，三路光路的光轴共面；

所述的散射腔体呈八边形腔结构，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圆柱形内中心轴线共线；所述的散射腔体的八个侧表面分别开有相互相对应的孔；

每个所述的定位触发单元的定位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，定位照明光路和光陷阱与光源强度监测组件共光路，并使该光轴与单粒子聚焦气路的中心轴线垂直；所述的两路定位触发单元光轴所在平面之间存在空隙，构成双路定位触发光敏感区；所述的散射图样检测单元的图样照明光路和前向图样接收光路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且相交；所述的散射图样检测单元的侧向图样接收光路安装在余下孔中，使该光轴与单粒子聚焦气路的中心轴线垂直，且与前向图样接收光路的光轴垂直相交；

所述的鞘流气泵、总气泵、电源供电系统、定位触发单元和散射图样检测单元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、定位触发单元和散射图样检测单元分别与所述的电源供电系统相连。

所述的散射腔体的每个侧平面与各自所安装的两路定位触发单元的定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路，以及所述的散射图样检测单元的图样照明光路、前向图样接收光路和侧向图样接收光路的光轴分别垂直；

供所述的散射图样检测单元的图样照明光路安装的侧平面和前向图样接收光路安装的侧平面平行，且两个侧平面与供所述的散射图样检测单元的侧向图样接收光路安装的侧平面垂直。

本发明利用前向与侧向散射光场图样判别粒子的形状。当照明光束入射到一定粒径范围内不同形状粒子时，粒子的前向与侧向方位各取2维散射图像。通过分析散射图像可以对粒子形状进行辨别。

基于光散射原理，粒子散射光场分布与粒子粒径、形状、折射率，检测系统入射光波长、偏振方向等条件有关系。因此，采用光电图像接收器采集散射光场强度分布的量化信息，并依据散射光场的实际条件和计算结果进行判断。在实际检测中，散射光场接收系统的设计方案、光电接收器件响应特性决定了可接收散射光场角度和强度分布；同时，粒子朝向与位置误差、系统测量误差等因素也使得采集到的粒子散射光场图样需要进行进一步处理与分析，提高测量准确度。

球形粒子沿入射光轴散射光场在前向接收2维图样为对称同心亮暗圆环，便于通过散射光场相对光轴的光强分布的对称性区分球形与非球形粒子。如果需要获得具有暗、亮同心圆环的散射位置或图样信息，理论上存在粒子粒径下限。

球形粒子的侧向散射光场图样为竖直的明暗条纹。非球形粒子的散射图样、局部信息不同。因此依据侧向光学接收系统接收范围内和某区域内的散射光场信息，结合前向散射图样和具体检测系统条件，可以反演较小粒径粒子形状相关参数，减少测量误差影响，提高检测准确度。

在实际中，由于大部分气溶胶粒子是非球形的，其侧面散射图样不再是竖直条纹分布，因此，较易进行数据处理与分析。

装置各部分功能如下：

1、单粒子聚焦气路：基于空气动力学原理设计的聚焦气路，可以将待测粒子压缩在较细的样气流路范围内经过光敏感区，在要求气溶胶粒子浓度检测范围内有效减少重叠误差。同时，包裹样气的洁净鞘气能够减少其它外部粒子的干扰。气路中有2组气泵分别控制装置总体气路和鞘气气路流量和流速，同时在气泵进气和出气位置放置有滤膜，用于预防气泵污染，一起得到洁净的气流。气路通过气管、连接件与结构件密封连接；

2、散射腔体：用于装置光学机械系统支撑集成的框架，与装置中单粒子聚焦气路、定位触发单元、散射图样检测单元、气路出口等单元结构通过管件和固定密封件定位密封连接。腔体为多边形，如八边形结构，上平面用于安装单粒子聚焦气路入口，下平面用于安装气路出口。八边形每一侧面上开有一孔，共8个孔，分别安装2路定位触发单元、散射图样检测单元等3路光学系统；

3、电源供电系统：为装置整体各部件和微机控制处理单元提供所需电力；

4、定位触发单元：测量随气流运动的气溶胶粒子散射光信号，一方面为散射图样检测单元提供粒子的定位触发信号，提高检测准确度率，避免漏检；另一方面基于信号强度推断粒子粒径信息。

每路所述的定位触发单元分别包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和两路定位触发单元共用的定位光强接收光路3部分。每路所述的定位触发单元的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件共光轴，光轴与气路方向中心线垂直相交。每路定位触发单元中光源发出的入射光经每组照明光路在交点垂直光轴平面聚焦为1维焦线，因此在光轴与气路中心线交点位置形成光敏感区。光敏感区交点有微小高度差距，形成双路定位触发单元光敏感区。所述两路定位触发单元共用的定位光强接收光路光轴与气路中心线垂直相交，交点位于双路定位触发单元光敏感区两个光轴与气路中心线交点的中间位置。所述的气溶胶粒子经过光敏感区时，依次通过2个定位触发单元的光敏感区，被2种入射光照明，产生散射光场。

采用2路定位触发单元可以提供避免由于粒子定位和大小引起的测量误差，提高定位准确度。2路照明光路分别使用2种不同波长的激光器光源，以得到各自对应高灵敏度度的光学散射光信号。两路定位触发单元采用连续检测的工作方式。当两路的散射光分别经接收单元通过光电转换器件转换为电信号进行采集，当光强都达到设定阈值时，信号传送给微机控制处理单元接收，一方面作为粒子位置信息，通过装置流速等参数计算出粒子到达散射图样检测单元光敏感区的时间，一方面得到粒子粒径参数信息。

光陷阱与光源强度监测组件一方面将前向剩余入射光引导出散射光检测区域并衰减或消除，另一方面通过检测此信号来监测光源强度变化，在需要时进行修正，提高检测准确性；

5、散射图样检测单元：用以检测粒子前向和侧向散射图样，包括共用1路照明光路、前向和侧向散射图样接收光路、光陷阱与光源强度监测组件。照明光路使用与定位触发单元不同波长的激光器光源，以得到对应高灵敏度度的光学散射光信号。

为得到小粒径气溶胶粒子强度较高的散射光场强度，激光器功率设置要求较高。为得到光学质量较高的散射光场图样，要求粒子在光电接收转换器件有效采集时间内移动距离较小、图样采集器件曝光时间较短。因此，通过微机控制处理单元控制激光器或者光电接收转换器件的开启和关闭，以降低散射腔体内的背景光噪声信号。

接收光路采用直接接收光路，通过2维光电接收转换器件等采集图样，结构较易实施，光路数值孔径可以在0.34左右；

6、微机控制处理单元：负责控制、监测各单元的正常工作，在接收到气溶胶粒子的定位触发信号后进行时间预判粒子飞行时间，控制散射图样检测单元捕获粒子前向与侧向散射图样，结合粒子粒径信息进行处理分析，判别粒子形状。

装置的各部分工作原理和设计方案如下：

所述的单粒子聚焦气路根据空气动力学原理设计，由样气管道、鞘气管道、进气喷嘴和出气口组成，其中出气口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共线。所述的样气管道由装置总体气泵驱动对大气气溶胶采样，气溶胶粒子随样气运动。所述的鞘气管道通过鞘流气泵驱动通入洁净鞘气。所述鞘流气泵和总体气泵进出气口都装有滤膜，用于得到洁净的气流，并防止污染所述气泵。在出气口位置，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位置区域内。气溶胶粒子的空间范围随着样气压缩而缩小。当样气中粒子浓度在限定区间，粒子横向位置误差范围较小，形成单粒子序列，依次通过光敏感区，减少重叠误差。

散射腔体八个侧面上对应有8个孔，分别用来安装2路定位触发单元，散射图样检测单元。散射图样检测单元中照明光路光轴为装置光路光轴。2路定位触发单元的照明光路光轴与腔体中心轴线、即气路中心线相交，形成双路定位触发单元光敏感区。散射图样检测单元的光轴与腔体中心线交点在双光路定位触发单元光敏感区下方，形成图样检测光敏感区。光敏感区如图9所示。当气溶胶粒子通过单粒子聚焦气路进入散射腔体，依次通过2个定位触发单元的光敏感区和散射图样检测单元的光敏感区，分别被各单元照明光照射，产生散射光。

每一路定位触发单元包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和光强接收光路。照明光路依次由光源、准直镜、光阑、整形镜、整形光阑组成。所述光源使用半导体激光器，采用连续工作模式。半导体激光器发出的光通过准直镜变为光束尺寸为4x6mm的矩形光斑，通过光阑滤除杂散光。整形镜为焦距为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。

2路定位触发单元的光强接收光路分别接收对应照明光路产生的粒子散射光信号。每一路光强接收光路依次由接收镜组、光阑、滤光片、光强探测器、光强监测器组成。接收镜组接收粒子的侧向散射光并聚焦。光阑用以滤除杂散光。滤光片用以滤除其他波长光信号。光强探测器将粒子散射光信号转换为电信号。此信号有2个作用，1是作为散射图样检测单元的定位触发信号，2是依据对应关系转换为被测气溶胶粒子的等效光学直径。由于气溶胶粒子的“光学等效粒径”取决于粒子散射光通量，散射光通量是粒子粒径、形状、折射率和接收光学系统波长、接收角度、数值孔径等参数的函数。为了得到较准确的测量粒径值，可以依据实际情况，采用不同的设计光学检测系统设计方案。

散射图样检测单元包括照明光路和图样接收光路。依据实际粒子流速和其他参数，图样检测单元光学系统光轴与散射腔体中心线，即气路中心线交点距离定位触发单元光轴与气路中心线交点约1-5mm。

照明光路依次由光源、准直镜、光阑、整形镜、整形光阑组成。光源使用半导体激光器，输出功率较高。为提高散射图样信号的信噪比，可采用按照粒子到达检测光敏感区，控制光源开启和关闭。

散射图样检测单元的图样接收光路，分为前向和侧向散射光接收光路。前向接收光路由光陷阱、滤光片、转换镜组、接收光阑和2维图样接收器件组成；侧向接收光路由滤光片、转换镜组、接收光阑和2维图样接收器件组成。所述的2维图样接收器件可以选择增强型CCD相机、高信噪比2维快速光电转换器件阵列。其中，在前向接收光路，可采用圆环和十字交叉构成的二维光电转换阵列器件；在侧向接收光路，可采用斜十字和圆形或矩形二维光电转换阵列器件。

在前向散射光接收光路中，光陷阱安装或粘附在滤光片上。滤光片用来截止其他背景光和杂散光噪声，光陷阱用来吸收或衰减入射的照明光束。侧向散射光接收光路一路不需要光陷阱。

气溶胶粒子的散射光经转换镜组聚焦，在焦点处放置接收光阑去除视场外杂散光，经2维图像接收器件得到散射光图样。

并通过快速信号采集器件，如图像采集卡将图样传输到微机控制处理单元进行处理与分析。

所述的微机控制处理单元由快速数据采集器件、信号比较与触发器件、信号发生器和信号控制处理器构成。所述快速数据采集器件用以快速采集测量定位触发单元中不同粒径粒子散射光强度转换的模拟电信号和光强监测器得到的光源强度信号，信号比较与触发器件用以快速比较定位触发单元的信号阈值并产生触发信号。所述信号发生器件有2部分作用，1是用于在控制处理单元接收到粒子定位触发信号后延时控制散射图样检测单元的工作时序，2是装置中各个功能用电器件，如气泵、激光器的工作状态控制。所述的快速信号采集器件用于采集气溶胶粒子的散射光图样，并将信号传送至控制处理单元。所述的控制处理单元与各部分器件按时序工作，对气溶胶粒子的2种散射图样进行处理分析，结合粒子粒径等信息对粒子形状进行初步分类。

装置整体各部件和微机控制处理单元由电源供电系统提供所需电力。

与在先技术相比，本发明具有以下优点：

①粒子粒径检测限低，准确度高：本发明检测气溶胶粒子的前向散射与侧向散射图样，图样直观易处理；结合粒径测量相关信息，可检测粒子粒径限低，在实际应用中的准确度高；

②系统结构便于集成：本发明采用的散射腔体结构稳定性高，易于光学系统装校；光学检测系统易安装；

③实时性高：本发明结合单粒子空气动力学聚焦气路技术，通过微机控制系统控制各单元的自动化工作，能够实现单气溶胶粒子的实时检测。

附图说明

图1是粒子产生散射光的原理示意图。当粒子与入射光光场作用时，产生弹性散射和非弹性散射。弹性散射包括衍射Q₀、反射Q₁、折射Q₂等，非弹性散射包括拉曼散射L₁、荧光F₁和粒子吸收A₁等。

图2是波长λ＝632.8nm的非偏振入射光条件下，折射率m＝1.59、粒径d分别为(a)1-9μm和(b)2-3μm的球形粒子前向散射光场分布

图3波长λ＝632.8nm的非偏振入射光条件下，折射率m＝1.59、粒径d分别为(a)1-9μm和(b)2-3μm的球形粒子侧向散射光场分布

图4是不同形状粒子的理论计算前向散射光场图样。(a)椭球体粒子；(b)杆状粒子；(c)螺旋体粒子；(d)立方体粒子

图5是不同形状粒子的理论计算侧向散射光场图样。(a)球形粒子：直径d＝2μm；(b)球形粒子：直径d＝4μm；(c)椭球体粒子：长半轴a＝1.5μm、短半轴b＝0.78μm；(d)螺旋体粒子：体长4.5μm、外表面直径w＝1.9μm、螺距1.5μm、螺旋实体截面直径0.5μm

图6是本发明的检测流程图

图7是本发明检测装置的结构示意图

图8是本发明光学系统布局示意图，(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为C-C视图。

图9是本发明光敏感区的示意图

图10是本发明散射腔体的结构图

图11是本发明装置工作时序图

图12是光强探测器阵列结构示意图

图13是一种前向接收PD阵列(a)和侧向PD接收阵列(b)的排布示意图

图14是粒子前向散射图样(a)和经过处理的侧向散射图样(b)与(c)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先以下基于球形粒子的理论二维散射图样对本方法做一说明。Mie散射理论适用于计算粒径在100nm到10μm之间的球形粒子散射光场。

假设入射光为非偏振光，波长λ＝632.8nm，基于Mie散射理论计算折射率m＝1.59的不同粒径d的球形粒子散射光场对应散射角的光强分布曲线第1级极小值与第1级极大值位置。依据常规光学接收系统数值孔径NA约为0.34，前向散射光接收散射角范围设定为0-20°；侧向散射光接收散射角范围为70-110°。

图2(a)为粒径为1-9μm球形粒子的散射光分布，随着粒径增大，光强第1极小位置减小。图2(b)为粒径为2-3μm球形粒子的散射光分布。在孔径角为20°时，前向散射光场能够得到稳定可处理分布圆环的粒径限在3μm。

图3(a)与图3(b)是分别与图2(a)、(b)对应的不同粒径d的球形粒子散射侧面接收光强分布。在实际中为竖直排列条纹，便于直接对图样分布进行处理。当侧向散射光接收散射角范围为70-110°，在光电接收转换器阈值上可检测粒子粒径限会达到1μm。

对于非球形粒子的前向和侧向散射光图样，采用FDTD方法计算。图4分别为(a)椭球、(b)杆状、(c)螺旋体和(d)立方体粒子的前向散射光图样。图5分别为(a)直径2μm球形、(b)直径4μm球形、(c)椭球和(d)螺旋体粒子的侧向散射光图样。其中，(c)中椭球长半轴1.5μm、短半轴0.78μm；(d)中柱状螺旋体体长度4.5μm、体截面外径1.9μm、螺旋实体截面直径0.5μm，螺距1.5μm。

依据上述前向和侧向散射图样计算结果，本发明可依据光散射理论进行图像数据处理与反演，判断粒子形状。

实施上述气溶胶单粒子实时检测流程如图6所示，分为气溶胶采样，单粒子聚焦气路，2路粒子定位触发，前向和侧向散射图样检测等4个步骤。按所述流程，本发明装置结构如图7所示，包括单粒子聚焦气路、散射腔体、定位触发单元、散射图样检测单元、微机控制处理单元和电源供电系统等6部分。本发明光学系统如图8所示，光检测敏感区如图9所示。

由图7可见，本检测装置包括单粒子聚焦气路1、散射腔体2、电源供电系统3、定位触发单元4、散射图样检测单元5和微机控制处理单元6等6部分。

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进气喷嘴13，分别与该进气喷嘴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，鞘流气泵15-2的进气出气口分别放置滤膜15-1、15-3，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，总气泵16-2的进气出气口分别放置滤膜16-1、16-3。所述滤膜15-1、15-3、16-1、16-3用于滤除气路中的粒子，得到洁净的气流，并防止损坏气泵。所述的样气进气口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。所述的鞘气进气口12通过鞘流气泵15-2驱动通入洁净鞘气。在进气喷嘴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。

图10所示是散射腔体2的结构示意图。所述的散射腔体2为八边行结构，上表面用于安装样气进气口11、鞘气进气口12和进气喷嘴13的结构组件、下表面用于安装装置出气口14的结构组件，侧面有8个组装孔，分别用于安装定位触发单元4和散射图样检测单元5等3路光学系统。O₁-O为散射图样检测单元5的照明光路51的光轴；O-O₁’为前向图样接收光路52的光轴；O-O₄’为侧向散射光图样接收光路53的光轴。O₂-O_2O、O₃-O_3O为定位触发单元4的照明光路41、42的两条光轴；O_2O-O₂’与O_3O-O₃’为分别对应照明光路41、42的光陷阱与光源强度监测组件43、44的两条光轴；O’-O₄为2路定位触发单元共用的光强接收光路45的光轴。Z轴为气路中心轴线。O₁-O₁’位于3维坐标系Y轴上，散射腔体2的中心O为坐标原点；O_2O位于O_3O上方0.05mm处，O’位于O_2OO_3O中点；O_3O位于散射腔体2的中心O上方1mm处。O₁-O₁’、O₂-O₂’、O₃-O₃’、O-O₄’、O’-O₄与Z轴上O-O’垂直。因此，气溶胶粒子的运动轨迹与各光路光轴垂直。

散射图样检测单元5的3部分在散射腔体2侧面开孔中心位于每面中心。定位触发单元4在侧面开孔孔心高出每面中心1mm距离。

如图9所示，O’区域是定位触发单元4中532nm波长和405nm波长入射光同气溶胶粒子相互作用的光敏感区中心，O区域是散射图样检测单元5中635nm波长入射光同气溶胶粒子相互作用的光敏感区中心。气路中的气溶胶粒子依次经过光敏感区O_2O、O_3O和O时产生散射光，被光强接收光路45，前向图样接收光路52和侧向图样接收光路53接收。

所述照明光路51包括波长为635nm激光器511、准直镜512、光阑513、整形镜514、整形光阑515；所述照明光路41包括波长为405nm激光器411、准直镜412、光阑413、整形镜414、整形光阑415；所述照明光路42包括波长为532nm激光器421、准直镜422、光阑423、整形镜424、整形光阑425。整形镜511、411、421均是焦距为60mm的柱面镜，整形光阑514、414、424的大小为4mm*2mm。

照明光路51中激光器光源511光束经准直镜512准直后通过光阑512形成尺寸为4×6mm的矩形光斑，经整形镜514后，光斑在垂直方向(Z方向)上聚焦，在水平方向经过大小为4mm*2mm的整形光阑后光束尺寸为2mm。照明光束在整形镜514的焦点位置形成大小为2mm*100μm的焦线。焦点位置与散射腔体2中心O重合。

所述定位触发单元4中，2路照明光路41和42共用1路光强接收光路45，包括接收镜451、聚焦镜组452、光阑453、405nm带通滤光片454、532nm带通滤光片455、光强探测PD阵列456。光强探测PD阵列456如图12所示，由两个PD组成，分别用来接收粒子对波长405nm和532nm入射光的散射光，并将光信号转换成电信号。在相应的PD前放置有一小块带通滤波片，滤除各自的杂散光干扰。当两者都达到设定电压阈值时，输出定位触发信号给数据采集卡上的快速信号触发功能通道。

由于激光器的光强度波动会影响到触发阈值的设置，在对应照明光路41和42的2路光陷阱与光源强度监测组件43和44的光陷阱431和432中分别安装有405nm光强探测PD432，532nm光强探测PD442，用来监测两路激光器的光强变化，在需要时对检测结果进行修正。

所述散射图样检测单元5中，前向图样接收光路52包括前向散射光接收光陷阱521、635nm带通滤波片522、准直聚焦转换镜组523、接收光阑524和前向接收PD阵列525；侧向图样接收光路53包括635nm带通滤波片531、准直聚焦转换镜组532、接收光阑533和侧向接收PD阵列534。本发明采用的前向接收PD阵列525和侧向接收PD阵列534的排布示意图如图13所示。

在前向图样接收光路52中，635nm带通滤波片522中心处有一直径3mm的小孔，用来安装光陷阱521。光陷阱521前端直径4mm，后端直径3mm，中间为锥形内孔，加工有消光纹。这样的设计增加了光陷阱的长度，减小了锥形的锥角，提高了光陷阱的消光效率。经过光陷阱后，小于5°散射角的散射光也被吸收，大于5°散射角的前向散射光进入接收光路。由于准直聚焦转换镜组523的数值孔径的限制，前向图样接收光路52能够接收的散射角半角范围在5°至20°之间。准直聚焦转换镜组523的前焦点位于散射腔体2的体心光敏感区中心O处。散射光经过准直聚焦转换镜组523后聚焦，在后焦点处放置接收光阑524，滤除杂散光。在后焦面后放置前向PD接收阵列525，接收粒子的散射光场图样。

所述侧向图样接收光路53的布局同前向散射相同，但没有光陷阱减少入射光干扰，光电接收器件为侧向接收PD阵列534。

如图13所示，所述的前向PD接收阵列525采用圆环和十字交叉构成的2维图样；所述的侧向接收PD阵列534采用斜十字交叉和圆形2维光电转换器件阵列。采集转换后的电信号传送到微机控制处理单元6进行处理分析。

所述的微机控制处理单元6由快速数据采集器件61、信号比较与触发器62、信号发生器63、和信号控制处理器64构成，工作时序如图11所示。所述的快速数据采集卡61用以快速采集测量定位触发单元4和散射图样检测单元5所传送的散射光强转换的电信号和光强监测器433和434得到的光源强度信号。所述的信号比较与触发器件62用以快速分别比较定位触发单元4传送的2路信号阈值，产生粒子定位触发信号，通过散射光强与粒子粒径的标定曲线得到粒子粒径参数，实现对不同粒径范围粒子的计数。所述信号发生器63有2部分作用，1是用于在控制处理单元64接收到粒子定位触发信号后延时控制散射图样检测单元5中激光器501，前向接收PD阵列525和侧向接收PD阵列534的工作时序，2是装置中各个功能用电器件，如气泵、激光器的工作状态控制。快速数据采集器件61采集气溶胶粒子的散射光场图样数据，传送至信号控制处理器64。所述的信号控制处理器64与各部分按时序工作，对气溶胶粒子的2种散射图样进行处理分析，结合粒子粒径等信息对粒子形状进行判别分类。

装置整体各部件和微机控制处理单元由电源供电系统3提供所需电力。

不同粒径球形粒子的散射光场分布计算曲线和前向与侧向散射图样理论结果如图2、3所示。不同形状粒子的前向散射光和侧向散射光图样分布如图4、5所示。实际实验中球形粒子的前向和侧向散射图样如图14所示。对于粒径较大的粒子可以直接从前向进行区分；对于小粒径的粒子，前向散射光场图样分别不大，侧向图样有着较大的差异，可以通过侧向散射光的分布获取粒子的形状信息。

与在先技术相比，本发明的特点在于：基于粒子的前向与侧向散射光场特性，结合粒径测量相关信息，判别粒子形状，可检测粒径下限提高，在实际应用中的准确度高。采用的散射腔体设计的结构较简单、稳定性高，易于光学系统装校。结合单粒子空气动力学聚焦气路技术，通过微机控制系统自动化控制，实现单气溶胶粒子的实时检测。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，包括单粒子聚焦气路(1)、散射腔体(2)、电源供电系统(3)、两路定位触发单元(4)、散射图样检测单元(5)和微机控制处理单元(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进气喷嘴(13)，分别与该进气喷嘴(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)；

所述的两路定位触发单元(4)分别包括定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路；

所述的散射图样检测单元(5)包括图样照明光路(51)、前向图样接收光路(52)和侧向图样接收光路(53)，三路光路的光轴共面；

所述的散射腔体(2)呈八边形腔结构，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(2)圆柱形内中心轴线共线；所述的散射腔体(2)的八个侧表面分别开有相互相对应的孔；

每个所述的定位触发单元(4)的定位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，定位照明光路和光陷阱与光源强度监测组件共光路，并使该光轴与单粒子聚焦气路(1)的中心轴线垂直；所述的两路定位触发单元光轴所在平面之间存在空隙，构成双路定位触发光敏感区；所述的散射图样检测单元(5)的图样照明光路(51)和前向图样接收光路(52)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且相交；所述的散射图样检测单元(5)的侧向图样接收光路(53)安装在余下孔中，使该光轴与单粒子聚焦气路(1)的中心轴线垂直，且与前向图样接收光路(52)的光轴垂直相交；

所述的鞘流气泵(15-2)、总气泵(16-2)、电源供电系统(3)、定位触发单元(4)和散射图样检测单元(5)分别与所述的微机控制处理单元(6)相连；

所述的鞘流气泵(15-2)、总气泵(16-2)、定位触发单元(4)和散射图样检测单元(5)分别与所述的电源供电系统(3)相连。

2.根据权利要求1所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的散射腔体(2)的每个侧平面与各自所安装的两路定位触发单元(4)的定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路，以及所述的散射图样检测单元(5)的图样照明光路(51)、前向图样接收光路(52)和侧向图样接收光路(53)的光轴分别垂直；供所述的两路定位触发单元(4)的定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件安装的侧平面平行，且两路定位触发单元(4)的定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件安装的侧平面相互垂直；

供所述的散射图样检测单元(5)的图样照明光路(51)安装的侧平面和前向图样接收光路(52)安装的侧平面平行，且两个侧平面与供所述的散射图样检测单元(5)的侧向图样接收光路(53)安装的侧平面垂直。

3.根据权利要求1所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的定位照明光路由依次是激光器、准直镜、光阑、整形镜和整形光阑组成，所述的定位光强接收光路由依次是接收镜(451)、聚焦镜组(452)、光阑(453)、405nm带通滤光片(454)、532nm带通滤光片(455)和光强探测PD阵列(456)组成。

4.根据权利要求1所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的图样照明光路(51)由依次是波长为635nm激光器(511)、准直镜(512)、光阑(513)、整形镜(514)和整形光阑(515)组成，所述的前向图样接收光路(52)由依次是前向散射光接收光陷阱(521)、635nm带通滤波片(522)、准直聚焦转换镜组(523)、接收光阑(524)和前向接收PD阵列(525)组成，所述的侧向图样接收光路(53)由依次是635nm带通滤波片(531)、准直聚焦转换镜组(532)、接收光阑(533)和侧向接收PD阵列(534)组成。

5.根据权利要求4所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的整形镜(514)的焦点与所述的散射腔体(2)的中心重合。

6.根据权利要求1所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的两路定位触发单元的光轴所在平面有微小距离；处于下方位置所在平面比所述的散射图样检测单元的光轴所在平面高出一定距离。

7.根据权利要求1所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的光陷阱与光源强度监测组件包括光陷阱和光源强度监测器，所述的光源强度监测器是405nm光强探测PD432或532nm光强探测PD442。