CN112362546B - 一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量装置技术领域，提供了一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，包括光源、测量池、参考池、过滤管道、吸风装置、抽风装置、数据处理装置和供电控制装置，测量池和参考池均设置有用于接收测试光的聚焦窗口，测量池和参考池的入射方向、背入射方向以及垂直于入射方向的方向上均设有滤光探测组件；滤光探测组件用于检测不同波长的测试光，并生成模拟信号；测量池与参考池之间通过过滤管道连通；数据处理装置与滤光探测组件通信连接；滤光探测组件和数据处理装置分别与供电控制装置电性连接。本发明能够消除因光电探测器工作温度变化引起的波动噪声，提高测试精度。

Description

一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪

技术领域

本发明涉及测量装置技术领域，具体而言，涉及一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪。

背景技术

目前，人们基于激光雷达检测环境中数十公里尺度大气颗粒物空间分布，已广泛应用于环保、气象等领域，如确定污染源分布、预测沙尘暴等。激光雷达基于气体后向散射光的颗粒物测量方法，具有大面积、实时监测的优势，但其一般采用大功率气态激光器，且对颗粒物质量浓度的测量精度有限。且现有的光电探测器在工作温度变化的情况下会产生波动噪声，影响实际测量结果。

申请内容

本发明的目的在于提供一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其消除了因光电探测器工作温度变化引起的波动噪声；通过交变工作模式增加单位时间内的采样次数，减小测试时的低频噪声干扰，提高测试精度。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，包括用于提供不同波长的测试光的光源、测量池、参考池、过滤管道、吸风装置、抽风装置、数据处理装置和供电控制装置，所述测量池和参考池均设置有用于接收所述测试光的聚焦窗口，所述测量池和参考池的入射方向、背入射方向以及垂直于入射方向的方向上均设有滤光探测组件；所述滤光探测组件用于检测不同波长的测试光，并生成模拟信号；

所述测量池与参考池之间通过所述过滤管道连通，所述吸风装置用以向所述测量池吸入空气，所述抽风装置用以将所述参考池内的空气排向大气；

所述数据处理装置与所述滤光探测组件通信连接，所述数据处理装置用于接收所述模拟信号并将其转换为数字信号后输出；所述滤光探测组件和所述数据处理装置分别与所述供电控制装置电性连接。

可选的，还包括反射镜组、光锥、光纤和分光组件，所述反射镜组用于接收所述光源发出的测试光并将其反射至所述光锥，所述光锥用于将测试光耦合至所述光纤中；所述分光组件接收来自所述光纤的测试光，并将测试光分流至所述测量池和所述参考池。

可选的，所述分光组件包括半反射镜、测量反射镜和参考反射镜，所述半反射镜接收来自所述光纤的测试光并反射至所述测量反射镜和所述参考反射镜，所述测量反射镜将测试光反射至所述测量池的聚焦窗口，所述参考反射镜将测试光反射至所述参考池的聚焦窗口。

可选的，正对所述测量池的聚焦窗口处设有测量扩束器，正对所述参考池的聚焦窗口处设有参考扩束器；所述测量扩束器接收所述测量反射镜反射的测试光，并将测试光扩束后传输至所述测量池；所述参考扩束器接收所述参考反射镜反射的测试光，并将测试光扩束后传输至所述参考池。

可选的，所述光纤和分光组件之间还设有电光调制器，所述电光调制器与所述供电控制装置电性连接。

可选的，所述数据处理装置包括放大器和模数转换器，所述滤光探测组件与所述放大器电性连接，所述放大器与所述模数转换器电性连接；所述放大器、所述模数转换器分别与所述供电控制装置电性连接。

可选的，所述数据处理装置还包括存储传输装置，所述存储传输装置分别与所述模数转换器和所述供电控制装置电性连接。

可选的，所述光源为三个独立设置的半导体激光光源，三个所述半导体激光光源均与所述供电控制装置电性连接。

可选的，所述测量池和参考池的内壁均设有黑漆吸收层。

可选的，三个所述半导体激光光源发出的测试光的波长分别为波长分别为350nm，800nm和1550nm。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明设计合理，能够消除因光电探测器工作温度变化引起的波动噪声；通过交变工作模式增加单位时间内的采样次数，减小测试时的低频噪声干扰，提高测试精度。测量仪使用半导体激光做为测试光源，具有重量轻，多波段同时工作，测量精度高的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的测量池和参考池的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的测量仪的电学原理图。

图标：1-光源，2-测量池，3-参考池，4-过滤管道，5-吸风装置，6-抽风装置，7-供电控制装置，8-滤光探测组件，9-黑漆吸收层，10-反射镜组，11-光锥，12-光纤，13-半反射镜，14-测量反射镜，15-参考反射镜，16-测量扩束器，17-参考扩束器，18-电光调制器，19-放大器，20-模数转换器，21-存储传输装置。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1和图2，一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，包括用于提供不同波长的测试光的光源1、测量池2、参考池3、过滤管道4、吸风装置5、抽风装置6、数据处理装置和供电控制装置7。其中，光源1为三个独立设置的半导体激光光源，三个半导体激光光源均与供电控制装置7电性连接。三个半导体激光光源分别提供波长分别为350nm，800nm和1550nm的测试光。

测量池2和参考池3均设置有用于接收测试光的聚焦窗口，聚焦窗口用于将测试光引入测量池2和参考池3内部。同时，在测量池2和参考池3的入射方向、背入射方向(即与入射方向相反的方向)以及垂直于入射方向的方向上均设有滤光探测组件8；滤光探测组件8用于检测不同波长的测试光，并生成模拟信号；具体地，上述滤光探测组件8包括滤光片和光电探测器，测试光经滤光片过滤后进入光电探测器生成相应的光电模拟信号。需要说明的是，上述所说的入射方向指的是测试光进入时的入射方向。

此外，测量池2与参考池3之间通过过滤管道4连通，吸风装置5用以向测量池2吸入空气，抽风装置6用以将参考池3内的空气排向大气；从而使的测量池2内部的环境与真实的大气环境类似，而过滤管道4内部设有静电吸附滤芯材料，从而过滤掉空气中的颗粒物，使得进入参考池3内的颗粒物浓度远远小于测量池2内的颗粒物浓度，且测量池2和参考池3的气压相同。此外，在测量池2和参考池3的内壁均设有黑漆吸收层9，用以吸收测试光中的散射光，实现模拟开放空间的光散射过程，使得检测结果更加准确真实。本实施例中，测量池2和参考池3均为长方体，两者尺寸完全相同。

同时，数据处理装置与滤光探测组件8通信连接，数据处理装置用于接收模拟信号并将其转换为数字信号；滤光探测组件8和数据处理装置分别与供电控制装置7电性连接，此处的供电控制装置7用于为滤光探测组件8和数据处理装置提供所需要的电能。

另一方面，考虑到不同的光源1需要呈一定角度放置，以避免相互遮挡，因此，为了收集不同角度的测试光。本测量仪还包括反射镜组10、光锥11、光纤12和分光组件，反射镜组10用于接收光源1发出的测试光并将其反射至光锥11，光锥11用于将测试光耦合至光纤12中；分光组件接收来自光纤12的测试光，并将测试光分流至测量池2和参考池3。具体可理解为，三个半导体激光光源发出的不同波长的测试光经反射镜组10反射后被光锥11耦合到光纤12中，随后测试光经光纤12传输至分光组件，由于测量池2和参考池3都需要引入测试光，因此分光组件用于将光纤12传输的测试光分为两路测试光，一路测试光最终被引入测量池2，而另一路测试光最终被引入参考池3。

具体地，上述的分光组件包括半反射镜13、测量反射镜14和参考反射镜15，半反射镜13接收来自光纤12的测试光并反射至测量反射镜14和参考反射镜15，从而形成两路独立的测试光。而测量反射镜14将测试光反射至测量池2的聚焦窗口，参考反射镜15将测试光反射至参考池3的聚焦窗口。此外，正对测量池2的聚焦窗口处设有测量扩束器16，正对参考池3的聚焦窗口处设有参考扩束器17；测量扩束器16接收测量反射镜14反射的测试光，并将测试光扩束后传输至测量池2；参考扩束器17接收参考反射镜15反射的测试光，并将测试光扩束后传输至参考池3。据此，经光纤12传输的测试光经半反射镜13分为两路测试光，一路测试光经测量反射镜14折射后进入测量扩束器16，并经测量扩束器16扩束后从测量池2的聚焦窗口进入测量池2；而另一路测试光经参考反射镜15折射后进入参考扩束器17，并经参考扩束器17扩束后从参考池3的聚焦窗口进入参考池3。

除此之外，本实施例的光纤12和分光组件之间还设有电光调制器18，电光调制器18与供电控制装置7电性连接。在实际测试时，供电控制装置7能够向电光调制器18提供1MHz的调制信号，而电光调制器18则产生与颗粒物前向、侧向和后向光散射对应的调制信号，并在差分工作模式下将光散射信号转化为电信号，从而提高信噪比。

在本实施例中，上述的数据处理装置包括放大器19和模数转换器20，滤光探测组件8与放大器19电性连接，放大器19与模数转换器20电性连接；放大器19、模数转换器20分别与供电控制装置7电性连接。放大器19用于将滤光探测组件8传输的光电模拟信号放大，并传输给模数转换器20，而模数转换器20用于光电模拟信号转换为数字信号。供电控制装置7分别为放大器19和模数转换器20提供正常工作所需的电能。此外，数据处理装置还包括存储传输装置21，存储传输装置21分别与模数转换器20和供电控制装置7电性连接。经模数转换器20转换后的数字信号可存储在存储传输装置21中，同时存储传输装置21设置有I/O接口，以便于将数字信号传输出去。

为了更好的对本实施例的方案进行说明，下面将对具体的测试过程进行阐述。

具体的测试过程为：

利用作为光源1的三个半导体激光光源分别发出波长为350nm、800nm和1550nm的测试光，三个波长的测试光经反射镜组10反射后被光锥11收集并耦合到光纤12中，同时电光调制器18对测试光进行调制，随后经调制的测试光经分光组件的半反射镜13分为两路测试光；一路测试光经测量反射镜14反射至测量扩束器16中，并经扩束后从测量池2的聚焦窗口进入，而另一路测试光经参考反射镜15反射至参考扩束器17中，并经扩束后从参考池3的聚焦窗口进入。

随后，进入测量池2和参考池3的测试光分别发生光散射，由于参考池3中为过滤后的空气，因此，测试光在测量池2中的散射强度大于参考池3中的散射强度。同时测试光的散射光照射到测量池2和参考池3的内壁上被黑漆吸收层9吸收，以实现模拟实际的光散射过程。同时分别设置在测量池2和参考池3上的三个滤光探测组件8对不同波长的测试光进行滤波和探测，其中，处于入射方向的滤光探测组件8可对波长为355nm的光波进行滤波和探测；处于垂直于入射方向的方向上的滤光探测组件8可对波长为800nm的光波进行滤波和探测；而处于背入射方向上的滤光探测组件8可对波长为1550nm的光波进行滤波和探测。

根据光波发生瑞利散射和米氏散射的规律可知，当入射光波长远大于颗粒物尺寸时以瑞利散射为主，其特点为前后向散射强度相当；当入射光波长和颗粒物尺寸相当时以米氏散射为主，且颗粒物尺寸越大，前向散射越强。因此，可设置不同波长的测试光和测试模式，依据瑞利散射和米氏散射的计算公式，反推计算得到空气中颗粒物的质量浓度。

其中，处于入射方向上的滤光探测组件8探测355nm的前向米氏散射光，主要对较大颗粒物敏感，用于测定颗粒尺寸大于600nm的颗粒物质量浓度；设置处于于垂直于入射方向的方向上的滤光探测组件8探测800nm波长的侧向米氏散射光，对于稍小于波长的颗粒物敏感，用于测定尺寸300-600nm之间的颗粒物质量浓度；设置背入射方向的滤光探测组件8探测1550nm波长的背向瑞利散射光，用于测定尺寸小于300nm的颗粒物质量浓度。通过对上述得到的三个颗粒物质量浓度进行求和，即可得到总的颗粒物质量浓度，即为PM2.5的浓度。

本实施例中的测量仪基于差分模式工作的高精度颗粒物质量浓度测量，消除了因温度变化引起的光源1强度波动和光电探测器噪声；通过三个特殊设计的波长与散射模式的光强探测反演计算，覆盖了尺寸小于2.5μm的颗粒物尺寸浓度；通过交变工作模式增加单位时间内的采样次数，提高测试精度。该测量仪具有重量轻、多波段同时工作、测量精度高的优势。

以上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 (10)

1.一种高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，包括用于提供不同波长的测试光的光源，其特征在于，还包括测量池、参考池、过滤管道、吸风装置、抽风装置、数据处理装置和供电控制装置，所述测量池和参考池均设置有用于接收所述测试光的聚焦窗口，所述测量池和参考池的入射方向、背入射方向以及垂直于入射方向的方向上均设有滤光探测组件；所述滤光探测组件用于检测不同波长的测试光，并生成模拟信号；

所述测量池与参考池之间通过所述过滤管道连通，所述吸风装置用以向所述测量池吸入空气，所述抽风装置用以将所述参考池内的空气排向大气；

所述数据处理装置与所述滤光探测组件通信连接，所述数据处理装置用于接收所述模拟信号并将其转换为数字信号后输出；所述滤光探测组件和所述数据处理装置分别与所述供电控制装置电性连接。

2.根据权利要求1所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：还包括反射镜组、光锥、光纤和分光组件，所述反射镜组用于接收所述光源发出的测试光并将其反射至所述光锥，所述光锥用于将测试光耦合至所述光纤中；所述分光组件接收来自所述光纤的测试光，并将测试光分流至所述测量池和所述参考池。

3.根据权利要求2所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述分光组件包括半反射镜、测量反射镜和参考反射镜，所述半反射镜接收来自所述光纤的测试光并反射至所述测量反射镜和所述参考反射镜，所述测量反射镜将测试光反射至所述测量池的聚焦窗口，所述参考反射镜将测试光反射至所述参考池的聚焦窗口。

4.根据权利要求3所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：正对所述测量池的聚焦窗口处设有测量扩束器，正对所述参考池的聚焦窗口处设有参考扩束器；所述测量扩束器接收所述测量反射镜反射的测试光，并将测试光扩束后传输至所述测量池；所述参考扩束器接收所述参考反射镜反射的测试光，并将测试光扩束后传输至所述参考池。

5.根据权利要求2所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述光纤和分光组件之间还设有电光调制器，所述电光调制器与所述供电控制装置电性连接。

6.根据权利要求1所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述数据处理装置包括放大器和模数转换器，所述滤光探测组件与所述放大器电性连接，所述放大器与所述模数转换器电性连接；所述放大器、所述模数转换器分别与所述供电控制装置电性连接。

7.根据权利要求6所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述数据处理装置还包括存储传输装置，所述存储传输装置分别与所述模数转换器和所述供电控制装置电性连接。

8.根据权利要求1所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述光源为三个独立设置的半导体激光光源，三个所述半导体激光光源均与所述供电控制装置电性连接。

9.根据权利要求1所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：所述测量池和参考池的内壁均设有黑漆吸收层。

10.根据权利要求8所述的高精度多波段便携式颗粒物质量浓度测量仪，其特征在于：三个所述半导体激光光源发出的测试光的波长分别为波长分别为350nm，800nm和1550nm。

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