CN106018197B - 基于单光源的颗粒物在线监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于单光源的颗粒物在线监测装置及方法，装置包括：单个光源，所述单个光源发出圆偏振光；双折射晶体，所述圆偏振光穿过所述双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并穿过检测区域；探测器，所述探测器用于将颗粒物分别经过所述两束线偏振光的散射光信号转换为电信号，并分别送分析单元；分析单元，所述分析单元根据接收到的电信号而获知检测区域内颗粒物的粒径。本发明具有检测效率高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及大气监测，特别涉及基于单光源的颗粒物在线监测装置及方法。
背景技术
近年来发展起来的基于质谱分析技术的大气颗粒物在线分析方法既可以实现对大气颗粒物化学成分的在线分析，又可以实时对大气颗粒物粒径进行检测。其基本实现过程为先利用双光束测径法测量颗粒物粒径，然后经脉冲激光器将颗粒物离子化，电离化后的离子由质量分析器检测。其中采用的双光束测径法是通过测量颗粒物经两束固定间距光束的时间，由测得时间与标准颗粒物粒径校准关系，可知颗粒物的粒径大小。
现有的双光束测径法普遍采用两个连续激光器发射两束测径激光和两个光电倍增管分别探测粒子散光的方法。而由于采用两个激光器，两者的放置间距有一定的限制(不能太近)。在已有的仪器中，双光束的间距一般在几个厘米以上，粒子通过两束激光的距离较长，增加了粒子飞行距离，从而降低了粒子测径效率，增多了粒子误触发概率。同时，粒子的电离点与第二束测径激光的距离一般在十几厘米以上，粒子从经过第一束测径激光到被电离，飞行了相当长的距离，导致粒子电离率降低，并对气溶胶进样系统的聚焦准直性提高了要求。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种检测效率高、成本低、体积小的基于单光源的颗粒物在线监测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于单光源的颗粒物在线监测装置，所述颗粒物在线监测装置包括：
单个光源，所述单个光源发出圆偏振光；
双折射晶体，所述圆偏振光穿过所述双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并穿过检测区域；
探测器，所述探测器用于将颗粒物分别经过所述两束线偏振光的散射光信号转换为电信号，并分别送分析单元；
分析单元，所述分析单元根据接收到的电信号而获知检测区域内颗粒物的粒径。
根据上述的颗粒物在线监测装置，可选地，所述单个光源包括：
单个线偏振光光源；
转换器件，所述转换器件用于将所述单个线偏振光光源的输出光转换为圆偏振光。
根据上述的颗粒物在线监测装置，优选地，所述转换器件是波片。
根据上述的颗粒物在线监测装置，优选地，所述探测器为单个。
根据上述的颗粒物在线监测装置，可选地，所述颗粒物在线监测装置进一步包括：
成分分析单元，所述成分分析单元包括：
电离光源，所述电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；
质量分析器，所述质量分析器用于分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
根据上述的颗粒物在线监测装置，优选地，所述电离光源为紫外脉冲激光器。
本发明还提供了基于单光源的颗粒物在线监测方法，有效地提高了检测效率、降低了误判率、运行成本。该发明目的是通过以下技术方案实现的：
基于单光源的颗粒物在线监测方法，所述颗粒物在线监测方法包括以下步骤：
(A1)单个光源发出的圆偏振光穿过双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光；
(A2)在检测区域内，颗粒物分别通过所述两束线偏振光，利用散射光信号获得颗粒物的通过时间，并送分析单元；
(A3)分析单元根据所述通过时间获得颗粒物的粒径。
根据上述的颗粒物在线监测方法，优选地，在步骤(A3)中，所述分析单元利用通过时间-粒径的映射关系而获的颗粒物的粒径。
根据上述的颗粒物在线监测方法，优选地，在步骤(A2)中，利用单个探测器检测颗粒物分别通过所述两束线偏振光时的散射光信号，从而获得所述通过时间。
根据上述的颗粒物在线监测方法，可选地，所述颗粒物在线监测方法进一步包括以下步骤：
(A4)电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；
(A5)质量分析器分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.本发明创造性地利用了光的偏振特性，利用双折射晶体将圆偏振光分成相距较近的偏振方向相互垂直的两束线偏振光，有效地降低了颗粒物飞行距离，提高粒子测径效率和电离率，减少同一事件误判概率；
2.本发明仅使用单个光源就可实现粒径测量，降低了装置成本和体积，同时也有利于装置调试；
进一步地，仅使用单个探测器，如光电倍增管，显著地降低了装置制造成本和运行成本。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的基于单光源的在线监测装置的结构简图；
图2是根据本发明实施例的基于单光源的在线监测方法的流程图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的基于单光源的颗粒物在线监测装置的结构简图，如图1所示，所述颗粒物在线监测装置包括：
单个光源，所述单个光源发出圆偏振光；所述圆偏振光由所述单个光源直接发出，或者先发出线偏振光再转换为圆偏振光；
双折射晶体，所述圆偏振光穿过所述双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并穿过检测区域；
探测器，如光电倍增管，所述探测器用于将颗粒物分别经过所述两束线偏振光的散射光信号转换为电信号，并分别送分析单元；
分析单元，所述分析单元根据接收到的电信号而获知检测区域内颗粒物的粒径，具体为：利用探测器检测颗粒物分别通过所述两束线偏振光时的散射光信号，从而获得所述通过时间；再根据通过时间-粒径的映射关系而获的颗粒物的粒径。
图2示意性地给出了本发明实施例的基于单光源的颗粒物在线监测方法的流程图，如图2所示，所述颗粒物在线监测方法包括以下步骤：
(A1)单个光源发出的圆偏振光穿过双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光；所述圆偏振光由所述单个光源直接发出，或者先发出线偏振光再转换为圆偏振光；
(A2)在检测区域内，颗粒物分别通过所述两束线偏振光，利用散射光信号获得颗粒物的通过时间，并送分析单元；
(A3)分析单元根据所述通过时间获得颗粒物的粒径，具体为：利用探测器检测颗粒物分别通过所述两束线偏振光时的散射光信号，从而获得所述通过时间；再根据通过时间-粒径的映射关系而获的颗粒物的粒径。
实施例2：
根据本发明实施例1的在线监测装置及方法在大气监测中的应用例。
如图1所示，在该应用例中，所述单个光源包括：发出线偏振光的激光器1，会聚透镜2，反射镜3，用于将线偏振光转换为圆偏振光的波片4；会聚透镜5，双折射晶体6，所述探测器为单个光电倍增管；成分分析单元，包括：电离光源，如紫外脉冲激光器，电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；质量分析器用于分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
基于单光源的颗粒物在线监测方法，如图2所示，所述颗粒物在线监测方法包括以下步骤：
(A1)激光器发出线偏振光，之后穿过波片，转换出的圆偏振光穿过双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光；
(A2)在检测区域内，颗粒物分别通过所述两束线偏振光，利用单个探测器检测颗粒物分别通过所述两束线偏振光时的散射光信号，从而获得所述通过时间；
(A3)分析单元利用通过时间-粒径的映射关系而获的颗粒物的粒径；
(A4)电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；
(A5)质量分析器分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
Claims (8)
1.一种基于单光源的颗粒物在线监测装置，其特征在于：所述颗粒物在线监测装置包括：
单个光源，所述单个光源发出线偏振光；
双折射晶体，圆偏振光穿过所述双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并穿过检测区域；
探测器，所述探测器用于将颗粒物分别经过所述两束线偏振光的散射光信号转换为电信号，并分别送分析单元；
分析单元，所述分析单元根据接收到的电信号而获知检测区域内颗粒物的粒径；
第一反射镜，所述第一反射镜将所述光源输出的线偏振光反射到转换器件；所述光源和双折射晶体处于所述第一反射镜的同一侧；
转换器件，所述转换器件设置在第一反射镜和第二反射镜之间，用于将所述光源输出的线偏振光转换为圆偏振光；
第二反射镜，所述第二反射镜将所述圆偏振光反射到所述双折射晶体；所述光源和双折射晶体处于所述第二反射镜的同一侧；
成分分析单元，所述成分分析单元包括：
电离光源，所述电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；
质量分析器，所述质量分析器用于分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
2.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测装置，其特征在于：所述转换器件是波片。
3.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测装置，其特征在于：所述探测器为单个。
4.根据权利要求1所述的颗粒物在线监测装置，其特征在于：所述电离光源为紫外脉冲激光器。
5.基于单光源的颗粒物在线监测方法，所述颗粒物在线监测方法包括以下步骤：
（A1）单个光源发出的线偏振光被第一反射镜反射到转换器件；光源和双折射晶体处于所述第一反射镜的同一侧；
转换器件将所述光源输出的线偏振光转换为圆偏振光；
第二反射镜将所述圆偏振光反射到双折射晶体；所述光源和双折射晶体处于所述第二反射镜的同一侧；
圆偏振光穿过双折射晶体，分出偏振方向相互垂直的两束线偏振光；
（A2）在检测区域内，颗粒物分别通过所述两束线偏振光，利用散射光信号获得颗粒物的通过时间，并送分析单元；
（A3）分析单元根据所述通过时间获得颗粒物的粒径。
6.根据权利要求5所述的颗粒物在线监测方法，其特征在于：在步骤（A3）中，所述分析单元利用通过时间-粒径的映射关系而获的颗粒物的粒径。
7.根据权利要求5所述的颗粒物在线监测方法，其特征在于：在步骤（A2）中，利用单个探测器检测颗粒物分别通过所述两束线偏振光时的散射光信号，从而获得所述通过时间。
8.根据权利要求5所述的颗粒物在线监测方法，其特征在于：所述颗粒物在线监测方法进一步包括以下步骤：
（A4）电离光源发出的电离光电离经过所述两束线偏振光后的颗粒物；
（A5）质量分析器分析离子化后的颗粒物，从而获知颗粒物的成分。
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