CN106556557A - 一种测量气溶胶浓度的光学测量腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，包括光学测量腔体，光学测量腔体内依次设有光聚焦组件、光阻、光阑、光收集组件以及光电探测器组件；光聚焦组件用于接收光学测量腔体外传射的入射光，并将该入射光汇聚后入射到光阑处；光阻用于遮挡入射光汇聚至光阑处，当无气溶胶粒子通过光阑处时，该位置为暗区，当气溶胶粒子通过光阑处时，在入射光的作用下气溶胶粒子发生散射，光阑处有散射光；光收集组件用于收集光阑处传射的散射光，并将其汇集到光电探测器组件上，光电探测器组件将光信号转换为电信号，再通过电信号处理模块获得气溶胶浓度。本发明的光学测量腔，粒径测量范围宽、测量精度高、速度快，可对排放源远距离、实时在线的连续测量。

Description

一种测量气溶胶浓度的光学测量腔

技术领域

本发明属于气溶胶测量领域，具体涉及一种测量气溶胶浓度的光学测量腔。

背景技术

邻苯二甲酸二辛酯法(又称DOP法)是进行核级高效过滤器现场泄漏率试验的标准方法之一，其原理是在高效过滤器前端采用气溶胶发生器发生一定粒径分布的气溶胶粒子，同时使用气溶胶检测仪来测量高效过滤器过滤前和过滤后的气溶胶粒子浓度以计算获得高效过滤器的泄漏率，从而依据相关标准来判别高效过滤器的有效性。该方法中通常采用PAO(聚阿尔法烯烃)油做为气溶胶原液，也可采用DOS(癸二酸二异辛酯)等其他试剂作为气溶胶原液，因此该方法的关键技术是气溶胶粒子浓度的测量。

气溶胶浓度的测量方法有滤膜称重法、压电晶体法、电荷法、β射线吸收法、微量振荡天平法、光散射法等。近几十年来，随着光学技术及微电子技术的迅速发展，光散射法得到了快速的发展，成为越来越被广泛应用的测量各种气溶胶浓度的一种方法。相比于其它方法，光散射法适用性广、粒径测量范围宽、测量精度高、测量速度快、装置安装方便、可对排放源进行远距离、非接触、实时在线的连续测量。在核空气净化系统高效过滤器的现场试验中，需要实时在线连续测量PAO气溶胶粒子的浓度。

试验中气溶胶发生器发生出的液态PAO气溶胶球型粒子，其粒径分布98％以上集中在0.3μm左右，本发明采用了近前向光散射法测量气溶胶浓度，为此设计出了一套光学测量腔，该光学测量腔适用于在一定波长的入射光作用下，前向散射大于后向散射的气溶胶粒子的测量。该光学测量腔的发明解决了核级高效过滤器现场试验方法(邻苯二甲酸二辛酯法)中的关键技术，同时该光学测量腔也可用于超细颗粒物浓度或其他气溶胶浓度的测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，适用性广、粒径测量范围宽、测量精度高、测量速度快、安装方便，并可对排放源进行远距离、非接触、实时在线的连续测量。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：包括光学测量腔体，所述光学测量腔体内依次设有光聚焦组件、光阻、光阑、光收集组件以及光电探测器组件；所述光聚焦组件用于接收光学测量腔体外传射的入射光，并将该入射光汇聚后入射到光阑处，所述光阻用于在无气溶胶粒子通过光阑处时，阻挡汇聚光入射至光阑处，当有气溶胶粒子通过光阑处时，在入射光的作用下将通过的气溶胶粒子发生散射，光阑处产生散射光；所述光收集组件用于收集光阑处传射的散射光，并将其汇集到光电探测器组件上。

进一步，所述光学测量腔体在靠近光聚焦组件的一侧设有光源组件。

进一步，所述光源组件、光聚焦组件以及光收集组件均可轴向调整。

进一步，所述光聚焦组件为聚焦透镜组件。

进一步，所述光收集组件为收集透镜组件。

进一步，所述光学测量腔体选用聚甲醛材料制成，光学测量腔体内外表面均采用喷砂工艺处理。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明采用近前光散射法测量气溶胶浓度，通过选择合适的光源、光电信号处理模块以及气溶胶采样系统的连接方法，可测量亚微米级气溶胶粒子的质量溶度，其检测灵敏度高达10^-4μg/l，浓度线性测量范围可达1：10⁶；

(2)光学测量腔中各组件之间的相对位置可进行轴向微调，从而准确地确定最佳的光学位置，提高系统探测灵敏度；

(3)光学测量腔采用黑色聚甲醛材料，其内外表面均经过了喷砂工艺处理，最大限度地避免了光的漫反射，有效去除杂散光的影响，提高了测量气溶胶浓度的灵敏度；

(4)结构紧凑、体积小、重量轻，可对排放源进行远距离、非接触、实时在线的连续测量。

附图说明

图1是本发明测量气溶胶浓度的光学测量腔的结构示意图。

图2、3是光聚焦组件几何光学原理图；

图4是光源及光阑位置图。

图中：

1-光源组件 2-光学测量腔体 3-光聚焦组件 4-光阻

5-光阑 6-光收集组件 7-光电探测器组件 8-定位螺钉

9-信号处理模块

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明提供的测量气溶胶浓度的光学测量腔，该光学测量腔包括光学测量腔体2，光学测量腔体2内依次设有光聚焦组件3、光阻4、光阑5、光收集组件6以及光电探测器组件7。在光学测量腔体2的一侧设有光源组件1。

其中，光源组件1包括光源架以及设置在光源架上的光源体，该光源体可在光源架上做轴向位移，用以保证最佳的光学位置。在确定最佳的位置后，通过螺钉将其锁紧。

光学测量腔体2的内部设置不同形状的腔体结构，其形状的设计根据各部件安装需要确定。光学测量腔体2选用聚甲醛材料，优选黑色聚甲醛，其内外表面均经过了喷砂工艺处理，最大限度地避免了光的漫反射，有效地去除了杂散光的影响，提高了气溶胶浓度测量的灵敏度。另外，该光学测量腔结构设计精巧、各组件之间的位置可调，可精准地找到最佳的光学位置，提高了系统的探测灵敏度。

光聚焦组件3为聚焦透镜组件，该聚焦透镜组件包括两个对应设置的凸透镜以及用于设置凸透镜的支撑套筒，凸透镜能够在支撑套筒内做轴向调整，调整后通过定位螺钉8定位，从而实现了光学测量腔在实际测量中可调整到最佳的灵敏度位置。

光阻4设置在感光体上，感光体设置在支撑套筒上，光阻的直径大小根据需要确定。光阻用于在无气溶胶粒子通过光阑处时，阻挡汇聚光入射至光阑处，该位置为暗区，当有气溶胶粒子通过光阑处时，在入射光的作用下将通过的气溶胶粒子发生散射，光阑处产生散射光。

光阑5用于控制成像大小和成像范围，其位置和孔径大小根据需要确定。

光收集组件6为收集透镜组件，该收集透镜组件包括平凸透镜以及用于安装平凸透镜的支座，支座与光学测量腔体2之间采用细牙螺纹连接，从而光收集组件6可在光学测量腔体2内进行轴向位置的微调节，保证最佳的光学位置，提高探测的灵敏度。

光电探测器组件7设置在腔体的端盖上，用于接收收集透镜组件传输的入射光，并将该入射光通过信号处理模块9转化成电信号，实现光电转换，再通过微处理器运算分析后，输出端显示出相应的气溶胶浓度值。

本发明为了避免杂散光以及漫反射的影响，光学测量腔主体、前后端盖、光阻、光阑、收集透镜支座、聚焦透镜支撑套筒等均采用黑色聚甲醛材料，并且内外表面均经过喷砂工艺处理。

本发明光学测量腔的测量原理是：入射光源1经过光学测量腔2中的光聚焦组件3，入射光汇聚于光敏感区，而由于光阻4的作用使得光敏感区为暗区，无气溶胶粒子通过光敏感区时，光电二极管输出的本底电流值很小，当气溶胶粒子通过光学测量腔的光敏感区域时，气溶胶粒子发生散射，散射光经过光阑5确定成像大小后由光收集组件6将其收集汇聚到光电探测器组件7上，光电探测器组件7将光信号转换成电流信号，实现光电转换，电流信号再通过信号处理单元及微处理器运算分析后，输出端显示出相应的气溶胶浓度值。气溶胶粒子的浓度与散射光强度成正比关系，通过探测气溶胶粒子散射光的强度就可以间接地测量出气溶胶的浓度。

本发明通过几何光学原理计算得出光学测量腔各组件之间的相对位置关系，建立实验台架，实验验证后绘制出光路图，确定出光学测量腔的内部结构尺寸。

依据几何光学原理的计算如下：

(1)求两个聚焦透镜的曲率半径、主点、主平面

选直径D为φ40mm，f焦距为63mm的两个平凸透镜作为一对聚焦透镜，根据透镜焦距公式，可计算出透镜的曲率半径。

透镜焦距公式：

其中：f-透镜焦距；n-透镜折射率；d-透镜厚度；r1,r2-透镜前后两面的曲率半径；

对于平凸透镜L1，如图2所示：

已知f＝f1＝－f1＝－63mm，r1＝∞，r2＜0，n＝1.5，d＝9.38mm，代入透镜焦距公式可得曲率半径：r2＝－31.5mm

主点H，H'的位置：

L_H′＝L_O′H′＝0

由此可确定主平面OH,O’H’的位置。

同理，对于平凸透镜L2，如图3所示：

已知f＝f2＝－f2’＝－63mm，r1＞0，r2＝∞，n＝1.5，d＝9.38mm，代入透镜焦距公式可得曲率半径：r1＝31.5mm

主点H,H'的位置：

L_H＝L_OH＝0

由此可确定主平面OH，O’H’的位置。

(2)求聚焦透镜组的焦距、焦点及主点

由平凸透镜L1、L2构成一组聚焦透镜组，根据几何光学原理可求出组合系统的主点、主平面、焦点、焦距。

(3)确定了聚焦透镜组合系统的焦点之后就可以确定光源及光阑的位置，分别为F处和Fˊ处，如图4所示。

(4)收集透镜的曲率半径、主点、主平面、焦点及焦距的确定，与上述聚焦透镜的原理相同，此处对收集透镜的曲率半径、主点、主平面、焦点及焦距的确定，不再赘述。

(5)光电探测器应放置在收集透镜的焦点处。

由上述计算可以确定光学元器件的相对位置关系。其中光阻尺寸φ25，光阑孔径φ6，光电转换器选用PerkinElmer VTS3082光电二极管。

本发明聚焦透镜选用一对直径40mm、焦距63mm的平凸透镜，收集透镜选用直径20mm、焦距63的平凸透镜，光阻直径为25mm,光阑直径为6mm。因光源组件相对于聚焦透镜组件的轴向位置可调节，聚集透镜组件在光学测量腔内可做轴向位移来调整相对于光阑的位置，收集透镜组件在光学测量腔中的轴向位置通过螺纹进行微调节。由此，光学测量腔在实际测量中可调整到最佳的光学灵敏度位置。

本发明中的光学测量腔通过选择合适的光源、光电信号处理模块、以及气溶胶采样系统的连接方法就可用于测量在特定的入射光作用下前向散射大于后向散射的气溶胶粒子(液态或固态)的质量浓度。该测量腔可以用于探测多种类型及不同粒径范围的气溶胶粒子浓度，具有探测浓度范围宽且灵敏度高的特性，因而特别适用于上、下游气溶胶浓度测量比较计算的工业应用情况，也可推广应用于超细颗粒物浓度的测量或其他气溶胶浓度的测量领域。

本发明的测量气溶胶浓度的光学测量腔并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (6)

1.一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，包括光学测量腔体(2)，其特征是：所述光学测量腔体(2)内依次设有光聚焦组件(3)、光阻(4)、光阑(5)、光收集组件(6)以及光电探测器组件(7)；所述光聚焦组件(3)用于接收光学测量腔体(2)外传射的入射光，并将该入射光汇聚后入射到光阑(5)处，所述光阻(4)用于在无气溶胶粒子通过光阑处时，阻挡汇聚光入射至光阑处，当有气溶胶粒子通过光阑处时，在入射光的作用下将通过的气溶胶粒子发生散射，光阑处产生散射光；所述光收集组件(6)用于收集光阑(5)处传射的散射光，并将其汇集到光电探测器组件(7)上。

2.如权利要求1所述的一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，其特征是：所述光学测量腔体(2)在靠近光聚焦组件(3)的一侧设有光源组件(1)。

3.如权利要求2所述的一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，其特征是：所述光源组件(1)、光聚焦组件(3)以及光收集组件(6)均可轴向调整。

4.如权利要求3所述的一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，其特征是：所述光聚焦组件(3)为聚焦透镜组件。

5.如权利要求4所述的一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，其特征是：所述光收集组件(6)为收集透镜组件。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种测量气溶胶浓度的光学测量腔，其特征是：所述光学测量腔体(2)选用聚甲醛材料制成，光学测量腔体(2)内外表面均采用喷砂工艺处理。