CN110849817B - 一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统 - Google Patents

一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，包括主测量模块、入射光准直模块、第一散射光强探测模块、第二散射光强探测模块和偏振光信号探测模块；主测量模块内部设置有球形的主测量腔；入射光准直模块与第二散射光强探测模块相对设置；第一散射光强探测模块和偏振光信号探测模块相对设置；入射光准直模块、第一散射光强探测模块、第二散射光强探测模块和偏振光信号探测模块内部分别设置有与主测量腔连通的准直腔、第一探测腔、第二探测腔和偏振探测腔。优点是：通过在测量系统内合理设置准直透镜和聚光透镜的组合，实现有效探测环境颗粒物光学性质的目的，有效提高了大气污染物理化性质的探测水平。

Description

一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统
技术领域
本发明涉及大气环境颗粒物理化性质探测技术领域，尤其涉及一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统。
背景技术
目前对大气污染颗粒物的监测主要集中在浓度、化学组分性质等方面。对于颗粒物偏振光学性质的探测设备缺乏，依赖于进口设备，主要原因是大气中颗粒物处于单分散的杂乱分布状态，产生对单颗粒物测量腔体的设计存在流体设计难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，所述测量系统包括主测量模块、入射光准直模块、第一散射光强探测模块、第二散射光强探测模块和偏振光信号探测模块；所述主测量模块内部设置有球形的主测量腔；所述入射光准直模块与所述第二散射光强探测模块分别设置在所述主测量腔相对的两侧；所述第一散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块分别设置在所述主测量腔相对的两侧；且所述入射光准直模块和所述第二散射光强探测模块的所在侧均垂直于所述第一散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块的所在侧；所述入射光准直模块、所述第一散射光强探测模块、所述第二散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块内部分别设置有与所述主测量腔连通的准直腔、第一探测腔、第二探测腔和偏振探测腔；所述偏振光信号探测模块内部还设置有与所述偏振探测腔连通的分光反射腔。
优选的，所述入射光准直模块包括设置在所述准直腔内的第一准直透镜、偏振镜和柱面镜，所述第一准直透镜、偏振镜和柱面镜沿所述入射光准直模块到所述第二散射光强探测模块的方向依次间隔设置，且所述第一准直透镜的凸面朝向所述偏振镜。
优选的，所述入射光准直模块远离所述主测量模块的一端设置有二极管激光器，所述二极管激光器伸入所述准直腔内，且所述二极管激光器与所述第一准直透镜相距一定距离。
优选的，所述第一探测腔贯穿所述第一散射光强探测模块相对的两端；所述第一散射光强探测模块包括设置在所述第一探测腔内的第一双凸透镜和设置在所述第一探测腔外的第一雪崩光电二极管；所述第一双凸透镜设置在所述第一探测腔内靠近所述主测量腔的一端，所述第一雪崩光电二极管正对所述第一探测腔远离所述主测量腔的一端。
优选的，所述第二探测腔贯穿所述第二散射光强探测模块相对的两端；所述第二散射光强探测模块包括设置在所述第二探测腔内的第二双凸透镜和设置在所述第二探测腔外的第二雪崩光电二极管；所述第二双凸透镜设置在所述第二探测腔内靠近所述主测量腔的一端，所述第二雪崩光电二极管正对所述第二探测腔远离所述主测量腔的一端。
优选的，所述偏振光信号探测模块包括第二准直透镜、偏振分光棱镜、第三准直透镜、第四准直透镜、第三雪崩光电二极管和第四雪崩光电二极管，所述第二准直透镜、偏振分光棱镜和所述第三准直透镜沿所述第一散射光强探测模块到偏振光信号探测模块的方向依次间隔设置在所述偏振探测腔内，所述第三雪崩光电二极管设置在所述偏振探测腔外；所述分光反射腔垂直于所述偏振探测腔，所述第四准直透镜设置在所述分光反射腔内，所述第四雪崩光电二极管设置在所述分光反射腔外；所述偏振分光棱镜设置在所述偏振探测腔与所述分光反射腔交叉的位置处。
优选的，所述偏振探测腔贯穿所述偏振测量模块相对的两端，所述第二准直透镜设置在所述偏振探测腔靠近所述主测量腔的一端，所述第二准直透镜和所述第三准直透镜的凸面均朝向所述偏振分光棱镜；所述第三雪崩光电二极管正对所述偏振探测腔远离所述主测量腔的一端。
优选的，所述分光反射腔远离所述偏振探测腔的一端贯穿所述偏振测量模块，所述第四准直透镜的凸面朝向所述偏振分光棱镜，所述第四雪崩光电二极管正对所述分光反射腔远离所述偏振探测腔的一端。
优选的，所述测量系统还包括与所述入射光准直模块设置在所述主测量模块同侧的光消散模块，所述光消散模块内部设置有与所述主测量腔连通的光消散腔，所述光消散腔贯穿所述光消散模块相对的两端。
优选的，所述主测量腔内设置有第一高反镜和第二高反镜，所述第一高反镜对应所述光消散腔设置在所述主测量腔与所述第一测量腔连通的位置处；所述第二高反镜对应所述准直腔设置在所述主测量腔与所述偏振探测腔连通的位置处；所述第一高反镜和第二高反镜相对设置。
本发明的有益效果是：1、通过在测量系统内合理设置准直透镜和聚光透镜的组合，实现有效探测环境颗粒物光学性质的目的，有效提高了大气污染物理化性质的探测水平。2、球形的主测量腔能够保证测量腔内气流稳定、颗粒物顺利通过测定点，对颗粒物光学性质的估算更加准确。3、测量系统通过严密的流体力学计算，合理设计主测量腔形状及各个模块位置，经实验室反复测算，保证腔体内部气流稳定，实现稳定的粒子束通过测量点位。
附图说明
图1是本发明实施例中测量系统的结构示意图。
图中：1、主测量模块；11、主测量腔；12、颗粒物；13、第一高反镜；14、第二高反镜；2、入射光准直模块；21、准直腔；22、第一准直透镜；23、偏振镜；24、柱面镜；3、第一散射光强探测模块；31、第一探测腔；32、第一双凸透镜；33、第一雪崩光电二极管；4、第二散射光强探测模块；41、第二探测腔；42、第二双凸透镜；43、第二雪崩光电二极管；5、偏振光信号探测模块；51、偏振探测腔；52、第二准直透镜；53、偏振分光棱镜；54、第三准直透镜；55、分光反射腔；56、第四准直透镜；57、第三雪崩光电二极管；58、第四雪崩光电二极管；6、光消散模块；7、二极管激光器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例中提供了一种单颗粒物12偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，所述测量系统包括主测量模块1、入射光准直模块2、第一散射光强探测模块3、第二散射光强探测模块4和偏振光信号探测模块5；所述主测量模块1内部设置有球形的主测量腔11；所述入射光准直模块2与所述第二散射光强探测模块4分别设置在所述主测量腔11相对的两侧；所述第一散射光强探测模块3和所述偏振光信号探测模块5分别设置在所述主测量腔11相对的两侧；且所述入射光准直模块2和所述第二散射光强探测模块4的所在侧均垂直于所述第一散射光强探测模块3和所述偏振光信号探测模块5的所在侧；所述入射光准直模块2、所述第一散射光强探测模块3、所述第二散射光强探测模块4和所述偏振光信号探测模块5内部分别设置有与所述主测量腔11连通的准直腔21、第一探测腔31、第二探测腔41和偏振探测腔51；所述偏振光信号探测模块5内部还设置有与所述偏振探测腔51连通的分光反射腔55。
本实施例中，所述第一散射光强探测模块3为前向0°散射光强探测模块，所述第二散射光强探测模块4为，前向90°散射光强探测模块；所述偏振光信号探测模块5为后向180°偏振光信号探测模块。入射光准直模块2、第一散射光强探测模块3、第二散射光强探测模块4和偏振光信号探测模块5分布在所述主测量模块1的四个平面上。
本实施例中，所述主测量装置为正方体形，材质为铝制或者不锈钢制，内部设置有球形的主测量腔11，保证腔体内部小环流的稳定和粒子束束腰的稳定。从图1上看，住测量模块的上平面接入射光准直模块2；左平面接后向180°偏振光信号探测模块(偏振光信号探测模块5)；右平面接前向0°散射光强探测模块(第一散射光强探测模块3)，下平面接前向90°散射光强探测模块(第二散射光强探测模块4)。
本实施例中，所述入射光准直模块2包括设置在所述准直腔21内的第一准直透镜22、偏振镜23和柱面镜24，所述第一准直透镜22、偏振镜23和柱面镜24沿所述入射光准直模块2到所述第二散射光强探测模块4的方向依次间隔设置，且所述第一准直透镜22的凸面朝向所述偏振镜23。
本实施例中，所述入射光准直模块2远离所述主测量模块1的一端设置有二极管激光器7，所述二极管激光器7伸入所述准直腔21内，且所述二极管激光器7与所述第一准直透镜22相距一定距离。
本实施例中，所述入射光准直模块2，将二极管激光器7光源发出的发散的激光处理成准直光线，经过偏振镜23处理成单一方向偏振的激光，后经柱面镜24处理成线性光斑，便于捕获单颗粒物12。
本实施例中，所述第一探测腔31贯穿所述第一散射光强探测模块3相对的两端；所述第一散射光强探测模块3包括设置在所述第一探测腔31内的第一双凸透镜32和设置在所述第一探测腔31外的第一雪崩光电二极管33；所述第一双凸透镜32设置在所述第一探测腔31内靠近所述主测量腔11的一端，所述第一雪崩光电二极管33正对所述第一探测腔31远离所述主测量腔11的一端。
本实施例中，所述第一雪崩光电二极管33(APD)接收从所述第一双凸透镜32散射出的散射光强度，并转换成电信号。
本实施例中，所述第二探测腔41贯穿所述第二散射光强探测模块4相对的两端；所述第二散射光强探测模块4包括设置在所述第二探测腔41内的第二双凸透镜42和设置在所述第二探测腔41外的第二雪崩光电二极管43；所述第二双凸透镜42设置在所述第二探测腔41内靠近所述主测量腔11的一端，所述第二雪崩光电二极管43正对所述第二探测腔41远离所述主测量腔11的一端。
本实施例中，所述第二雪崩光电二极管43(APD)接收从所述第二双凸透镜42散射出的散射光强度，并转换成电信号。
本实施例中，所述偏振光信号探测模块5包括第二准直透镜52、偏振分光棱镜53、第三准直透镜54、第四准直透镜56、第三雪崩光电二极管57和第四雪崩光电二极管58，所述第二准直透镜52、偏振分光棱镜53和所述第三准直透镜54沿所述第一散射光强探测模块3到偏振光信号探测模块5的方向依次间隔设置在所述偏振探测腔51内，所述第三雪崩光电二极管57设置在所述偏振探测腔51外；所述分光反射腔55垂直于所述偏振探测腔51，所述第四准直透镜56设置在所述分光反射腔55内，所述第四雪崩光电二极管58设置在所述分光反射腔55外；所述偏振分光棱镜53设置在所述偏振探测腔51与所述分光反射腔55交叉的位置处。
本实施例中，所述偏振探测腔51贯穿所述偏振测量模块相对的两端，所述第二准直透镜52设置在所述偏振探测腔51靠近所述主测量腔11的一端，所述第二准直透镜52和所述第三准直透镜54的凸面均朝向所述偏振分光棱镜53；所述第三雪崩光电二极管57正对所述偏振探测腔51远离所述主测量腔11的一端。
本实施例中，所述分光反射腔55远离所述偏振探测腔51的一端贯穿所述偏振测量模块，所述第四准直透镜56的凸面朝向所述偏振分光棱镜53，所述第四雪崩光电二极管58正对所述分光反射腔55远离所述偏振探测腔51的一端。
本实施例中，所述偏振分光棱镜53将主测量腔11发射到偏振探测腔51内、并经第二准直透镜52处理后的偏振光分成两束线偏光，分别为P偏光和S偏光，所述P偏光完全通过偏振分光棱镜53(PBS)，并经过第三准直透镜54处理后被所述第三雪崩光电二极管57(APD)探测，并转化为电信号。所述S偏光以45度角被反射，出射方向与P偏光呈90度角，并经第四准直透镜56处理后被所述第四雪崩光电二极管58(APD)探测，转化为电信号。
本实施例中，所述测量系统还包括与所述入射光准直模块2设置在所述主测量模块1同侧的光消散模块6，所述光消散模块6内部设置有与所述主测量腔11连通的光消散腔，所述光消散腔贯穿所述光消散模块6相对的两端。
本实施例中，所述主测量腔11内设置有第一高反镜13和第二高反镜14，所述第一高反镜13对应所述光消散腔设置在所述主测量腔11与所述第一测量腔连通的位置处；所述第二高反镜14对应所述准直腔21设置在所述主测量腔11与所述偏振探测腔51连通的位置处；所述第一高反镜13和第二高反镜14相对设置。高反镜就是高反射率镜片。
本实施例中，所述光消散模块6能够消散掉二极管激光器7发射的多余的激光光束，多余的激光光束依次经过第二高反镜14和第一高反镜13，最后经过光消散腔被反射出主测量腔11，避免光污染或光路泄漏，确保主测量腔11内的颗粒物12光学性质的估算更加准确。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，通过在测量系统内合理设置准直透镜和聚光透镜的组合，实现有效探测环境颗粒物光学性质的目的，有效提高了大气污染物理化性质的探测水平；球形的主测量腔能够保证测量腔内气流稳定、颗粒物顺利通过测定点，对颗粒物光学性质的估算更加准确；测量系统通过严密的流体力学计算，合理设计主测量腔形状及各个模块位置，经实验室反复测算，保证腔体内部气流稳定，实现稳定的粒子束通过测量点位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，其特征在于：所述测量系统包括主测量模块、入射光准直模块、第一散射光强探测模块、第二散射光强探测模块和偏振光信号探测模块；所述主测量模块内部设置有球形的主测量腔；所述入射光准直模块与所述第二散射光强探测模块分别设置在所述主测量腔相对的两侧；所述第一散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块分别设置在所述主测量腔相对的两侧；且所述入射光准直模块和所述第二散射光强探测模块的所在侧均垂直于所述第一散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块的所在侧；所述入射光准直模块、所述第一散射光强探测模块、所述第二散射光强探测模块和所述偏振光信号探测模块内部分别设置有与所述主测量腔连通的准直腔、第一探测腔、第二探测腔和偏振探测腔；所述偏振光信号探测模块内部还设置有与所述偏振探测腔连通的分光反射腔；
所述入射光准直模块包括设置在所述准直腔内的第一准直透镜、偏振镜和柱面镜，所述第一准直透镜、偏振镜和柱面镜沿所述入射光准直模块到所述第二散射光强探测模块的方向依次间隔设置，且所述第一准直透镜的凸面朝向所述偏振镜；
所述第一探测腔贯穿所述第一散射光强探测模块相对的两端；所述第一散射光强探测模块包括设置在所述第一探测腔内的第一双凸透镜和设置在所述第一探测腔外的第一雪崩光电二极管；所述第一双凸透镜设置在所述第一探测腔内靠近所述主测量腔的一端，所述第一雪崩光电二极管正对所述第一探测腔远离所述主测量腔的一端；
所述第二探测腔贯穿所述第二散射光强探测模块相对的两端；所述第二散射光强探测模块包括设置在所述第二探测腔内的第二双凸透镜和设置在所述第二探测腔外的第二雪崩光电二极管；所述第二双凸透镜设置在所述第二探测腔内靠近所述主测量腔的一端，所述第二雪崩光电二极管正对所述第二探测腔远离所述主测量腔的一端；
所述偏振光信号探测模块包括第二准直透镜、偏振分光棱镜、第三准直透镜、第四准直透镜、第三雪崩光电二极管和第四雪崩光电二极管，所述第二准直透镜、偏振分光棱镜和所述第三准直透镜沿所述第一散射光强探测模块到偏振光信号探测模块的方向依次间隔设置在所述偏振探测腔内，所述第三雪崩光电二极管设置在所述偏振探测腔外；所述分光反射腔垂直于所述偏振探测腔，所述第四准直透镜设置在所述分光反射腔内，所述第四雪崩光电二极管设置在所述分光反射腔外；所述偏振分光棱镜设置在所述偏振探测腔与所述分光反射腔交叉的位置处；
所述偏振探测腔贯穿所述偏振测量模块相对的两端，所述第二准直透镜设置在所述偏振探测腔靠近所述主测量腔的一端，所述第二准直透镜和所述第三准直透镜的凸面均朝向所述偏振分光棱镜；所述第三雪崩光电二极管正对所述偏振探测腔远离所述主测量腔的一端；
所述测量系统还包括与所述入射光准直模块设置在所述主测量模块同侧的光消散模块，所述光消散模块内部设置有与所述主测量腔连通的光消散腔，所述光消散腔贯穿所述光消散模块相对的两端；
所述主测量腔内设置有第一高反镜和第二高反镜，所述第一高反镜对应所述光消散腔设置在所述主测量腔与所述第一探测腔连通的位置处；所述第二高反镜对应所述准直腔设置在所述主测量腔与所述偏振探测腔连通的位置处；所述第一高反镜和第二高反镜相对设置；
所述分光反射腔远离所述偏振探测腔的一端贯穿所述偏振测量模块，所述第四准直透镜的凸面朝向所述偏振分光棱镜，所述第四雪崩光电二极管正对所述分光反射腔远离所述偏振探测腔的一端。
2.根据权利要求1所述的单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统，其特征在于：所述入射光准直模块远离所述主测量模块的一端设置有二极管激光器，所述二极管激光器伸入所述准直腔内，且所述二极管激光器与所述第一准直透镜相距一定距离。
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