CN110987736A - 一种气溶胶粒谱与浓度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气溶胶粒谱与浓度测量装置及方法，包括：上盖和底座；其中，底座用于使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，从不同预设角度接收散射光，并根据散射光的光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度，本发明使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，得到从不同预设角度接收的散射光的光强信息，使测量得到的光散射信号能够更多维地携带粒谱信息，相当于从另一个维度增加不同波长光入射的效果，节约了大量的入射光，使得根据所得光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出的测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度的精确度较高。

Description

一种气溶胶粒谱与浓度测量装置及方法

技术领域

本发明属于气溶胶在线监测领域，更具体地，涉及一种气溶胶粒谱与浓度测量装置及方法。

背景技术

大气气溶胶是气候效应和环境效应中的重要影响因子，气溶胶颗粒物增多对人体健康和大气环境造成了诸多负面影响，具体表现在以下几方面：①引起呼吸道疾病及心肺疾病，尤其是可入肺颗粒物PM2.5(空气动力学等效直径小于等于2.5μm的颗粒)；②可直接导致大气污染，使得大气能见度降低，对人体健康造成极大危害；③吸收和散射太阳辐射、发射红外辐射，直接改变地─气系统的能量收支，影响气候变化；④导致酸沉降严重，使农业和林业等方面造成重大损失。因此，准确监测及控制大气气溶胶粒谱及浓度是一项紧迫且具有重大经济意义的任务。

目前使用的粒子分布测量技术主要有空气动力学、光学粒子计数、光学粒子衍射和扫描电迁移率等方法。空气动力学粒谱测量方法是利用不同大小的粒子在空气中运动速度不同，测量粒子通过一定距离所需的时间来区分其大小并计数，由于0.5μm以下的小粒子运动速度变化不大，因此使用该方法无法区分。并且该方法需要通过鞘气或完全洁净的空气稀释将粒子严格分开后测量，否则精度很低，因此只能作为实验室仪器使用。光学粒子衍射粒谱测量方法是利用不同大小的粒子其衍射光的角度不同，以获得粒子分布，但该方法需要精确定位不同的衍射感光角度，光学结构和光学元件精密并复杂，而且从被采样粒子到收光镜头的距离必须达到特定要求，因此无法应用于传感器，也只能作为实验室仪器使用。光学粒子计数方法是根据粒子MIE散射原理，按照粒子光散射信号大小来区分粒径。但为了正确计数，需要辅助措施保证同一时刻仅有一个或一类粒子通过测量区域，也不适合作为普通传感器使用。对于简易的便携式光学粒子计数器，由于无法使用粒子分类辅助措施，一般只能给出5-6个粒径大小分类，不是完整的粒谱。扫描电迁移率方法是按照粒子大小不同其附着相同电量所获得的迁移速率不同而区分粒子，再由光学粒子计数器获得粒谱，由于该方法不但需要扫描电迁移设备，而且还要有光学粒子计数器配合，复杂度很高，也只是实验仪器。由上可知能够简便、实时地区分不同大小粒子的粒径是气溶胶粒度谱感知的关键和难点，现有方法中，有些方法需要严格控制实验条件，对气溶胶进行稀释分离的预处理或者需要复杂精细的实验仪器，只适合在是实验室使用；有些方法是根据统计规律，把大气气溶胶近似为对数正态分布或者Junge分布这种理想化分布，利用传感器测量结果求解分布函数的关键参数，与理想假设模型有偏差的大气气溶胶无法实现精确而简便的测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气溶胶粒谱与浓度测量装置及方法，其目的在于解决现有技术由于需要对气溶胶分布做理想化假设来求解分布函数的关键参数而导致的测量不精确的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种气溶胶粒谱与浓度测量装置，包括：上盖和底座；

其中，上盖固定在底座上，与底座构成光学暗室空间，用于提供气溶胶粒谱与浓度的测量区域；

底座用于使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，分别从不同预设角度接收散射光，并根据散射光的光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

进一步优选地，底座包括光路模块、电路控制模块和信号处理模块；

光路模块用于对从预设入射角度入射的不同波长的入射光分别进行限宽处理得到窄束光信号，使窄束光信号与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，得到散射光，并将从不同预设角度接收的散射光光信号转换为电信号，输出到电路控制模块中；

电路控制模块用于控制光路模块中的光源，使其依次发射出不同波长的入射光；控制光路模块中的光电探测器，使其接收光束；以及对光路模块输出的电信号进行放大滤波，并转换为带标记的数字信号传送至信号处理模块；

信号处理模块用于接收电路控制模块输入的数字信号，得到从不同预设角度接收的不同波长的散色光光强信息，根据所得光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

进一步优选地，光路模块包括发光孔、收光孔、光源、第一凸透镜、光阑、第二凸透镜和光电探测器；

其中，发光孔、收光孔置于底座的内部，并分别与底座的上表面之间具有预设倾斜角度，光源和第一凸透镜放置在发光孔中，收光孔有多个，对应的，第二凸透镜和光电探测器也有多组，分别放置在各收光孔中，光阑置于底座的上表面；

发光孔用于固定光源和第一凸透镜的位置，从而使光束能够以预设角度入射到光阑中；

收光孔用于固定各第二凸透镜和光电探测器的位置，使其能够接收预设角度方向的光信号；

光源用于将不同波长的光依次发射到第一凸透镜中；

第一凸透镜用于接收来自发光源的入射光，并将入射光汇聚为平行光束后，发射到光阑中；

光阑用于限制来自第一凸透镜的平行光束的宽度并消除杂散光，并将所得的窄束入射光发送至气溶胶粒谱与浓度的测量区域，与待测气溶胶发生散射作用后，将所得散射光发射至第二凸透镜；

第二凸透镜用于接收预设角度方向的散射光，并使散射光汇聚为平行光束后发射到对应的光电探测器中；

光电探测器用于将第二凸透镜入射的散射光的光信号转变为电信号。

进一步优选地，上述收光孔个数大于等于4，对应的，第二凸透镜和光电探测器的个数也分别大于等于4，用于增加散射光的角度信息，其中，各收光孔与底座的上表面之间的预设倾斜角度相同，与发光孔所成的角度各不相同。

进一步优选地，上述光源为多波长LED光源；上述电路控制模块用于控制光路模块中的多波长LED光源，选用一组波长与预设的等间隔增加的气溶胶粒径相对应的入射光，并依次发射出去；其中，对于每一个气溶胶粒径，均对应一组波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光。

进一步优选地，上盖包括滤光片和进气孔；

滤光片固定在上盖的下表面，且位于测量区域的上方，用于吸收直射过来的光束，从而避免光束反射回去对测量造成干扰；

进气孔均匀环绕在上盖的侧面，用于使待测气溶胶进入装置内部。

进一步优选地，上述进气孔由光阑构成，以防止外界光线进入测量区对测量结果造成影响。

本发明提出了一种基于本发明第一方面所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置的气溶胶粒谱与浓度测量方法，包括以下步骤：

S1、将具有一定入射角度的波长连续变化的入射光依次经过汇聚作用后，进行限宽处理，分别得到各窄束光信号；将所得各窄束光信号，分别在测量区域中与待测气溶胶发生散射作用，经汇聚后得到不同预设角度方向的各散射光，并将各散射光信号转换为相应的电信号；

S2、对各电信号进行放大后，转换为带标记的各数字信号；

S3、根据所得数字信号，得到在不同入射光波长条件下分别从不同预设角度接收的散射光的光强信息；根据所得光强信息，建立气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型，并计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度；其中，待测气溶胶浓度包括气溶胶颗粒数量浓度、表面积浓度及体积浓度。

进一步优选地，根据测量目标，预设一组气溶胶粒径，各粒径大小等间隔增加，对于每一个气溶胶粒径，分别选取波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光，从而得到一组波长连续变化的入射光；其中，测量目标包括气溶胶粒径小于等于2.5微米的pm2.5和气溶胶粒径小于等于10微米的pm10。

进一步优选地，上述气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型的矩阵表达式为：

E_P×1＝T_P×NW_N×1

其中，E_P×1为M种不同入射光波长条件下的从Q种不同预设角度方向接收的散射光强度分布向量，P＝M×Q表示不同组合的总数量，T_P×N为响应系数矩阵，N为气溶胶中粒子粒度的种类，W_N×1为待求气溶胶粒度分布列向量，P、M、Q、N均为正整数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种气溶胶粒谱与浓度测量装置，使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，从不同预设角度接收散射光，使接收到的光散射信号能够更多维地携带粒谱信息，相当于从另一个维度增加不同波长光入射的效果，节约了大量的入射光，并且使得根据散射光的光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出的测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度的精确度较高。

2、根据MIE散射理论可知，气溶胶颗粒物的光散射强度还有探测角度有关，即在相同的入射光波长，不同的探测器接收光角度下也能得到散射光强度随颗粒物粒径变化的关系，可以作为波长变化的辅助，通过波长与角度两个维度的任意组合，可在传感器复杂度变化很小的同时成倍增加测量得到的光散射信号携带的粒谱信息，使大气颗粒物粒子分布重建方法的测量精确，并且不需要复杂的预处理和精细的实验仪器，在一般条件下即可使用，更加实用。

3、本发明使用可发射多种波长光的LED，控制不同时隙发射不同波长的光，不仅节省空间，使传感器更加简易便携，而且可以确保不同波长光间不会互相干扰，且电路控制模块可以控制各种波长的光快速(微秒级)切换，可以认为各波长同时测量，不同光电探测器有其独立的数据传输、存储单元，也可同时工作。

4、由于当入射光波长大于等于气溶胶粒径时，该波长的入射光与气溶胶粒子发生散射作用后的散射光强度与该气溶胶粒子的体积成正比；当入射光波长小于气溶胶粒径时，该波长的入射光与气溶胶粒子发生散射作用后的散射光强度与该气溶胶粒子的表面积成正比；本发明根据测量目标，预设一组气溶胶粒径，各粒径大小等间隔增加，对于每一个气溶胶粒径，分别选取波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光，从而得到一组波长连续变化的入射光，从而可以使每一种波长的入射光与气溶胶发生散射作用后得到的散射光强度带有足够多的信息，从而使得测量更加精确。

5、的粒子的散射光强度近似与对应粒子表面积成正比，粒径接近于该波长的粒子的散射光强度近似与对应粒子体积成正比这一统计规律，

6、本发明所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置简单，可以实时便捷地获取无分布函数的气溶胶的粒谱及浓度信息，更具体地，可以应用于空气质量监测领域的大气颗粒物粒谱与浓度监测。

7、本发明提供了一种气溶胶粒谱与浓度测量方法，采用多波长入射光和多接收角度，通过MIE氏理论公式计算得到各种粒径的粒子在这些波长与角度组合下的光散射强度，建立各单一颗粒物与散射光强间的关系，实际应用中光电探测器测量所得的光强，即为各单一颗粒物散射光强的线性组合，其线性组合系数即为待求气溶胶粒谱的概率密度，因而，在此模型下，可以不对气溶胶的分布作出假设而直接反演求解待测气溶胶颗粒物概率密度函数，即气溶胶粒谱，并进一步基于所得粒谱根据积分公式精确求得气溶胶的浓度，更加贴近实际，测量更精确。

附图说明

图1是本发明所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置示意图；

图2是本发明所提供的气溶胶粒谱及浓度测量装置的光路模块的结构示意图；

图3是本发明实施例1所提供的气溶胶粒谱及浓度测量装置的底座结构的正面示意图。

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，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种气溶胶粒谱与浓度测量装置，如图1所示，包括：上盖1和底座2；

其中，上盖1固定在底座2上，与底座2构成光学暗室空间，用于提供气溶胶粒谱与浓度的测量区域；

优选地，上盖1包括滤光片和进气孔11；

滤光片固定在上盖的下表面，置于装置内部且位于测量区域的上方，用于吸收直射过来的光束，从而避免光束反射回去对测量造成干扰；

进气孔11均匀环绕在上盖的侧面，用于使待测气溶胶进入装置内部。进一步优选地，上述进气孔由光阑构成，以防止外界光线进入测量区对测量结果造成影响。

底座2用于使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，从不同预设角度接收散射光，并根据散射光的光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

优选地，底座2包括光路模块21、电路控制模块22和信号处理模块23；

光路模块21用于对从预设入射角度入射的不同波长的入射光分别进行限宽处理得到窄束光信号，使窄束光信号与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，得到散射光，并将从不同预设角度接收的散射光光信号转换为电信号，输出到电路控制模块22中；

优选地，如图2所示，光路模块包括发光孔211、收光孔212、光源213、第一凸透镜214、光阑215、第二凸透镜216和光电探测器217；

其中，发光孔211、收光孔212置于底座2的内部，并分别与底座2的上表面之间具有预设倾斜角度，光源213和第一凸透镜214放置在发光孔211中，收光孔212有多个，对应的，第二凸透镜216和光电探测器217也有多组，分别放置在各收光孔212中，光阑215置于底座2的上表面；

发光孔212用于固定光源213和第一凸透镜214的位置，从而使光束能够以预设角度入射到光阑中；收光孔212用于固定各第二凸透镜216和光电探测器217的位置，使其能够接收预设角度方向的光信号；光源213用于将不同波长的光依次发射到第一凸透镜214中；第一凸透镜214用于接收来自发光源213的入射光，并将入射光汇聚为平行光束后，发射到光阑215中；光阑215用于限制来自第一凸透镜214的平行光束的宽度并消除杂散光，并将所得的窄束入射光发送至气溶胶粒谱与浓度的测量区域A，与待测气溶胶发生散射作用后，将所得散射光发射至第二凸透镜216；第二凸透镜216用于接收预设角度方向的散射光，并使散射光汇聚为平行光束后发射到对应的光电探测器217中；光电探测器217用于将第二凸透镜216入射的散射光的光信号转变为电信号。

具体的，从光源213发出的入射光以预设角度入射到第一凸透镜214中后，在第一凸透镜214中汇聚为平行光束，发射到光阑215中，光阑215对发送过来的平行光束的宽度进行限制并消除其中的杂散光，然后将所得的窄束入射光发送至气溶胶粒谱与浓度的测量区域，与待测气溶胶发生散射作用后，将所得散射光，发射至第二凸透镜216中，第二凸透镜216接收预设角度方向的散射光，将散射光汇聚为平行光束后发射到光电探测器217中，将光信号转变为电信号。

进一步优选地，上述收光孔个数大于等于4，对应的，第二凸透镜216和光电探测器217的个数也分别大于等于4，分别置于各收光孔中，用于增加散射光的角度信息，其中，各收光孔与底座的上表面之间的预设倾斜角度相同，与发光孔所成的角度各不相同。当测量波长过少时，现有的各种方法均无法很好地反演无分布函数的粒谱，通过增加了光电探测器测量到的散射光的角度信息，可以从另一个维度增加不同波长光入射的效果，在节约了大量入射光，操作方便。

电路控制模块22用于控制光路模块21中的光源，使其依次发射出不同波长的光；控制光路模块中的光电探测器，使其接收光束；以及对光路模块输出的电信号进行放大滤波，并转换为带标记的数字信号传送至信号处理模块23；优选地，上述光源为多波长LED光源，电路控制模块22用于控制光路模块中的多波长LED光源，选用一组波长与预设的等间隔增加的气溶胶粒径相对应的入射光，并依次发射出去；其中，对于每一个气溶胶粒径，均对应一组波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光。

信号处理模块23用于接收电路控制模块22输入的数字信号，得到从不同预设角度接收的不同波长的散色光光强信息，根据所得光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

为了进一步说明本发明所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置，下面结合实施例进行详述：

实施例1、

如图3所为本实施例所提供的一种气溶胶粒谱及浓度测量装置的底座结构剖面图，其中，211为发光孔，215为光阑，218、219、2110、2111均为为与上盖连接的螺纹孔，收光孔数量为4个，分别记为2121、2122、2123和2124，且与底座的上表面之间的预设倾斜角度均为20°，与发光孔所成的角度分别为40°、71.1°、105.7°和114.8°。对应的，第二凸透镜和光电探测器的个数也分别为4个，分别置于各收光孔中，分别接受40°、71.1°、105.7°和114.8°方向的散射光信号。发光孔与底座的上表面之间的预设倾斜角度为20°，内置可发射400nm、600nm和900nm三种波长光的LED光源，电路控制模块用来控制不同波长光源的切换，具体的，光源发射器型号为HSE400.600.900H-M807X。

电路控制单元控制光源在不同时隙依次快速轮流发出400nm、600nm和900nm三种波长的光束。从光源发射出去的各光束分别经过第一凸透镜、光阑到达测量区域与待测气溶胶发生散射作用后，各个收光孔中的第二凸透镜和光电探测器分别接收40°、71.1°、105.7°和114.8°方向的散射光信号，并将其转换成电信号。在光束传送过程中，其他无用光和杂散光入射到上盖时会被上盖中的滤光片吸收，减小干扰。

第二方面，本发明提出了一种基于本发明第一方面所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置的气溶胶粒谱与浓度测量方法，包括以下步骤：

S1、将不同波长的预设入射角度的入射光依次经过汇聚作用后，进行限宽处理，分别得到各窄束光信号；将所得各窄束光信号，分别在测量区域中与待测气溶胶发生散射作用，经汇聚后得到不同预设角度方向上的散射光，并将各散射光信号转换为相应的电信号；

优选地，根据测量目标，预设一组气溶胶粒径，各粒径大小等间隔增加，对于每一个气溶胶粒径，分别选取波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光，从而得到一组波长连续变化的入射光；其中，测量目标包括气溶胶粒径小于等于2.5微米的pm2.5和气溶胶粒径小于等于10微米的pm10。由于当入射光波长大于等于气溶胶粒径时，该波长的入射光与气溶胶粒子发生散射作用后的散射光强度与该气溶胶粒子的体积成正比；当入射光波长小于气溶胶粒径时，该波长的入射光与气溶胶粒子发生散射作用后的散射光强度与该气溶胶粒子的表面积成正比；本发明通过以上方法可以使每一种波长的入射光与气溶胶发生散射作用后得到的散射光强度带有足够多的信息，从而使得测量更加精确。

具体的，在某些可选的实施例中测量pm2.5，即测量气溶胶粒径范围d小于或等于2500nm的气溶胶粒谱与浓度时，拟采用10种波长的入射光，则先将气溶胶粒径等间隔分为10组，0-250nm，251-500nm，…，2250-2500nm，此时在250nm波长光入射下，粒径小于250nm的粒子的散射光强度与粒子体积成正比且比例系数相等，粒径大于250nm的粒子的散射光强度与粒子表面积成正比且比例系数相等，在1000nm波长光入射下，粒径小于1000nm的粒子的散射光强度与粒子体积成正比且比例系数相等，粒径大于1000nm的粒子的散射光强度与粒子表面积成正比且比例系数相等，为了使每一种波长的入射光与气溶胶发生散射作用后得到的散射光强度带有足够多的信息，使测量更加精确，故选用250nm，500nm，…，2500nm这10种入射光波长。

S2、对所得各电信号进行放大滤波后，分别转换为带标记的数字信号；

S3、根据所得数字信号，得到在不同入射光波长条件下分别从不同预设角度接收的散射光的光强信息；根据所得光强信息，建立气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型，并计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度；其中，待测气溶胶浓度包括气溶胶颗粒数量浓度、表面积浓度及体积浓度。

具体的，为了进一步说明本发明所提供的气溶胶粒谱与浓度测量方法，下面结合实施例进行详述：

实施例2、

以实施例1所提供的气溶胶粒谱与浓度测量装置为例进行操作，其中，入射光的预设入射角度与底座的上表面呈20度的夹角。

首先依次发射波长为400nm、600nm、900nm的入射光，经过汇聚作用后，进行限宽处理，分别得到各窄束光信号；将所得各窄束光信号，分别在测量区域中与待测气溶胶发生散射作用，经汇聚后得到40°、71.1°、105.7°和114.8°四个方向上的散射光，并将各散射光信号转换为相应的电信号；对所得各电信号进行放大滤波后，分别转换为带标记的数字信号，得到从不同预设角度接收的不同波长的散色光光强信息，如下：

(1)光源发射波长为400nm的入射光，与测量区域内待测气溶胶颗粒作用后，在40°、71.1°、105.7°和114.8°四个方向上接收到的散射光强度分别为E₁₁、E₁₂、E₁₃、E₁₄；

(2)光源发射波长为600nm的入射光，与测量区域内待测气溶胶颗粒作用后，在40°、71.1°、105.7°和114.8°四个方向上接收到的散射光强度分别为E₂₁、E₂₂、E₂₃、E₂₄；

(3)光源发射波长为900nm的入射光，与测量区域内待测气溶胶颗粒作用后，在40°、71.1°、105.7°和114.8°四个方向上接收到的散射光强度分别为E₃₁、E₃₂、E₃₃、E₃₄；

然后，根据所得光强信息，分析不同入射光光波长、不同接收角度条件下光强信息与气溶胶粒度的对应关系，建立气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型，并计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度，其中，待测气溶胶浓度包括气溶胶颗粒数量浓度、表面积浓度及体积浓度。

具体的，根据MIE氏散射理论公式，将N种粒度的待测气溶胶粒径依次带入各组波长+角度的组合中，得到颗粒物粒径、入射光波长、散射光接收角度、散射光强度间的关系，进一步得到气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型。其中，MIE氏散射理论公式为

其中，E_S是光电探测器接收到的散射光强度，λ为入射光波长，r是光电探测器到待测粒子的距离，S(d,λ,m,θ)为无解析表达的高阶递推关系式，d为颗粒物粒径，m为颗粒物折射率，θ为接收角度，E₀是光源入射光强度。

具体的，气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型的矩阵表达式为：

E_12×1＝T_12×NW_N×1

其中，E_12×1＝[E₁₁,E₁₂,E₁₃,E₁₄,E₂₁,E₂₂,E₂₃,E₂₄,E₃₁,E₃₂,E₃₃,E₃₄]^T，表示3种不同入射光波长条件下从4种不同预设角度方向接收的散射光强度分布向量，共12个通道，

为响应系数矩阵,其中，响应系数

表示第k种粒度的粒子在第i种波长的入射光作用下从第j角度方向接收的的散射光的强度，其中，i∈{1,2,3},j∈{1,2,3,4},k∈{1,…,N}，N为气溶胶中粒子粒度的种类，W_N×1＝[w₁,w₂，…,w_N]^T为待求气溶胶粒度分布列向量，其中，第k种粒度w_k＝f(d_k)×v(d_k)，f(d_k)表示气溶胶中粒子粒径为d_k的概率密度，v(d_k)为只与颗粒物粒径有关的函数，具体的，v(d_k)可以与颗粒物粒径成正比，也可以与颗粒物粒径的平方(即颗粒物表面积)成正比，或者与颗粒物粒径的三次方(即颗粒物体积)成正比。

响应系数矩阵T_12×N可由MIE散射理论计算得到，将所得散射光强度E_12×1带入光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系的矩阵表达式中，可求解得到待求气溶胶粒度W_N×1。然后根据公式w_k＝f(d_k)×v(d_k)即可求得气溶胶颗粒的概率密度函数f(d)，即所求气溶胶粒谱。根据MIE散射理论可知，散射光强度E可以看做是所有气溶胶颗粒在各接收角度的散射光总和，即为E＝C_N∫f(d)q(d)dd，其中，C_N为气溶胶颗粒的数量浓度，f(d)为气溶胶粒谱，q(d)为单个粒径为d的颗粒物散射光强度。在计算出气溶胶粒度谱后，选用一种波长下的一个角度探测到的散射光即可计算得到气溶胶颗粒的数量浓度C_N，12个通道下计算出的数量浓度信息可以互相校正进一步提高测量的准确性。根据气溶胶颗粒数量浓度C_N与表面积浓度C_S及体积浓度C_V的关系，计算得到气溶胶面积浓度C_S及体积浓度C_V分别为：

C_S＝4πC_N∫d²f(d)dd

其中，C_N为气溶胶颗粒的数量浓度，f(d)为气溶胶粒谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，包括：上盖和底座；

所述上盖固定在所述底座上，与所底座构成光学暗室空间，用于提供气溶胶粒谱与浓度的测量区域；

所述底座用于使不同波长的入射光与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，分别从不同预设角度接收散射光，并根据散射光的光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

2.根据权利要求1所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，所述底座包括光路模块、电路控制模块和信号处理模块；

所述光路模块用于对从预设入射角度入射的不同波长的入射光分别进行限宽处理得到窄束光信号，使窄束光信号与测量区域中的待测气溶胶发生散射作用，得到散射光，并将从不同预设角度接收的散射光光信号转换为电信号，输出到电路控制模块中；

所述电路控制模块用于控制光路模块中的光源，使其依次发射出不同波长的入射光；控制光路模块中的光电探测器，使其接收光束；以及对光路模块输出的电信号进行放大滤波，并转换为带标记的数字信号传送至信号处理模块；

所述信号处理模块用于接收电路控制模块输入的数字信号，得到从不同预设角度接收的不同波长的散色光光强信息，根据所得光强信息与气溶胶MIE氏散射响应的对应关系，计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度。

3.根据权利要求2所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，光路模块包括发光孔、收光孔、光源、第一凸透镜、光阑、第二凸透镜和光电探测器；

所述发光孔、收光孔置于底座的内部，并分别与底座的上表面之间具有预设倾斜角度，所述光源和第一凸透镜放置在所述发光孔中，所述收光孔有多个，对应的，所述第二凸透镜和光电探测器也有多组，分别放置在各收光孔中，所述光阑置于底座的上表面；

所述发光孔用于固定光源和第一凸透镜的位置，从而使光束能够以预设角度入射到光阑中；

所述收光孔用于固定各第二凸透镜和光电探测器的位置，使其能够接收预设角度方向的光信号；

所述光源用于将不同波长的光依次发射到第一凸透镜中；

所述第一凸透镜用于接收来自发光源的入射光，并将入射光汇聚为平行光束后，发射到光阑中；

所述光阑用于限制来自第一凸透镜的平行光束的宽度并消除杂散光，并将所得的窄束入射光发送至气溶胶粒谱与浓度的测量区域，与待测气溶胶发生散射作用后，将所得散射光发射至第二凸透镜；

所述第二凸透镜用于接收预设角度方向的散射光，并使散射光汇聚为平行光束后发射到对应的光电探测器中；

所述光电探测器用于将第二凸透镜入射的散射光的光信号转变为电信号。

4.根据权利要求3所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，所述收光孔个数大于等于4，对应的，第二凸透镜和光电探测器的个数也分别大于等于4，用于增加散射光的角度信息，其中，各收光孔与底座的上表面之间的预设倾斜角度相同，与发光孔所成的角度各不相同。

5.根据权利要求2所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，所述光源为多波长LED光源；所述电路控制模块用于控制光路模块中的多波长LED光源，选用一组波长与预设的等间隔增加的气溶胶粒径相对应的入射光，并依次发射出去；其中，对于每一个气溶胶粒径，均对应一组波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光。

6.根据权利要求1所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，所述上盖包括滤光片和进气孔；

所述滤光片固定在所述上盖的下表面，且位于测量区域的上方，用于吸收直射过来的光束，从而避免光束反射回去对测量造成干扰；

所述进气孔均匀环绕在上盖的侧面，用于使待测气溶胶进入装置内部。

7.根据权利要求6所述的气溶胶粒谱与浓度测量装置，其特征在于，所述进气孔由光阑构成，以防止外界光线进入测量区对测量结果造成影响。

8.一种基于权利要求1-7任意一项所述气溶胶粒谱与浓度测量装置的气溶胶粒谱与浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将具有一定入射角度的波长连续变化的入射光依次经过汇聚作用后，进行限宽处理，分别得到各窄束光信号；将所得各窄束光信号，分别在测量区域中与待测气溶胶发生散射作用，经汇聚后得到不同预设探测角度方向的各散射光，并将各散射光信号转换为相应的电信号；

S2、对各电信号进行放大后，转换为带标记的各数字信号；

S3、根据所得数字信号，得到在不同入射光波长条件下分别从不同预设角度接收的散射光的光强信息；根据所得光强信息，建立气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型，并计算出测量区域待测气溶胶的粒度谱和浓度；其中，待测气溶胶浓度包括气溶胶颗粒数量浓度、表面积浓度及体积浓度。

9.根据权利要求8所述的气溶胶粒谱与浓度测量方法，其特征在于，根据测量目标，预设一组气溶胶粒径，各粒径大小等间隔增加，对于每一个气溶胶粒径，分别选取波长小于该粒径的入射光以及波长大于等于该粒径的入射光，从而得到一组波长连续变化的入射光；其中，测量目标包括气溶胶粒径小于等于2.5微米的pm2.5和气溶胶粒径小于等于10微米的pm10。

10.根据权利要求8所述的气溶胶粒谱与浓度测量方法，其特征在于，所述气溶胶在不同入射光波长和不同接收角度下的MIE氏散射响应与粒度的相关模型的矩阵表达式为：

E_P×1＝T_P×NW_N×1

其中，E_P×1为M种不同入射光波长条件下的从Q种不同预设角度方向接收的散射光强度分布向量，P＝M×Q表示不同组合的总数量，T_P×N为响应系数矩阵，N为气溶胶中粒子粒度的种类，W_N×1为待求气溶胶粒度分布列向量，P、M、Q、N均为正整数。

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