CN107941665B - 一种高分辨率气溶胶粒径探测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率气溶胶粒径探测仪，包括：高功率光纤激光器，其用于产生激光束；光束整形聚焦光学系统，其用于接收激光束，将激光束发散产生激光线并形成聚焦光斑；散射光接收系统，其用于将待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，并对散射光进行探测，获取散射光强产生的电脉冲信号；气流通道，其用于产生含有待测气溶胶粒子的气体，并送入散射光接收系统中；信号处理模块，其用于对散射光强产生的电脉冲信号进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。本发明的有益效果：光源功率高，小粒径气溶胶也能产生较强的散射光信号；光源光束质量高，有利于光束整形；汇聚光束强度分布均匀，提高了粒径的分辨能力和计数效率。
Description
技术领域
本发明涉及大气探测技术领域，具体而言，涉及一种高分辨率气溶胶粒径探测仪。
背景技术
大气污染物的治理是一个非常复杂的系统工程，必须从预防，管理与技术等多方面综合考虑，才能达到控制污染的目的。加强环境科学研究，建立健全环境监测机构，提高监测水平，也是搞好环境管理和污染治理的重要手段。因此，通过研究能够测定颗粒物污染源并进行定量分析的方法和仪器具有重要意义，因为有了这些手段才能对周围空气质量进行及时有效的监测，从而便于进行合理的控制。高灵敏度、高分辨率通溶胶粒径探测仪，能够提供快速精确的粒子浓度和粒径分布检测，主要用于大气研究&环境监测、过滤器测试等领域。
目前基于单粒子激光计数技术的气溶胶粒径探测仪代表性产品有美国TSI公司的3340型激光气溶胶粒径谱仪和美国DMT公司的被动腔气溶胶粒径谱仪(PCASP-X2)和超高分辨率气溶胶粒径谱仪(UHSAS)。美国TSI公司出品的3340型激光气溶胶粒径谱仪测量0.09到7.5μm粒径范围的颗粒物，在采样流量10cm3/min时最大可测量粒子浓度18000/cm3，可测量输出100个通道数据。美国DMT公司的被动腔气溶胶粒径谱仪PCASP-X2测量粒径范围0.1–10μm，采样流量1CC/sec，粒子计数速率10000/sec，提供40个数据通道。美国DMT公司的超高分辨率气溶胶粒径谱仪UHSAS测量粒径范围0.06–1.0μm，典型采样流量50CC/sec，粒子计数速率3000/sec，提供99个数据通道。
为了能够测量小粒径气溶胶，常采用提高激光源照射功率的方法。TSI公司的3340型激光气溶胶粒径谱仪中采用其专利技术的半内腔He-Ne激光器技术，用谐振腔内激光照射气溶胶粒子，在He-Ne激光器输出功率保持5mW时，照射光功率提高到了大于1W。DMT公司在被动腔气溶胶粒径谱仪PCASP-X2中同样采用了半内腔式He-Ne激光器照射方案。在超高分辨率气溶胶粒径谱仪UHSAS中为了测量更小粒子，进一步提高照射功率，使用了1054nm波长的半内腔式Nd3+:YLiF4固体激光器，照射激光功率密度超过1kW/cm2。采用半内腔激光器具有照射功率密度大，同时较少的增加仪器成本的优点，但是半内腔激光器存在调试难度大、工程应用不便的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高分辨率气溶胶粒径探测仪，提高探测仪的气溶胶粒径测量分辨率。
本发明提供了一种高分辨率气溶胶粒径探测仪，包括：
高功率光纤激光器，其用于产生激光束；
光束整形聚焦光学系统，其用于接收所述高功率光纤激光器发出的激光束，将激光束发散产生激光线并形成聚焦光斑；
散射光接收系统，其用于将待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，并对散射光进行探测，获取散射光强产生的电脉冲信号；
气流通道，其用于产生含有待测气溶胶粒子的气体，并送入所述散射光接收模块中；
信号处理模块，其用于对散射光强产生的电脉冲信号进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。
作为本发明进一步的改进，所述光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器、鲍威尔棱镜、平凸柱面透镜、非球面聚焦镜，所述散射光接收系统包括曼金镜和光电探测器，所述光电探测器与所述信号处理模块相连；
所述高功率光纤激光器的输出单模光纤与所述光纤准直器的输入端连接，所述光纤准直器的输出端输出准直激光束，准直激光束射入所述鲍威尔棱镜后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入所述平凸柱面透镜后在发散维度上准直，准直、均匀的激光线经所述非球面聚焦镜汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光进入所述曼金镜并汇聚到所述光电探测器中，所述光电探测器探测汇聚的散射光光强产生的电脉冲信号，并送入所述信号处理模块进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。
作为本发明进一步的改进，所述光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器、鲍威尔棱镜、平凸柱面透镜和非球面聚焦镜，所述散射光接收系统包括第一曼金镜、第二曼金镜、第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均与所述信号处理模块相连；
所述高功率光纤激光器的输出单模光纤与所述光纤准直器的输入端连接，所述光纤准直器的输出端输出准直激光束，准直激光束射入所述鲍威尔棱镜后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入所述平凸柱面透镜后在发散维度上准直，准直、均匀的激光线经所述非球面聚焦镜汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，聚焦光斑位于并排放置的所述第一曼金镜和所述第二曼金镜中间，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光分别进入所述第一曼金镜和所述第二曼金镜中，各个角度的散射光被所述第一曼金镜和所述第二曼金镜分别汇聚到所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器将探测到的散射光光强产生的电脉冲信号分别送入所述信号处理模块中处理，计算出气溶胶粒径的大小。
作为本发明进一步的改进，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别为APD光电探测器和PIN光电探测器。
作为本发明进一步的改进，所述鲍威尔棱镜输出的扇形光束角度不小于10°，产生的激光线中心部分光强度变化小于30％。
作为本发明进一步的改进，所述第一曼金镜和所述第二曼金镜的散射光收集角度范围分别是45°-135°和225°-315°。
作为本发明进一步的改进，所述气流通道包括：毛细采样管、洁净空气保护套管、气体过滤器、洁净空气流量控制阀、洁净空气流量计、空气过滤器、抽气泵、样本气体流量控制阀和样本气体流量计；
所述洁净空气保护套管第一端为采样气体入口，所述洁净空气保护套管第二端与第一连接管一端连通，所述第一连接管另一端与所述洁净空气保护套管第三端相连，所述第一连接管另一端的端口为采样气体出口；
所述毛细采样管伸入所述洁净空气保护套管中，并穿过所述洁净空气保护套管第三端伸入所述第一连接管中；
所述第一连接管上依次设置所述气体过滤器、所述洁净空气流量控制阀和所述洁净空气流量计；
所述样本气体流量计、所述样本气体流量控制阀、所述抽气泵和所述空气过滤器依次设置在第二连接管上，所述第二连接管一端与大气连通，所述第二连接管另一端与所述第一连接管另一端相对设置，并且所述第二连接管另一端的端口与所述第一连接管另一端的端口之间留有空隙。
作为本发明进一步的改进，还包括用于探测激光功率的光监控探测器，所述光监控探测器与所述信号处理模块相连。
作为本发明进一步的改进，所述光监控探测器上附有光衰减片。
作为本发明进一步的改进，所述高功率光纤激光器的波长为1.0微米波段，输出连续激光，单模光纤输出，光束质量因子优于1.1，输出光功率不低于2W。
本发明的有益效果为：
1、光源功率高，小粒径气溶胶也能产生较强的散射光信号；
2、光源光束质量高，有利于光束整形；
3、汇聚光束强度分布均匀，提高了粒径的分辨能力和计数效率。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种高分辨率气溶胶粒径探测仪的示意图；
图2为本发明气流通道的示意图。
图中，
1、高功率光纤激光器；2、光纤准直器；3、鲍威尔棱镜；4、平凸柱面透镜；5；非球面聚焦镜；6-1、第一曼金镜；6-2、第二曼金镜；7、第一光电探测器；8、第二光电探测器；9、光监控探测器；10、信号处理模块；11、毛细采样管；12、洁净空气保护套管；13、气体过滤器；14、洁净空气流量控制阀；15、洁净空气流量计；16、空气过滤器；17、抽气泵；18、样本气体流量控制阀；19、样本气体流量计。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种高分辨率气溶胶粒径探测仪，包括：高功率光纤激光器1、光束整形聚焦光学系统、散射光接收系统、气流通道和信号处理模块10。
高功率光纤激光器1，其用于产生激光束；
光束整形聚焦光学系统，其用于接收高功率光纤激光器1发出的激光束，将激光束发散产生激光线并形成聚焦光斑；
散射光接收系统，其用于将待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，并对散射光进行探测，获取散射光强产生的电脉冲信号；
气流通道，其用于产生含有待测气溶胶粒子的气体，并送入散射光接收模块中；
信号处理模块10，其用于对散射光强产生的电脉冲信号进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。
具体的，光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器2、鲍威尔棱镜3、平凸柱面透镜4、非球面聚焦镜5，散射光接收系统包括曼金镜和光电探测器，光电探测器与信号处理模块10相连。
高功率光纤激光器1的输出单模光纤与光纤准直器2的输入端连接，光纤准直器2的输出端输出准直为平行光的激光束，准直激光束射入鲍威尔棱镜3后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入平凸柱面透镜4后在发散维度上准直，得到一束准直、均匀的激光线，准直、均匀的激光线经非球面聚焦镜5汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光进入曼金镜并汇聚到光电探测器中，光电探测器探测汇聚的散射光光强产生的电脉冲信号，并送入信号处理模块10进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。由于散射光光强正比于气溶胶粒径的直径，因此光电探测器接收散射光光强产生的电脉冲信号幅度也正比于气溶胶粒径的直径，信号处理模块10由散射光光强产生的电脉冲信号幅度可以计算出气溶胶粒径的大小。
进一步的，高功率光纤激光器1的波长为1.0微米波段，输出连续激光，单模光纤输出，光束质量因子优于1.1，输出光功率不低于2W，这样保证光源光束质量高的特点，有利于光束整形。进一步的，为了保证激光束不要过于发散，以至于汇聚的聚焦光斑过小，无法保证米氏散射效应，鲍威尔棱镜3输出的扇形光束角度不小于10°，产生的激光线中心部分光强度变化小于30％。进一步的，光纤准直器2为非球面凸透镜，具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能。
如图2所示，气流通道包括：毛细采样管11、洁净空气保护套管12、气体过滤器13、洁净空气流量控制阀14、洁净空气流量计15、空气过滤器16、抽气泵17、样本气体流量控制阀18和样本气体流量计19；
洁净空气保护套管12第一端为采样气体入口，洁净空气保护套管12第二端与第一连接管一端连通，第一连接管另一端与洁净空气保护套管12第三端相连，第一连接管另一端的端口为采样气体出口；
毛细采样管11伸入洁净空气保护套管12中，并穿过洁净空气保护套管12第三端伸入第一连接管中；
第一连接管上依次设置气体过滤器13、洁净空气流量控制阀14和洁净空气流量计15；
样本气体流量计19、样本气体流量控制阀18、抽气泵17和空气过滤器16依次设置在第二连接管上，第二连接管一端与大气连通，第二连接管另一端与第一连接管另一端相对设置，并且第二连接管另一端的端口与第一连接管另一端的端口之间留有空隙。
进一步的，为保证毛细采样管11、第一连接管和洁净空气保护套管12之间的连通设计，将洁净空气保护套管12设计为T型管，水平段用于毛细采样管11的伸入，竖直段用于与第一连接管的连通。将第一连接管设计为图2中的异型，U型部分防止气体倒灌入洁净空气保护套管12中，与U型部分相连的水平段便于毛细采样管11的伸入，同时水平段的端部(采样气体出口)为锥形设计，防止包含气溶胶粒子的气体流失，影响散射效应。
首先，空气被气泵17抽入第二连接管中，一部分进入洁净空气保护套管12中，依次经过空气过滤器13、洁净空气流量控制阀14和洁净空气流量计15后，变成不含有气溶胶粒子和水蒸汽的洁净干燥空气；然后，另外一部分含有待测气溶胶粒子的气体通过毛细采样管11直接进入采样区，在洁净干燥空气的包裹保护下，穿过激光束聚焦区域(即聚焦光斑)，产生米氏散射；最后，所有的气体依次通过空气过滤器16、抽气泵17、样本气体流量控制阀18和样本气体流量计19，排入大气中。
其中，毛细采样管11内径不超过0.5mm。通过洁净空气流量计15和样本气体流量计19可以精确测量气体流量的结果，根据结果来精确控制洁净空气流量控制阀14和样本气体流量控制阀18，使得洁净干燥空气和样本气体(待测气溶胶粒子的气体)合流时，两者流速相等，以避免出现湍流和气体混合，污染光学元件。
实施例2，与实施例1不同之处在于，光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器2、鲍威尔棱镜3、平凸柱面透镜4和非球面聚焦镜5，散射光接收系统包括第一曼金镜6-1、第二曼金镜6-2、第一光电探测器7和第二光电探测器8，第一光电探测器7和第二光电探测器8均与信号处理模块10相连；
高功率光纤激光器1的输出单模光纤与光纤准直器2的输入端连接，光纤准直器2的输出端输出准直激光束，准直激光束射入鲍威尔棱镜3后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入平凸柱面透镜4后在发散维度上准直，准直、均匀的激光线经非球面聚焦镜5汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，聚焦光斑位于并排放置的第一曼金镜6-1和第二曼金镜6-2中间，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光分别进入第一曼金镜6-1和第二曼金镜6-2中，各个角度的散射光被第一曼金镜6-1和第二曼金镜6-2分别汇聚到第一光电探测器7和第二光电探测器8中，第一光电探测器7和第二光电探测器8将探测到的散射光光强产生的电脉冲信号分别送入信号处理模块10中处理，计算出气溶胶粒径的大小。其中，第一光电探测器7用于探测小粒径气溶胶，第二光电探测器8用于探测大粒径气溶胶，结合的使用，以保证各种粒径的气溶胶都能被探测到，提高了粒径的分辨能力和计数效率。
进一步的，第一光电探测器7和第二光电探测器8分别为APD光电探测器和PIN光电探测器。APD光电探测器：它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生的雪崩效应获得光电流的增益，具有内增益，噪声比一般光电二极管要大些，可探测整个系统中的微弱光信号。PIN光电探测器：结构简单，成本较低，性能优异，能够吸收大量的光子、并转换为载流子——光生载流子，感光和探测辐射的灵敏度很高。将两个光电探测器结合使用，这样既能探测到强光信号，也能探测到弱光信号，提高了探测的准确度，使得信号处理模块在计算时能更加准确的计算出气溶胶粒径的大小。
进一步的，为了保证激光束的聚焦效果，以确保光电探测器探测到的散射光强度高，第一曼金镜6-1和第二曼金镜6-2的散射光收集角度范围分别是45°-135°和225°-315°。
实施例3，与实施例2不同之处在于，还包括用于探测激光功率的光监控探测器9，光监控探测器9与信号处理模块10相连。光监控探测器9上附有光衰减片，用于探测激光的功率稳定性，在光功率不稳定时用于校正信号强度。这样，可以进一步保证光源的质量，提高探测的分辨率。
此时，非球面聚焦镜5，第一曼金镜6-1、第二曼金镜6-2，第一光电探测器7、第二光电探测器8和光监控探测器9共同构成一个除气路通道外的封闭的采样腔体。封闭的形式，也更加保证采用过程中的准确度及灵敏度，提高探测的分辨率。
本发明的高分辨率气溶胶粒径探测仪可以实现一种照射激光功率高、汇聚光束强度分布均匀的气溶胶粒径探测仪，能够提高粒径的测量分辨能力和计数效率，可适用于大气研究、环境监测、过滤器测试等应用领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，包括：
高功率光纤激光器（1），其用于产生激光束；
光束整形聚焦光学系统，其用于接收所述高功率光纤激光器（1）发出的激光束，将激光束发散产生激光线并形成聚焦光斑；
散射光接收系统，其用于将待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，并对散射光进行探测，获取散射光强产生的电脉冲信号；
气流通道，其用于产生含有待测气溶胶粒子的气体，并送入所述散射光接收系统中，所述气流通道包括：毛细采样管（11）、洁净空气保护套管（12）、气体过滤器（13）、洁净空气流量控制阀（14）、洁净空气流量计（15）、空气过滤器（16）、抽气泵（17）、样本气体流量控制阀（18）和样本气体流量计（19）；所述洁净空气保护套管（12）第一端为采样气体入口，所述洁净空气保护套管（12）第二端与第一连接管一端连通，所述第一连接管另一端与所述洁净空气保护套管（12）第三端相连，所述第一连接管另一端的端口为采样气体出口；所述毛细采样管（11）伸入所述洁净空气保护套管（12）中，并穿过所述洁净空气保护套管（12）第三端伸入所述第一连接管中；所述第一连接管上依次设置所述气体过滤器（13）、所述洁净空气流量控制阀（14）和所述洁净空气流量计（15）；所述样本气体流量计（19）、所述样本气体流量控制阀（18）、所述抽气泵（17）和所述空气过滤器（16）依次设置在第二连接管上，所述第二连接管一端与大气连通，所述第二连接管另一端与所述第一连接管另一端相对设置，并且所述第二连接管另一端的端口与所述第一连接管另一端的端口之间留有空隙；
信号处理模块（10），其用于对散射光强产生的电脉冲信号进行处理，计算出气溶胶粒径的大小；
其中，所述光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器（2）、鲍威尔棱镜（3）、平凸柱面透镜（4）和非球面聚焦镜（5），所述散射光接收系统包括第一曼金镜（6-1）、第二曼金镜（6-2）、第一光电探测器（7）和第二光电探测器（8），所述第一光电探测器（7）和所述第二光电探测器（8）均与所述信号处理模块（10）相连，所述第一光电探测器（7）和所述第二光电探测器（8）分别为APD光电探测器和PIN光电探测器；
所述高功率光纤激光器（1）的输出单模光纤与所述光纤准直器（2）的输入端连接，所述光纤准直器（2）的输出端输出准直激光束，准直激光束射入所述鲍威尔棱镜（3）后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入所述平凸柱面透镜（4）后在发散维度上准直，准直、均匀的激光线经所述非球面聚焦镜（5）汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，聚焦光斑位于并排放置的所述第一曼金镜（6-1）和所述第二曼金镜（6-2）中间，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光分别进入所述第一曼金镜（6-1）和所述第二曼金镜（6-2）中，各个角度的散射光被所述第一曼金镜（6-1）和所述第二曼金镜（6-2）分别汇聚到所述第一光电探测器（7）和所述第二光电探测器（8）中，所述第一光电探测器（7）和所述第二光电探测器（8）将探测到的散射光光强产生的电脉冲信号分别送入所述信号处理模块（10）中处理，计算出气溶胶粒径的大小。
2.根据权利要求1所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，所述光束整形聚焦光学系统包括光纤准直器（2）、鲍威尔棱镜（3）、平凸柱面透镜（4）、非球面聚焦镜（5），所述散射光接收系统包括曼金镜和光电探测器，所述光电探测器与所述信号处理模块（10）相连；
所述高功率光纤激光器（1）的输出单模光纤与所述光纤准直器（2）的输入端连接，所述光纤准直器（2）的输出端输出准直激光束，准直激光束射入所述鲍威尔棱镜（3）后在一个维度上以扇形发散产生一条笔直、均匀的激光线，激光线射入所述平凸柱面透镜（4）后在发散维度上准直，准直、均匀的激光线经所述非球面聚焦镜（5）汇聚为扁平的、均匀的长方形聚焦光斑，气流通道中产生的待测气溶胶粒子穿过聚焦光斑产生米氏散射效应，激光被气溶胶粒子散射，散射光进入所述曼金镜并汇聚到所述光电探测器中，所述光电探测器探测汇聚的散射光光强产生的电脉冲信号，并送入所述信号处理模块（10）进行处理，计算出气溶胶粒径的大小。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，所述鲍威尔棱镜（3）输出的扇形光束角度不小于10°，产生的激光线中心部分光强度变化小于30%。
4.根据权利要求1所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，所述第一曼金镜（6-1）和所述第二曼金镜（6-2）的散射光收集角度范围分别是45°-135°和225°-315°。
5.根据权利要求1中所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，还包括用于探测激光功率的光监控探测器（9），所述光监控探测器（9）与所述信号处理模块（10）相连。
6.根据权利要求5所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，所述光监控探测器（9）上附有光衰减片。
7.根据权利要求1所述的高分辨率气溶胶粒径探测仪，其特征在于，所述高功率光纤激光器（1）的波长为1.0微米波段，输出连续激光，单模光纤输出，光束质量因子优于1.1，输出光功率不低于2W。
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