CN111103217B - 一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其中，包括柔性腔体、覆盖在柔性腔体内壁上的遮光膜层、设置在柔性腔体顶部的支撑结构、设置在柔性腔体底部的通气孔、设置在柔性腔体底部的支撑板、设置在柔性腔体支撑板上的光散射浊度计。测量开始时，通过通气孔排空腔体内的空气，之后注入待测气溶胶，利用光散射浊度计测量所述气溶胶的粒子特征。由于在密闭腔体内测量，测量粒径范围较广，并且相对于难以抽气的刚性腔体来说，柔性腔体可以利体积的变化排空空气，降低了腔体加工成本，节省了大量的气体，同时换气的速度得到加快，提高了测量效率。另外柔性体积扩大便捷，大体积减小了腔体壁的漫散射，有利于提高测量的信噪比。

Description

一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置

技术领域

本发明涉及光学和测量领域，具体涉及一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置。

背景技术

气溶胶是大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，是指悬浮在地球大气中的具有一定稳定性的，沉降速度小的，尺度范围在0.001μm～几十μm之间的分子团、液态或固态粒子所组成的混合物。气溶胶能吸收和散射太阳辐射，改变云辐射特性和生命周期，直接和间接地影响地气系统能量收支与水循环，也是影响地球环境的重要因素。

在确定气溶胶的气候效应时，需要测量气溶胶的化学成分、粒子尺度分布及其时空分布等粒子特征。目前测量气溶胶粒子特征的方法有很多，例如光散射浊度计。光散射浊度计是利用激光光束与气溶胶颗粒物碰撞时产生的散射光来测量气溶胶的粒子特征。目前光散射浊度计的待测气体储存及输送方式主要有以下两种：第一种是在散射中心下方安装一喷嘴，待测气溶胶经气管输送至喷嘴喷射到散射中心。这种方法需要精确控制气体的流速，保证气体的稳定性，并且由于空气中存在的气溶胶的影响，无法测量氮气等纳米级的小粒径颗粒。第二种方法是利用密封腔体，首先用氮气冲洗几次排出腔体中的空气，再将待测气溶胶通到腔体中，待气溶胶稳定之后再进行测量。由于腔体壁的漫反射，腔体体积越大，实验信噪比越高。但是，这种方法使用的氮气和气溶胶量大，换气速度慢，并且由于腔体体积较大，其中的空气很不容易排干净，残留的空气中的气溶胶颗粒会影响实验结果。

可见，亟需一种测量粒径范围广，节约气体，响应速度快精度高且成本低廉的光散射浊度计装置。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，解决了现有技术中在测量气溶胶的粒子特征时，测量粒径范围小、浪费气体，换气速度慢且成本高的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供了一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，包括：柔性腔体、覆盖在所述柔性腔体内壁上的遮光膜层、设置在所述柔性腔体的顶部的支撑结构、设置在所述柔性腔体的底部的通气孔、设置在所述柔性腔体的底部的支撑板、设置在所述柔性腔体的支撑板上的光散射浊度计；

测量开始时，通过所述通气孔排空所述柔性腔体内的空气，之后，向所述柔性腔体中注入待测气溶胶，利用所述光浊度计测量所述待测气溶胶的粒子特征。

在一种可能实施方式中，上述快速响应的高精度光散射浊度计测量装置还包括密封条；

所述柔性腔体通过所述密封条与所述支撑板密封连接。

在一种可能实施方式中，上述快速响应的高精度光散射浊度计测量装置还包括支撑架；所述柔性腔体上还设置有多个可伸缩固定部；

所述柔性腔体通过所述可伸缩固定部固定在所述支撑架上。

在一种可能实施方式中，所述柔性腔体为塑料膜腔体。

在一种可能实施方式中，所述遮光膜层为黑色遮光膜层。

在一种可能实施方式中，所述光散射浊度计包括光源、第一偏振片、第一四分之一波片、至少三个光探测组件以及处理部件；所述光探测组件包括第二偏振片、第二四分之一波片、成像部件以及光探测部件；

所述光源、第一偏振片与第一四分之一波片同光轴排列；所述第二偏振片与第二四分之一波片同光轴排列；所述至少三个光探测组件均匀分布在以目标物体为圆心形成的圆的圆弧上；所述成像部件位于所述第二偏振片的输出光路上，所述光探测部件沿所述成像部件的成像平面滑动设置；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片可旋转设置；所述光探测部件与所述处理部件通信连接；

所述光源发射的光线射入所述第一偏振片，并由所述第一偏振片射入第一四分之一波片，所述第一四分之一波片射出的光线照射目标物体；目标物体对所述第一四分之一波片射出的光线进行散射得到的散射光线射入所述至少三个光探测组件；所述散射光线依次经过所述第二四分之一波片、所述第二偏振片射入所述成像部件，并在所述成像部件上形成检测图像；所述光探测部件对所述检测图像进行扫描，得到检测数据，并将所述检测数据发送给所述处理部件；所述处理部件根据接收到的检测数据确定所述目标物体的粒子特征。

在一种可能实施方式中，所述第一四分之一波片绕所述第一四分之一波片的光轴可旋转设置；所述第二四分之一波片旋转绕所述第二四分之一波片的光轴可旋转设置；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的旋转速度成预设比例设置。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置。具备以下有益效果：

本发明实施例的基于应用于光散射浊度计的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置包括柔性腔体、覆盖在所述柔性腔体内壁上的遮光膜层、设置在所述柔性腔体的顶部的支撑结构、设置在所述柔性腔体的底部的通气孔、设置在所述柔性腔体的底部的支撑板。测量开始时，通过通气孔排空柔性腔体内的空气，利用光浊度计测量所述待测气溶胶的粒子特征。上述装置由于在密闭的腔体内测量气溶胶的粒子特性，因此能够测量小粒径的气溶胶的粒子特征，测量粒径范围较广，并且相对于难以抽气的刚性腔体来说，柔性腔体可以利腔体体积的变化排空腔体内的空气，降低了腔体加工成本，节省了大量的气体，同时换气的速度得到加快，提高了测量效率。另外柔性的腔体相较于刚性的腔体，体积扩大比较便捷，有利于提高测量的信噪比，同时降低腔体的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性的示出了本发明一实施例的应用于光散射浊度计的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置的结构示意图。

图2示意性的示出了本发明另一实施例中的基于光散射偏振浊度计的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请提供了一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，包括：柔性腔体12、覆盖在所述柔性腔体内壁上的遮光膜层13、设置在柔性腔体顶部的支撑结构17、设置在所述柔性腔体的底部的通气孔16、设置在所述柔性腔体的底部的支撑板15、设置在所述柔性腔体的支撑板上的光散射浊度计19。测量开始时，通过所述通气孔16排空所述柔性腔体内的空气，之后，向所述柔性腔体中注入待测气溶胶，利用所述光浊度计测量所述待测气溶胶的粒子特征。

如图1所示，应用于光散射浊度计的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置还包括密封条14。所述柔性腔体通过所述密封条14与所述支撑板15密封连接。支撑板15一般设置在柔性腔体的底部，并且柔性腔体的底部设置有开口，开口部分通过密封条与支撑板密封连接。支撑板用于支撑光散射浊度计。

如图1所示，应用于光散射浊度计的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置还包括支撑架11；所述柔性腔体12上还设置有多个固定部18。所述柔性腔体通过所述固定部18固定在所述支撑架上。优选的，支撑架中的中空体积应该能够容纳柔性腔体。固定部可以是设置在柔性腔体上的可伸缩挂钩，可以设置4个可伸缩挂钩，分别用于将柔性腔体固定在支撑架的四个角上。

在具体实施时，柔性腔体可以为塑料膜腔体，塑料膜的腔体柔性更大，更利于排气。本发明通过塑料薄膜的排气和充气过程，可以加快换气速度，节约氮气和待测气体，节省了腔体的加工成本，提高实验效率。腔体壁的漫反射，光散射浊度计的测量结果与腔体的大小关系密切，腔体越大，漫反射的影响越小，信噪比就越高。塑料薄膜的使用可以方便的扩大腔体的体积，提高实验的信噪比。

传统储存气体的腔体由不锈钢板或铝板制成，成本高且重量大，不易移动。而由塑料薄膜制成的腔体成本低廉切重量轻，方便收纳，更加适用于外场实验。

另外，传统钢板制成的腔体，随着体积的增大，密封性更不容易达到，成本更高，而塑料薄膜制成的腔体由于材料柔软，可以方便的使用密封条密封抽气，更加保证了实验的精确性。

在具体实施时，遮光膜层可以为黑色遮光膜层，黑色的遮光膜层能够避免外界的干扰光射入腔体内部，影响测量精度。

本发明中，测量开始前，用抽气泵从气孔将柔性腔体内空气抽尽，由于重力和腔体内压强的作用，可伸缩挂钩伸长，腔体体积减小，同时腔体顶部的支撑结构与铝型材连接，可以避免腔体与浊度计装置接触，影响实验装置。抽气完成后将待测气溶胶由气孔通入，位于腔体内部的气压计检测到内外气压平衡后，可伸缩挂钩缩短，柔性腔体因此被固定在铝型材的支撑架上，此时腔体内部是纯净的待测气溶胶，待气流稳定后启动光散射浊度计进行检测。本发明的实施例解决了现有光散射浊度计在测量时，无法同时保证扩大测量粒径范围，节约气体，节省成本，提高换气速度的缺陷。

如图2所示，上述实施例中的光散射偏振浊度计，可以包括光源1、第一偏振片2、第一四分之一波片3、至少三个光探测组件以及处理部件；所述光探测组件包括第二偏振片8、第二四分之一波片7、成像部件9以及光探测部件10。

上述光散射偏振浊度计是一个由黑色铝板搭成的密闭腔体，气溶胶颗粒物，即目标物体经进气孔进入，均匀的分布在腔体中。

如图所示，所述光源1、第一偏振片2与第一四分之一波片3同光轴排列。所述第二偏振片8与第二四分之一波片7同光轴排列；所述至少三个光探测组件均匀分布在以目标物体为圆心形成的圆的圆弧上。所述成像部件9位于所述第二偏振片8的输出光路上，所述光探测部件10沿所述成像部件9的成像平面滑动设置，用于采集成像平面上所成的检测图像的检测数据；所述第一四分之一波片3和第二四分之一波片7可旋转设置；所述光探测部件10与所述处理部件通信连接。

所述光源1发射的光线射入所述第一偏振片2，并由所述第一偏振片2射入第一四分之一波片3，所述第一四分之一波片3射出的光线照射目标物体4；目标物体4对所述第一四分之一波片3射出的光线进行散射得到的散射光线射入所述至少三个光探测组件；所述散射光线依次经过所述第二四分之一波片7、所述第二偏振片8射入所述成像部件9，并在所述成像部件9上形成检测图像；所述光探测部件10对所述检测图像进行扫描，得到检测数据，并将所述检测数据发送给所述处理部件；所述处理部件根据接收到的检测数据确定所述目标物体的粒子特征。

三个第二偏振片8沿光轴排列，与光轴所成角度如图所示。目标物体的不同角度的第二四分之一波片7、散射光经第二偏振片8后由成像部件会聚到像平面上，由沿像平面移动的光探测部件接收并记录，得到检测数据。

上述第一四分之一波片3绕所述第一四分之一波片3的光轴可旋转设置；所述第二四分之一波片7旋转绕所述第二四分之一波片7的光轴可旋转设置；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的旋转速度成预设比例设置。所述第一四分之一波片的旋转速度为所述第二四分之一波片的旋转速度的五分之一。

上述处理部件具体用于根据在不同时刻接收的检测数据确定所述目标物体的粒子特征，上述检测数据为光探测器在36个时刻采集的数据。具体地，处理部件根据不同时刻接收的检测数据生成穆勒矩阵，并根据生成的穆勒矩阵确定目标物体的粒子特征。

测量过程中，根据双旋转补偿器型穆勒矩阵测量法的测量原理，第一四分之一波片3和第二四分之一波片7由电机控制，以1：5的角速度同步旋转，每旋转一次，三个光探测部件同时从左至右扫描成像部件的成像平面一次，一共旋转36次得到36组检测数据，通过对检测数据的一系列处理可以得到不同角度散射光的穆勒矩阵。通过对穆勒矩阵的分析可以得到气溶胶颗粒物的粒径大小，折射率等粒子特征。

如图2所示，上述光散射偏振浊度计还可以包括：反射镜5、光陷阱6。

所述反射镜5设置在以目标物体为圆心形成的圆的预设直径，的远离所述第一四分之一波片的一端，即反射镜5设置在第一四分之一波片的输出光路上。所述预设直径的两端分别为所述第一四分之一波片和所述反射镜。

所述光陷阱6设置在所述反射镜5的输出光路上。

气溶胶散射的光纤经反射镜和光陷阱吸收，能够有效避免杂散光射入光探测组件。

上述光探测部件优选的包括雪崩光电二极管。

在一些实施例中，所述至少三个光探测组件中的一个的三个光探测组件中的，第二偏振片和第二四分之一波片的光轴与所述第一偏振片的光轴平行。

上述光散射偏振浊度计还包括至少三个电机；每个所述电机与一个所述光探测部件连接，所述电机带动对应的光探测部件沿所述成像平面滑动，以采集检测数据。

另外，光散射偏振浊度计还可以包括四个电机，每个电机分别控制一个四分之一波片，带动对应的四分之一转动。

本发明通过控制两个旋转补偿器同步连续旋转，可以获得穆勒矩阵的全部16个元素。既利用了散射光强度所包含的气溶胶辐射特性信息，又充分利用了散射光位相所包含的气溶胶辐射特性信息，在反演精度上高于普通散射法。光探测组件采用直线电机连续扫描的方式，可以获得在大角度范围内任意一个角度的散射光光强，角分辨率大大提高。并且，电机的直线扫描方式稳定性好，测量精度高。三个光探测组件对不同的散射角度同时扫描，极大的提高了扫描速度。收集了大角度范围的散射光，可以获得较高的信噪比，能更好的反演颗粒物的粒径分布，折射率等参数。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其特征在于，包括：柔性腔体、覆盖在所述柔性腔体内壁上的遮光膜层、设置在所述柔性腔体的顶部的支撑结构、设置在所述柔性腔体的底部的通气孔、设置在所述柔性腔体的底部的支撑板、设置在所述柔性腔体的支撑板上的光散射浊度计、设置在腔体内部的气压计；

还包括支撑架；所述柔性腔体上还设置有多个可伸缩固定部；

所述柔性腔体通过所述可伸缩固定部固定在所述支撑架上；

所述柔性腔体为塑料膜腔体；

测量开始时，使用抽气泵通过所述通气孔排空所述柔性腔体内的空气，由于重力和腔体内压强的作用，可伸缩固定部伸长，柔性腔体体积减小，之后，通过所述通气孔向所述柔性腔体中注入待测气溶胶，位于腔体内部的气压计检测到内外气压平衡后，可伸缩固定部缩短，柔性腔体因此被固定在支撑架上，此时腔体内部是纯净的待测气溶胶，待气流稳定后启动所述光散射浊度计测量所述待测气溶胶的粒子特征。

2.根据权利要求1所述的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其特征在于，还包括密封条；

所述柔性腔体通过所述密封条与所述支撑板密封连接。

3.根据权利要求1所述的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其特征在于，所述遮光膜层为黑色遮光膜层。

4.根据权利要求1所述的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其特征在于，所述光散射浊度计包括光源、第一偏振片、第一四分之一波片、至少三个光探测组件以及处理部件；所述光探测组件包括第二偏振片、第二四分之一波片、成像部件以及光探测部件；

所述光源、第一偏振片与第一四分之一波片同光轴排列；所述第二偏振片与第二四分之一波片同光轴排列；所述至少三个光探测组件均匀分布在以目标物体为圆心形成的圆的圆弧上；所述成像部件位于所述第二偏振片的输出光路上，所述光探测部件沿所述成像部件的成像平面滑动设置；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片可旋转设置；所述光探测部件与所述处理部件通信连接；

所述光源发射的光线射入所述第一偏振片，并由所述第一偏振片射入第一四分之一波片，所述第一四分之一波片射出的光线照射目标物体；目标物体对所述第一四分之一波片射出的光线进行散射得到的散射光线射入所述至少三个光探测组件；所述散射光线依次经过所述第二四分之一波片、所述第二偏振片射入所述成像部件，并在所述成像部件上形成检测图像；所述光探测部件对所述检测图像进行扫描，得到检测数据，并将所述检测数据发送给所述处理部件；所述处理部件根据接收到的检测数据确定所述目标物体的粒子特征。

5.根据权利要求4所述的快速响应的高精度光散射浊度计测量装置，其特征在于，所述第一四分之一波片绕所述第一四分之一波片的光轴可旋转设置；所述第二四分之一波片旋转绕所述第二四分之一波片的光轴可旋转设置；所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的旋转速度成预设比例设置。

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