CN105403489B - 大气颗粒物的粒径与形状测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气颗粒物的粒径与形状测量装置。它由气溶胶束流进出样部件、光学采样部件和控制处理部件组成，其中，光学采样部件中的气溶胶形状光学采样器的采样光路位于气溶胶粒径光学采样器采样光路的下方，气溶胶形状光学采样器为紫色激光器(1)及其光路上依次置有的紫色激光准直聚焦透镜(2)、气溶胶测量作用区(3)、紫色激光消光器(4)、散射光选通光阑(5)、散射光耦合透镜组(6)、空间滤波光阑(7)、散射光分束聚焦透镜组(8)和光电探测阵面(9)，其中，光电探测阵面(9)的输出端与控制处理部件电连接。它可广泛地用于对大气颗粒物的粒径和形状进行实时的探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，尤其是一种大气颗粒物的粒径与形状测量装置。
背景技术
大气气溶胶不仅对环境空气有污染作用，还对局地环境、区域环境甚至全球环境具有重要影响，是地球大气环境重要的研究对象之一。气溶胶形态包括尺寸与形状，不仅是其重要的物理性质，也决定了其各种行为，包括生成与消失、迁移和沉降等，在多相反应、健康效应、光辐射效应、气候效应、清除机制等方面都有关键性作用，具有很高的研究价值。为此，人们为了探测气溶胶做出了不懈的努力，如中国发明专利CN 101173886 B于2010年5月12日公告的一种气溶胶粒子双通道激光探测仪及其探测方法。该发明专利中记载的气溶胶粒子双通道激光探测仪由粒子进样部件、光学采样部件和控制处理部件组成；测量时，在控制处理部件的总体控制下，粒子进样部件将大气中的气溶胶粒子以单个顺序排队的方式引进测量区后，先由光学采样部件探测气溶胶粒子的空气动力学尺寸和粒谱分布信息，以及气溶胶粒子的生物活性物质NADH和核黄素的信息，再由控制处理部件获得气溶胶粒子的粒径和粒谱分布信息、生物活性物质和核黄素信息。为进一步地提高对气溶胶粒子的测量质量，人们对气溶胶探测仪中的粒子进样部件也进行了改进，如中国实用新型专利说明书CN201222031 Y于2009年4月15日公告的一种大气压气溶胶透镜进样装置。该进样装置通过于一端为锥形进样喷口的气溶胶进气管的内腔中设置一片以上的、其孔径自上而下递减的中心为圆通孔的薄片，使载有不同粒径的气溶胶粒子束流被多次逐级聚焦，最终获得了准直度长达15～20mm的粒子束流，大大地提高了粒子束的传输效率和准直效果。然而，上述两项专利的结合虽也能大大地提高测量气溶胶粒子的精确度，却仍存在着欠缺之处——仅能测得气溶胶粒子的粒径，而不能对气溶胶粒子的形状进行有效的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，提供一种结构合理、实用，能对大气颗粒物的粒径和形状进行实时探测的大气颗粒物的粒径与形状测量装置。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：大气颗粒物的粒径与形状测量装置由气溶胶束流进出样部件、光学采样部件和控制处理部件组成，其中的光学采样部件含有气溶胶粒径光学采样器，特别是，
所述光学采样部件还设置有其采样光路位于气溶胶粒径光学采样器采样光路下方的气溶胶形状光学采样器；
所述气溶胶形状光学采样器为紫色激光器及其光路上依次置有的紫色激光准直聚焦透镜、气溶胶测量作用区、紫色激光消光器、散射光选通光阑、散射光耦合透镜组、空间滤波光阑、散射光分束聚焦透镜组和光电探测阵面，其中，紫色激光准直聚焦透镜的输出光束焦点位于气溶胶测量作用区中，光电探测阵面的输出端与控制处理部件电连接。
作为大气颗粒物的粒径与形状测量装置的进一步改进：
优选地，紫色激光器为输出波长405nm的半导体激光器。
优选地，气溶胶测量作用区和紫色激光消光器的间距为60～80mm；保证了接收极角为5～15°，利于对形状为球形、非球形气溶胶粒子的连续、快速的测量。
优选地，散射光选通光阑为其上置有等方位角设置三只通光孔的光阑。
优选地，散射光分束聚焦透镜组由同一平面上等方位角设置的第一分束透镜、第二分束透镜和第三分束透镜组成。
优选地，光电探测阵面由分别位于第一分束透镜、第二分束透镜和第三分束透镜焦点处的第一光电倍增管、第二光电倍增管和第三光电倍增管组成。
优选地，气溶胶束流进出样部件的组成为，一端为锥形进样外喷口的外管中同轴嵌套有其一端为锥形进样内喷口的气溶胶透镜管，抽气口位于锥形进样外喷口的下方，其中，气溶胶透镜管的内腔中置有一片以上的、其孔径自上而下递减的中心为圆通孔的薄片；既利于获得较长准直度的气溶胶粒子束流，还使气溶胶粒子束流处于外管流出的净化气流的保护之中。
优选地，气溶胶粒径光学采样器的组成为，红色激光器及其光路上依次置有红色激光准直透镜组、双折射晶体、气溶胶测量作用区和红色激光消光器，以及椭球面反射镜和雪崩二极管，其中，双折射晶体输出的两束分开方向与气溶胶粒子运动方向相平行的两束平行光的光斑均位于气溶胶测量作用区中，椭球面反射镜位于其中垂线与双折射晶体输出光轴呈30～60°角的延长线上，且其一个焦点位于气溶胶测量作用区中、另一个焦点位于雪崩二极管上。
优选地，红色激光器为输出波长650nm的半导体激光器。
优选地，气溶胶测量作用区中的紫色激光准直聚焦透镜的输出光束焦点位于双折射晶体输出的两束平行光中下束光斑的下方0.5～1mm处；不仅利于分别对大气颗粒物的粒径和形状进行独立的测量，也为粒径和形状的有序测量奠定了基础。
相对于现有技术的有益效果是：
采用这样的结构后，本发明对气溶胶粒子的形态——尺寸与形状均能同时实时测定，为获取粒子的特征、划分粒子的类别奠定了良好的基础，从而使其在环境大气污染探测、工作场所的气溶胶监测以及人为致病气溶胶释放探测方面，有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是本发明中气溶胶形状光学采样器接收部分的一种基本结构示意图。
图3是本发明探测气溶胶单个粒子后获取的四路光散射信号图。图中的曲线40-1、曲线40-2和曲线40-3分别为气溶胶形状光学采样器中的第一光电倍增管、第二光电倍增管和第三光电倍增管的输出，曲线30为气溶胶粒径光学采样器中的雪崩二极管的输出。
图4是本发明实测油酸气溶胶粒子的粒径分布信息图。
图5是本发明实测气溶胶粒子的结果图。其中，图5a为实测球形油酸粒子的散射强度三角图，图5b为实测长柱形核黄素粒子的散射强度三角图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1和图2，大气颗粒物的粒径与形状测量装置的构成如下：
大气颗粒物的粒径与形状测量装置由气溶胶束流进出样部件、光学采样部件和控制处理部件组成，其中的光学采样部件由气溶胶粒径光学采样器和气溶胶形状光学采样器组成。其中，
气溶胶束流进出样部件的组成为，一端为锥形进样外喷口16的外管21中同轴嵌套有其一端为锥形进样内喷口17的气溶胶透镜管20，抽气口22位于锥形进样外喷口16的下方。其中，气溶胶透镜管20的内腔中置有一片以上的、其孔径自上而下递减的中心为圆通孔的薄片。
气溶胶粒径光学采样器的组成为，红色激光器10及其光路上依次置有红色激光准直透镜组11、双折射晶体12、气溶胶测量作用区3和红色激光消光器14，以及椭球面反射镜13和雪崩二极管15。其中，红色激光器10为输出波长650nm的半导体激光器；双折射晶体12输出的两束分开方向与气溶胶粒子运动方向相平行的两束平行光的光斑均位于气溶胶测量作用区3中，即于气溶胶测量作用区3中形成两束与气溶胶粒子运动方向相互垂直的、间距0.1mm的1mm×0.1mm的椭圆光斑；椭球面反射镜13位于其中垂线与双折射晶体12输出光轴呈45°角的延长线上，且其一个焦点位于气溶胶测量作用区3中、另一个焦点位于雪崩二极管15上。
气溶胶形状光学采样器为紫色激光器1及其光路上依次置有的紫色激光准直聚焦透镜2、气溶胶测量作用区3、紫色激光消光器4、散射光选通光阑5、散射光耦合透镜组6、空间滤波光阑7、散射光分束聚焦透镜组8和光电探测阵面9。其中，紫色激光器1为输出波长405nm的半导体激光器；紫色激光准直聚焦透镜2的输出光束焦点位于气溶胶测量作用区3中，其光斑大小为1.0×0.2mm；气溶胶测量作用区3和紫色激光消光器4的间距为70mm；散射光选通光阑5为其上置有等方位角设置三只通光孔的光阑；散射光分束聚焦透镜组8由同一平面上等方位角设置的第一分束透镜8-1、第二分束透镜8-2和第三分束透镜8-3组成；光电探测阵面9由分别位于第一分束透镜8-1、第二分束透镜8-2和第三分束透镜8-3焦点处的第一光电倍增管9-1、第二光电倍增管9-2和第三光电倍增管9-3组成；光电探测阵面9的输出端与控制处理部件电连接。
气溶胶测量作用区3中的紫色激光准直聚焦透镜2的输出光束焦点位于双折射晶体12输出的两束平行光中下束光斑的下方0.8mm处。
大气颗粒物的粒径与形状测量装置的测量过程参见图1、图2、图3、图4和图5。
在控制处理部件的总体控制下，含有待测气溶胶粒子18的气流和经过滤的净化气流19分别经气溶胶透镜管20和外管21，以及锥形进样内喷口17和锥形进样外喷口16后，形成被净化气流19包裹着的较长准直度的待测气溶胶粒子18的气流束，并随着时间的推移而途径气溶胶测量作用区3后，抵达抽气口22被排出成为废气23。
含有待测气溶胶粒子18的气流束在途径气溶胶测量作用区3时，其中的待测气溶胶粒子18首先与气溶胶粒径光学采样器的双折射晶体12输出的两束平行光先后相遇，其散射光被椭球面反射镜13收集后送往雪崩二极管15，由雪崩二极管15产生如图3中的曲线30所示的双峰电信号，供控制处理部件将其转换为如图4中的粒径分布的该待测气溶胶粒子18的空气动力学直径，其余的未与待测气溶胶粒子18产生散射的光均由红色激光消光器14吸收，避免了干扰的发生。
之后，待测气溶胶粒子18于气溶胶测量作用区3中继续向下运动，途径气溶胶形状光学采样器的紫色激光准直聚焦透镜2输出的光束焦点中时，紫色激光作用于待测气溶胶粒子18，其产生的散射光经散射光选通光澜5上置有等方位角设置的三只通光孔选通透射，三方位角透射的散射光再经由三只透镜组成的散射光耦合透镜组6，聚焦至空间滤波光阑7，再由同一平面上等方位角设置的第一分束透镜8-1、第二分束透镜8-2和第三分束透镜8-3组成的散射光分束聚焦透镜组8聚焦，由分别对应位于第一分束透镜8-1、第二分束透镜8-2和第三分束透镜8-3焦点处的第一光电倍增管9-1、第二光电倍增管9-2和第三光电倍增管9-3组成的光电探测阵面9接收，得到如图3中的曲线40-1、曲线40-2和曲线40-3所示的电信号。紫色激光消光器4吸收其余的未与待测气溶胶粒子18产生散射的光，空间滤波光阑7更有效地滤除来自非三个选通光澜透射的散射光,避免了杂散光对探测信号的干扰。
控制处理部件收到曲线40-1、曲线40-2和曲线40-3所示的电信号后，基于这三只光电倍增管输出的电信号和其相对的位置信息，对待测气溶胶粒子18的形状采用如图5所示的散射强度三角图表示：三只光电倍增管(PMT)信号强度的分布。由于不同形状的气溶胶粒子有着非常明显的散射强度三角图，故其经控制处理部件的分析、处理后，即可得出待测气溶胶粒子18的形状。
散射强度三角图的定义表述为：
假定三只PMT的信号强度分别为P1、P2、P3，则
在散射强度三角图中，图中的E1、E2、E3的范围都是0～1，每一组数据的E1+E2+E3＝1。
若待测气溶胶粒子18的形状为球形，理论上三只PMT的信号强度(P1、P2、P3)相等，则在散射强度三角图中每组E的值均为0.333，其在散射强度三角图中的数据点会集中在中心区域；这与实测油酸的气溶胶球形粒子的结果相同，即得到如图5a所示的散射强度三角图。
若待测气溶胶粒子18的形状为长柱形(非球形)，三只PMT的信号强度(P1、P2、P3)的差别较大，很少有数据信号强度接近，其在散射强度三角图中的数据点会出现中间较少、周边较为集中的状况；这与实测核黄素的气溶胶长柱形粒子的结果相同，即得到如图5b所示的散射强度三角图。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的大气颗粒物的粒径与形状测量装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种大气颗粒物的粒径与形状测量装置，由气溶胶束流进出样部件、光学采样部件和控制处理部件组成，其中的光学采样部件含有气溶胶粒径光学采样器，其特征在于：
所述光学采样部件还设置有其采样光路位于气溶胶粒径光学采样器采样光路下方的气溶胶形状光学采样器；
所述气溶胶形状光学采样器为紫色激光器(1)及其光路上依次置有的紫色激光准直聚焦透镜(2)、气溶胶测量作用区(3)、紫色激光消光器(4)、散射光选通光阑(5)、散射光耦合透镜组(6)、空间滤波光阑(7)、散射光分束聚焦透镜组(8)和光电探测阵面(9)，其中，紫色激光准直聚焦透镜(2)的输出光束焦点位于气溶胶测量作用区(3)中，光电探测阵面(9)的输出端与控制处理部件电连接；
所述气溶胶粒径光学采样器为红色激光器(10)及其光路上依次置有红色激光准直透镜组(11)、双折射晶体(12)、气溶胶测量作用区(3)和红色激光消光器(14)，以及椭球面反射镜(13)和雪崩二极管(15)，其中，双折射晶体(12)输出的两束分开方向与气溶胶粒子运动方向相平行的两束平行光的光斑均位于气溶胶测量作用区(3)中，椭球面反射镜(13)位于其中垂线与双折射晶体(12)输出光轴呈30～60°角的延长线上，且其一个焦点位于气溶胶测量作用区(3)中、另一个焦点位于雪崩二极管(15)上。
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是紫色激光器(1)为输出波长405nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是气溶胶测量作用区(3)和紫色激光消光器(4)的间距为60～80mm。
4.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是散射光选通光阑(5)为其上置有等方位角设置三只通光孔的光阑。
5.根据权利要求4所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是散射光分束聚焦透镜组(8)由同一平面上等方位角设置的第一分束透镜(8-1)、第二分束透镜(8-2)和第三分束透镜(8-3)组成。
6.根据权利要求5所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是光电探测阵面(9)由分别位于第一分束透镜(8-1)、第二分束透镜(8-2)和第三分束透镜(8-3)焦点处的第一光电倍增管(9-1)、第二光电倍增管(9-2)和第三光电倍增管(9-3)组成。
7.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是气溶胶束流进出样部件的组成为，一端为锥形进样外喷口(16)的外管(21)中同轴嵌套有其一端为锥形进样内喷口(17)的气溶胶透镜管(20)，抽气口(22)位于锥形进样外喷口(16)的下方，其中，气溶胶透镜管(20)的内腔中置有一片以上的、其孔径自上而下递减的中心为圆通孔的薄片。
8.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是红色激光器(10)为输出波长650nm的半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的大气颗粒物的粒径与形状测量装置，其特征是气溶胶测量作用区(3)中的紫色激光准直聚焦透镜(2)的输出光束焦点位于双折射晶体(12)输出的两束平行光中下束光斑的下方0.5～1mm处。
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