CN106769696A - 一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法和装置，该方法包括以下步骤：探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对90‑120度范围内的特定散射角度下的散射偏振光进行测量；提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量S，根据Stokes矢量计算得到如下特征偏振参量Pdop；根据Pdop的值分析和确定颗粒物吸收属性，并可由此鉴别炭黑颗粒物。本发明操作简单快捷，测量范围广，局限性小，减少了探测器的数量，降低了成本。

Description

一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法和装置

技术领域

本发明涉及颗粒物检测技术领域，特别是涉及一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法和装置。

背景技术

炭黑主要是燃料燃烧排放出对光具有高吸收性的典型颗粒物，炭黑对可见光波段的吸收性较强。对炭黑的测量方法主要有光热法，光声法和光散射法。光声法对测量炭黑颗粒物精度主要受含碳物质颗粒物影响，或其它颗粒物在高能量激光照射下生成含碳化合物(CH4)对测量结果产生影响；而且光声法与光热法队器件密闭性有较高要求，保证测量腔内压力恒定等精密条件。光散射法则多通过测量透射光强度与入射光强度对照得到消光系数，炭黑颗粒物对光主要产生吸收作用，散射系数较小，以近似的方法认为测得的消光系数为吸收系数，这种方法也会存在测量和计算误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服原有光散射颗粒物光学属性分析方法的不足，提供一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法，包括以下步骤：

探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对90-120度范围内的特定散射角度下的散射偏振光进行测量；

提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量S，根据Stokes矢量计算得到如下特征偏振参量Pdop：

Pdop＝U/I

其中I代表光的总强度或0°光强I₀和90°光强I₉₀之和；Q代表0°光强I₀和90°光强I₉₀的差；U代表45°光强I₄₅和135°光强I₁₃₅的差；V代表右旋和左旋圆偏光强的差；

根据Pdop的值分析和确定颗粒物吸收属性，并可由此鉴别炭黑颗粒物。

进一步地：

所述特定散射角度为105度。

所述偏振通道包括45度偏振通道和135度偏振通道。

所述偏振通道包括对称设置的两个45度偏振通道和两个135度偏振通道。

根据Pdop的值对颗粒物吸收属性的特异性表征，将颗粒物区分为炭黑、水溶性无机盐或沙尘。

使用光源为输出波长532nm输出功率50mW的He-Ne激光器，将粒径在0.3μm-10μm的颗粒物以2L/min的流速通过测量区，并对其散射光进行探测。

一种用于所述的颗粒物形态测量方法的测量装置，包括激光器、光阑、线性偏振片、一分多光纤束、测量光腔、喷嘴和探测器，所述一分多光纤束设置在90-120度范围内的特定散射角度上，并在光纤束前端装配有偏振薄膜以形成散射光的偏振通道，优选为45度偏振通道和135度偏振通道，所述激光器发出的光经过光阑之后由所述线性偏振片调制为特定的偏振态，在通过所述测量光腔过程中经所述喷嘴喷出的颗粒物散射后，散射偏振光通过所述一分多光纤束进入散射光的偏振通道，再由所述探测器探测。

进一步地：

所述特定散射角度为105度。

所述一分多光纤束为一分二光纤束，所述一分二光纤束上形成一个45度偏振通道和一个135度偏振通道，或者所述一分多光纤束为一分四光纤束，所述一分四光纤束上形成对称设置的两个45度偏振通道和两个135度偏振通道。

所述特定的偏振态为45度的偏振态。

本发明的有益效果：

本发明提出的测量方法能够基于光的偏振散射特性的表征炭黑颗粒物吸收属性，不同于以往光散射测量，本发明在光入射到样品中和接收到探测器中的光分别具有偏振光学特征，不同颗粒物散射过程中颗粒物的散射吸收属性不仅反映在散射强度上，更能敏感地影响偏振光学特征，偏振散射的测量模式可以有效降低传统光散射成分分析对角度和波长信息的要求。偏振测量增加了获取颗粒物属性信息的维度，对找到表征具有吸收属性的炭黑颗粒物的偏振参量提供理论基础。本发明继承了光散射法较其它方法成本低，操作简单快捷，测量范围广，局限性小的优点；在此基础上，又减少了探测器的数量，进一步降低了成本，简化了测量仪结构。

附图说明

图1本发明基于偏振散射特征的颗粒物吸收属性测量装置一种实施例的示意图；

图2a和图2b为本发明一种实施例的一分四光纤束的内部侧视图和主视图；

图3a和图3b为本发明一种实施例的一分四光纤束的外部侧视图和主视图；

图4为本发明基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法一种实施例的流程图；

图5为三种成分颗粒物(主要有炭黑，水溶性无机盐和沙尘)在45度线性偏振光入射散射在105度散射角测量得到的Pdop值；

图6a为炭黑和水溶性无机盐混合得到的Pdop随不同质量比例的变化曲线，图6b为炭黑和沙尘混合得到的Pdop随不同质量比例的变化曲线。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法，包括以下步骤：

探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对90-120度范围内的特定散射角度下的散射偏振光进行测量；

提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量S，根据Stokes矢量计算得到如下特征偏振参量Pdop：

Pdop＝U/I

其中I代表光的总强度或0°光强I₀和90°光强I₉₀之和；Q代表0°光强I₀和90°光强I₉₀的差；U代表45°光强I₄₅和135°光强I₁₃₅的差；V代表右旋和左旋圆偏光强的差；

根据Pdop的值分析和确定颗粒物吸收属性，并可由此检测炭黑颗粒物。

参阅图1至图4，在另一种实施例中，一种用于所述的颗粒物形态测量方法的测量装置，包括激光器S、光阑a1、a2、线性偏振片L、一分多光纤束fb、测量光腔mc、喷嘴Jet和探测器，所述一分多光纤束设置在90-120度范围内的特定散射角度上，并在光纤束前端装配有偏振薄膜以形成散射光的偏振通道，优选为45度偏振通道和135度偏振通道，所述激光器发出的光经过光阑之后由所述线性偏振片调制为特定的偏振态，在通过所述测量光腔过程中经所述喷嘴喷出的颗粒物散射后，散射偏振光通过所述一分多光纤束进入散射光的偏振通道，再由所述探测器探测。

根据本发明实施例的颗粒物测量方法，第一步：利用偏振测量特定角度下颗粒物的散射偏振光进行测量；第二步：提取散射光的偏振通道电压，计算Stokes矢量S，根据Stokes矢量计算得到偏振参量Pdop。

其原理是，利用Mie散射理论，偏振光对不同结构和分布属性的粒子散射光强分布和偏振态变化规律不同，通过检测散射光强的偏振特征可以分析评估散射微粒组成。对入射的偏振光和检偏的散射光可以建立表示其光强和偏振态的Stokes矢量，可以得到偏振参量。其中，Stokes矢量的数学表达形式是，

Stokes矢量中的I代表光的总强度或0°和90°光强之和；Q代表0°和90°光强的差；U代表45°和135°光强的差；V代表右旋和左旋圆偏光强的差。I为总光强，因此除了分解成0°和90°光强之和以外，也可以写成45°和-45°或者左旋和右旋光强之和。Q表示探测光变为0°或90°的倾向，若Q＞0则表明出射光更容易变成0°偏振方向。U表示探测光变为45°或-45°的倾向，若U＞0则出射光更容易变成45°偏振方向。V表示探测光变为右旋或左旋圆偏振的倾向，若V＞0则出射光更容易变成右旋圆偏振。我们由Stokes矢量，直接利用下式(2)计算得到本发明给出的偏振参量Pdop：

Pdop＝U/I (2)

发明人发现，通过测量散射后的stokes矢量得到散射光的Pdop，用Pdop对吸收属性的特异性表征可以将炭黑与砂砾、无机盐区分出来，而且发明人还发现，Pdop受颗粒物粒径变化影响较小，具有在小粒径情况下的特异性表征。

偏振参数对不同颗粒物成分表现出不同反应，而且偏振参量的这种表征受到在粒径变化范围在0.3μm-10μm内影响较小，即不随着粒径的变化表征发生重大变化。通过设计气路可以使颗粒物以一定的速度通过测量区，但颗粒物的分散性对测量起到决定性作用，测量准备阶段样本的分散是关键的步骤之一。在测量角度105度下得到散射光偏振参量，对测量信号进行处理计算识别，从而获取表征炭黑的偏振参量的值。

使用时，先对系统校准，对信号采集系统调整，消除背景散射光强度，并消除其它电磁干扰，保证采集到的数据的准确性。对样本进行除湿分散，由于运输过程中的疏忽和空气湿度较高，样本在实验前已经呈块状，因此对样本重新分散处理。然后再把制备的实验样品通过气泵泵入到测量腔中，为保证样品能按垂直于测量光路的方向运行，加工样本入口处的喷嘴，让气流变细，使样本被变细的气流通过测量区。最后通过光电倍增管得到散射光强，通过采集卡和数据存储设备存储测量数据，最后计算得到偏振参量，可区分炭黑成分。

具体的测量步骤如下：

第一步，系统校准，把光学元件和测量腔都放在与激光光路一条直线上，偏振片、光阑表面与激光垂直，避免倾斜导致获取不准确的偏振态和非平面光。

第二步，制备的样本通过空气泵吸入到测量腔中，入射端的偏振片方向是45度(以实验室坐标系为参考系)，105度接收端偏振片使用一分四光纤束实现，在光纤束集合端对角线的光纤束前装配相同方向的偏振膜，方向分别为45度和135度，这样可以同时得到散射光45度和135度偏振通道的四个电压脉冲值，同时对角线两通道用来对比测量结果以及计算平均减小测量误差。光纤束集合端直径为15mm，光纤束空间距离为5mm，接收通道的直径为20mm长度为150mm，可以认为接收端的光在空间上的偏振态和方向没有变化。

第三步，测量得到了颗粒物在四个偏振通道下的电脉冲，利用一定筛选机制和脉冲处理得到相应的U分量和I分量，计算得到Pdop值，对炭黑颗粒物进行分析表征。

下面将通过实例来详细描述本发明。

测量系统：本测量系统使用光源为输出波长532nm输出功率50mW的He-Ne激光器。

实例一：

样品：炭黑，沙子，无机盐单组份成分测量。

鉴别步骤：

(1)颗粒物以2L/min的流速通过测量区，分散质量为10g样本用负压吸入并分散在30×40×40cm的箱体中，然后再通过喷嘴进入到测量区。对确定的入射偏振光测量得到散射后的45度和135度通道的电压值，这里选取了散射角度105度的Stokes矢量分析。。

(2)对测得的电压值进行处理和筛选，对符合标准的脉冲积分，由45度通道和135度通道计算得到U分量和I分量得到Pdop，柱状图。

(3)为保证实验的可靠性，一次实验对一个组分的样本进行十次以上有效实验，对每次实验计算得到结果，然后计算Pdop在每个组分下的平均值和方差，验证实验的可靠性。

图5表示实例一所用的三种成分颗粒物(主要有炭黑，水溶性无机盐和沙尘)在45度线性偏振光入射散射在105度散射角测量得到的Pdop值，中心粒径为6μm。其中横轴为三种不同的颗粒物，从左到右分别是炭黑，水溶性无机盐，沙尘，蓝色柱形为实验Pdop值的平均值，棕色柱形对应于他们的方差，炭黑具有明显的光吸收性，Pdop值为负值；水溶性无机盐和沙尘具有很弱的吸收性或不具有吸收性，Pdop值为正，而且方差在0.1以下，实验结果是可靠的。

实例二：

样品：炭黑与沙尘，炭黑与水溶性无机盐双组份按质量比例混合

鉴别步骤：

(1)颗粒物以2L/min的流速通过测量区，分散质量为10g样本用负压吸入并分散在30×40×40cm的箱体中，然后再通过喷嘴进入到测量区。对确定的入射偏振光测量得到散射后的45度和135度通道的电压值，这里选取了散射角度105度的Stokes矢量分析，炭黑分别和水溶性无机盐、沙尘按质量比例混合，具体比例为10:1，3:1,1:1,1:3,1:10五种混合比例，混合仅仅做物理混合，即不破坏各自颗粒微观结构。

(2)对测得的电压值进行处理和筛选，对符合标准的脉冲积分，由45度通道和135度通道计算得到U分量和I分量得到Pdop，柱状图。

(3)为保证实验的可靠性，一次实验对每个比例组分的样本进行十次以上有效实验，对每次实验计算得到结果，然后计算Pdop在每个组分下的平均值，得到Pdop随质量比例变化曲线。

图6a表示实例二中的炭黑和水溶性无机盐混合得到的Pdop随不同质量比例的变化曲线，图6b表示实例二中的炭黑和沙尘混合得到的Pdop随不同质量比例的变化曲线。其中，横轴为混合质量比例，纵轴为Pdop值，蓝色方块为不同混合比例下的Pdop值，红色曲线是对五个浓度下Pdop值拟合曲线，随着炭黑质量比例减小，Pdop值逐渐变大，Pdop的值与炭黑的质量浓度成正相关。

使用偏振测量大气颗粒物，Stokes矢量的测量是数据分析的基础。入射偏振光经过颗粒物散射后同时测量Stokes矢量的两个分量，即I、U，而大气颗粒物的布朗运动导致了如果分多次测量得到的Stokes矢量很有可能就不再是研究的颗粒物所关联的。优选使用一分四传光束且在每个光纤束前装配调制好的偏振薄膜来同时测量不同的偏振态。对角线的偏振薄膜的偏振方向相同，同一水平方向的偏振薄膜偏振方向互相垂直，相加得到I分量，相减得到U分量，两通道的同时测量一个偏振方向来减少空间的划分导致的偏振光接收偏差。

因为光电倍增管对光极为敏感，如果稍微漏光就会造成测量极大地失准，所以测量腔内做黑化处理，而且尽量粗糙，让杂散光被腔体吸收或折射，到达不了光纤束中，同时增长105度测量通道，减少其它角度散射光的接收。实测结果下，当只开激光时，光电倍增管的接收电压在20mv水平，测量在1v水平，故本底噪声和杂散光已经很好地得到控制。

为保证样本模拟真实周围环境下的颗粒物浓度，对样本进行稀释，且在进入测量腔时保证浓度更低，所以喷嘴做缩小化处理；对装配一分四光纤束和偏振贴膜，设计专门的部件固定光纤束和偏振贴膜，图2a和图2b是光纤束装配设计的示意图，图3a和图3b所示一分四光纤束固定在一个圆筒中，用销进行固定，偏振贴膜放置在卡槽中，用螺丝压紧，保证偏振方向与光纤束的相对固定，最后整体通过外螺母装配到测量腔上。

理论计算已经证明对于PM2.5甚至PM1这样的小粒子，侧向的散射偏振光已足够我们提取数据和分析数据，这与普通的散射方法相比，减少了对角度的依赖。

系统结构如图1，其中，光源为He-Ne激光器S(输出波长532nm输出功率50mW)，a1和a2表示光阑，L表示线性偏振片(THORLABS，USA，消光比20000：1)，fb表示一分四光纤束的其中一个分路，mc表示测量光腔，用虚线表示，Jet表示喷嘴，颗粒物通过喷嘴到达测量区，ot为光阱，吸收光路没有被散射的激光，D1和D2表示光电倍增管。其中，光阑a1、a2会阻挡多余的光通过，保证光斑在很小的范围内，线性偏振片L把激光调制为特定的偏振态，在这个实例中，将激光调制为45度。通过喷嘴到达测量区，被光散射，在105度散射角度上在测量腔有相应测量通道联通传光束，在传光束的尾端是探测器接收已经被偏振薄膜调制的散射光。

探测器不直接与测量腔接触，避免了探测器芯片被颗粒物污染的可能性，偏振薄膜和一分四光纤束装备零件可以拆卸清洗，保养便捷。一分四光纤束装配着固定零件，图2a是光纤束一分四示意图，fbi是把四根光纤束fb集成到一个金属头上，图2b是光纤束的正面图，四根光纤束排列如图所示，金属头有一圈凸台，避免装配时对偏振薄膜产生挤压。图3b是装配着偏振薄膜的光纤束的正视图，其中pf是偏振薄膜，虚线表示偏振方向，fb是光纤束，fbf是固定光纤束的零件，同时装配着偏振薄膜，图3a是侧视图，光纤束外面包裹着避免漏光的黑色包皮。

实验过程中，首先对样本进行制备，由于在运输过程中和贮存过程中出现板结现象，首先对样本分散，把样本放到真空干燥箱中干燥，然后用超声箱超声，得到分散性较好的样本。测量时，光源经过光阑和线性偏振片，再通过光阑，可以有效控制光斑大小，并通过线性偏振片调制得到45度线性偏振光，让光以较细的直径入射到测量区，喷嘴负责缩小会聚气流，当颗粒物飞过测量区时，散射光首先被装配好的偏振薄膜调制，然后立即被后面的光纤束接收，然后通过光纤传导被探测器接收转化为电信号，最后存储到数据存储设备中。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于偏振散射特征的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

探测颗粒物对激光散射后的散射光，其中对90-120度范围内的特定散射角度下的散射偏振光进行测量；

提取散射光的偏振通道电压，计算散射光的Stokes矢量S，根据Stokes矢量计算得到如下特征偏振参量Pdop：

$S=\left(\begin{array}{c}I\\ Q\\ U\\ V\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_0+I_{90}\\ I_0-I_{90}\\ I_{45}-I_{135}\\ I_R-I_L\end{array}\right)$

Pdop＝U/I

其中I代表光的总强度或0°光强I₀和90°光强I₉₀之和；Q代表0°光强I₀和90°光强I₉₀的差；U代表45°光强I₄₅和135°光强I₁₃₅的差；V代表右旋和左旋圆偏光强的差；

根据Pdop的值分析和确定颗粒物吸收属性，并可由此鉴别炭黑颗粒物。

2.如权利要求1所述的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，所述特定散射角度为105度。

3.如权利要求1所述的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，所述偏振通道包括45度偏振通道和135度偏振通道。

4.如权利要求3所述的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，所述偏振通道包括对称设置的两个45度偏振通道和两个135度偏振通道。

5.如权利要求1至4任一项所述的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，根据Pdop的值对颗粒物吸收属性的特异性表征，将颗粒物区分为炭黑、水溶性无机盐或沙尘。

6.如权利要求1至5任一项所述的炭黑颗粒物测量方法，其特征在于，使用光源为输出波长532nm输出功率50mW的He-Ne激光器，将粒径在0.3μm-10μm的颗粒物以2L/min的流速通过测量区，并对其散射光进行探测。

7.一种用于如权利要求1至6任一项所述的炭黑颗粒物测量装置，其特征在于，包括激光器、光阑、线性偏振片、一分多光纤束、测量光腔、喷嘴和探测器，所述一分多光纤束设置在90-120度范围内的特定散射角度上，并在光纤束前端装配有偏振薄膜以形成散射光的偏振通道，优选为45度偏振通道和135度偏振通道，所述激光器发出的光经过光阑之后由所述线性偏振片调制为特定的偏振态，在通过所述测量光腔过程中经所述喷嘴喷出的颗粒物散射后，散射偏振光通过所述一分多光纤束进入散射光的偏振通道，再由所述探测器探测。

8.如权利要求7所述的炭黑颗粒物测量装置，其特征在于，所述特定散射角度为105度。

9.如权利要求7或8所述的炭黑颗粒物测量装置，其特征在于，所述一分多光纤束为一分二光纤束，所述一分二光纤束上形成一个45度偏振通道和一个135度偏振通道，或者所述一分多光纤束为一分四光纤束，所述一分四光纤束上形成对称设置的两个45度偏振通道和两个135度偏振通道。

10.如权利要求7至9任一项所述的炭黑颗粒物测量装置，其特征在于，所述特定的偏振态为45度的偏振态。