CN106769721A - 一种颗粒污染物浓度光散射测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒污染物浓度光散射测量装置及测量方法，其中测量装置包括检测光源和光电接收装置，其特征在于：在所述检测光源的光路出口设置有一将所述检测光源发出的入射光分为参考光和检测光两路光线的分光器，所述光电接收装置包括第一光电接收装置和第二光电接收装置，所述第一光电接收装置接收所述分光器分出的参考光，分光器的检测光进入测量区域，在测量区域设置有一用于将检测光在测量区域的散射光反射到另一个光电接收装置上的凹面反射镜。本发明扩大了散射光信号的收集角度，减小了颗粒空间分布不均匀的影响，提高了测量的灵敏度，测量结果更稳定。

Description

一种颗粒污染物浓度光散射测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种颗粒污染物浓度的测量装置及测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

随着现代工业的发展，空气污染成为不可回避的重要问题。对颗粒污染物浓度的准确测量，对检测空气品质，保护人们身体健康方面具有重要的现实意义，并具有广阔的商业价值。光学测量具有检测快速，自动化程度高，可在线测量等优点，因此受到了日益普遍的欢迎。

目前主流的颗粒污染物浓度检测装置主要有角散射颗粒计数器，使颗粒一个接一个地通过测量区域，空气中的颗粒在狭窄的孔口被加速来分成个体，并被清洁鞘的空气引导通过光学传感器。散射光强由光电探测器检测并转换成电信号，然后该电信号被放大并记录，通过信号分析可以得到粒子的数目和估测大小，从而得到颗粒污染物的浓度。现有的颗粒浓度传感器接收散射光角度单一，或者是通过多个光电探测器接收散射光，前者测量信息不完整，易受颗粒空间分布不均匀的影响，而后者装置较为复杂，成本较高，不适合家庭室内颗粒浓度的测量。同时角散射光强度受光源强度波动、采集散射角度小影响较大，常常导致测量结果的波动性较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种测量简单灵敏度高的颗粒污染物浓度光散射测量装置及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种气体颗粒浓度的测量装置，包括检测光源和光电接收装置，其特征在于：在所述检测光源的光路出口设置有一将所述检测光源发出的入射光分为参考光和检测光两路光线的分光器，所述光电接收装置包括第一光电接收装置和第二光电接收装置，所述第一光电接收装置接收所述分光器分出的参考光，分光器的检测光进入测量区域，在测量区域设置有一用于将检测光在测量区域的散射光反射到另一个光电接收装置上的凹面反射镜。

还包括一用于加热空气产生热气流通过检测区域的加热器。

所述分光器为分光棱镜。

所述光电检测装置为光电探测器。检测光源为激光二极管。

一种测量气体颗粒浓度的方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、采集经过分光器进入的参考光强I₀及检测光经凹面反射镜的散射光强I₁'；

步骤二、根据步骤一采集的参考光强I₀和散射光强I₁'，计算颗粒体积浓度C_v：

其中，A_L为激光横截面面积；s为采样长度；λ为激光波长；K₁为标定系数，通过标定确定。

所述系数K₁的标定方法是：通过粉尘发生器稳定均匀地发生出标准浓度粉尘，使标准浓度粉尘通过测量区域，由第二光电接收装置接收的散射光强I₁'，根据下式计算得到系数K₁：

其中，为标准浓度粉尘；

重复测量几组不同标准浓度的粉尘，得到在不同浓度下的系数K₁，通过取不同浓度下的标定系数K₁的平均值，最终确定标定系数K₁。

本发明采用分光镜和凹面反射镜，通过同时测量原始光强和大角度的散射光强，通过计算两者比值的方法对颗粒浓度进行测量，使之在应用过程中不受原始光强波动的影响。利用凹面反射镜连续的大角度接收散射角的散射光强，解决了现有测量装置结果受原始光强波动影响的问题，克服了单一角度颗粒信息不完整的缺陷，易受颗粒空间分布不均匀的影响，提高了测量的灵敏度。该测量装置简单，成本较低。本发明扩大了散射光信号的收集角度，减小了颗粒空间分布不均匀的影响，提高了测量的灵敏度，测量结果更稳定。

附图说明

图1颗粒浓度光散射法测量装置示意图。

其中：1、激光二极管；2、分光棱镜；3、第一光电探测器；4、第二光电探测器；5、凹面反射镜；6、检测区域；7、粉尘出口；8、光陷阱；9、加热电阻。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1所示，本发明测量装置，包括一个检测光源1，一个分光棱镜2，一个加热电阻9，两个光电接收装置和一个凹面反射镜5。分光棱镜2将检测光源发出的光源分成穿过粉尘空间的检测光和进入其中一个光电接收装置的对比光，凹面反射镜设置在在粉尘空间的检测区域并用于将检测光在测量区域的散射光反射到另一个光电接收装置上。在本实施例中，两个光电检测装置为第一光电探测器3和第二光电探测器4，光源为激光二极管1。

本发明用于检测的入射光通过固定的激光二极管1发出，由1:1分光棱镜2分为垂直方向两道光线，一条光线由第一光电探测器3接收，即原始光强，记为I₀。另一条光线进入测量区域，部分光线被颗粒散射，由凹面反射镜5收集聚焦于第二光电探测器4，记由凹面镜收集的散射光强为I₁'。热电阻的作用在于加热空气，形成热气流引导室内含颗粒物气流经过测量区域。

颗粒浓度计算方法如下：

由于在光源处使用了1:1的分光棱镜，因此由第一光电探测器3接收的光强I₀认为是探测区域的原始光强。探测光经过测量区域，与颗粒发生散射，由凹面反射镜收集到的散射光强为：

其中，θ₁为接收散射角的下限，θ₂为接收散射角的上限。

其中，A_L为激光横截面面积，C_v为颗粒体积浓度，s为采样长度，I₀为原始光强，I(θ)为θ角处的散射光强，K＝2π/λ，λ为激光波长。

则散射光强与颗粒浓度之间的关系为：

本装置收集散射角在1°至171°之间的散射光，光强记为I₁'，则：

其中，标定系数K₁通过标定得出。标定过程如下：通过粉尘发生器稳定均匀地发生出标准浓度粉尘，使其通过测量区域，由第二光电探测器4接收散射光强，根据式(4)推导得到系数K₁。重复测量几组不同标准浓度的粉尘，得到在不同浓度下的标定系数K₁，通过取不同浓度下的标定系数K₁的平均值，最终确定标定系数K₁。

综上，颗粒体积浓度C_v表示为：

其中，I₀为第一光电探测器3接收的光强，I₁'为第二光电探测器4接收的光强，A_L为激光横截面面积，s为采样长度，λ为激光波长，K₁由标定求出。

Claims (6)

1.一种气体颗粒浓度的测量装置，包括检测光源和光电接收装置，其特征在于：在所述检测光源的光路出口设置有一将所述检测光源发出的入射光分为参考光和检测光两路光线的分光器，所述光电接收装置包括第一光电接收装置和第二光电接收装置，所述第一光电接收装置接收所述分光器分出的参考光，分光器的检测光进入测量区域，在测量区域设置有一用于将检测光在测量区域的散射光反射到另一个光电接收装置上的凹面反射镜。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述分光器为分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述光电检测装置为光电探测器。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：检测光源为激光二极管。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的测量装置测量气体颗粒浓度的方法，其特征在于，步骤为：

步骤一、采集经过分光器进入的参考光强I₀及检测光经凹面反射镜的散射光强I′₁；

步骤二、根据步骤一采集的参考光强I₀和散射光强I′₁，计算颗粒体积浓度C_v：

$C_v=\frac{2}{K_1{\mathrm{sA}}_L\mathrm{\λ}}\frac{I_1^{\′}}{I_0}$

其中，A_L为激光横截面面积；s为采样长度；λ为激光波长；K₁为标定系数，通过标定确定。

6.一种采用权利要求5所述的方法，其特征在于，所述标定系数K₁的标定方法是：通过粉尘发生器稳定均匀地发生出标准浓度粉尘，使标准浓度粉尘通过测量区域，由第二光电接收装置接收的散射光强I′₁，根据下式计算得到系数K₁：

$I_1^{\′}=K_1\frac{C_{v_0}{\mathrm{sA}}_L\mathrm{\λ}}{2}{I}_0$

其中，为标准浓度粉尘；

重复测量几组不同标准浓度的粉尘，得到在不同浓度下的系数K₁，通过取不同浓度下的标定系数K₁的平均值，最终确定标定系数K₁。