CN113310862A - 一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置及方法，先通过射流喷管和撞击式颗粒物采样器将环境中的颗粒物喷射到a面，当a面达到设定时间后，将收集块转动，此时使b面正对撞击式颗粒物采样器，a面正对光纤探头，进而光纤探头对a面上的颗粒物照射激光并进行拉曼光谱采集，并反馈给计算机，从而获得a面上颗粒物的成分及浓度；同时b面能继续收集通过射流喷管和撞击式颗粒物采样器进入的颗粒物，接着达到设定时间后，重复上面翻转过程，c面正对撞击式颗粒物采样器、b面正对光纤探头，a面通过刷洗轮刷洗，去除其表面的颗粒物，颗粒物随着气流从气溶胶排除通道排出；如此重复循环，不仅能准确的获得实时数据，而且能长时间的连续监测。

Description

一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置及方法，属于拉曼光谱分析技术领域。
背景技术
随着工业和经济的快速发展以及人口数量的剧增，大气污染成为当今世界面临的主要污染之一,其主要来自于工业生产、机动车尾气、采矿、锅炉燃煤和汽车轮胎磨损产生的大量有害气体和粉尘等。大气污染物主要附着在PM2.5和PM10颗粒上,PM2.5和PM10指的是空气动力学当量直径小于等于2.5微米的可入肺颗粒物和10微米的可吸入颗粒物，这些颗粒物具有较强的吸附能力,是多种污染物的“载体”和“催化剂”,可以在大气中长时间的停留和远距离传输。大气污染物在自然的大气环境中难以降解,能在动植物体内长期积累,并通过食物链逐步富集,浓度能成几十上百甚至成万倍的增加,最终进入人体并沉积于肺部,直接参与血液循环,对人体的危害程度巨大。
目前检测大气气溶胶成分的通常做法是：先在现场采集大气气溶胶样品，然后送到相关的实验室进行样品的预处理，再用原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体光谱(ICP-AES)或原子荧光光谱法(AFS)等进行测量。这些分析方法都需要进行样品的采集、制备、分析等一系列过程，通常数小时甚至数天之后才能得到检测结果。而且这种间隔采样的方法只能反映较短时间段内的大气中的成分。使检测结果偏离实际样本状况而产生一定的误差。
拉曼光谱技术是一种基于拉曼效应的有效的检测分析手段。拉曼效应是指一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出另外频率的光。频率的变化决定于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是唯一的。因此可以产生特定频率的散射光,其光谱就称为“指纹光谱”。可以照此原理鉴别出物质的分子种类。自1928年印度科学家拉曼发现拉曼现象以来,经过几十年来科学家共同的努力。拉曼光谱技术得到了极大的发展。基于拉曼光谱技术的应用领域越来越广泛。具有很大的实际应用价值。拉曼光谱技术可用于表征大气气溶胶。但是，目前通过拉曼光谱直接在现场对大气颗粒物成分进行分析是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置及方法，能对当前环境颗粒物成分及浓度进行实时连续监测，不仅能准确的获得实时数据，而且能长时间的连续监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，包括顶盖、筒体、底座、射流喷管、撞击式颗粒物采样器、翻转连杆、传动连杆、拉曼光谱仪和计算机；
所述筒体固定在底座上，顶盖固定在筒体上端，筒体、顶盖和底座围成内部空间；撞击式颗粒物采样器处于内部空间内、并固定在顶盖下部；射流喷管与顶盖固定在一起，撞击式颗粒物采样器与射流喷管的一端连通，射流喷管另一端设有气溶胶入口；气溶胶入口与外界连通；
所述筒体侧部设有安装孔、光学透镜和光纤探头安装座，安装孔、光学透镜和光纤探头安装座处于同一平面，且安装孔和光学透镜相对设置，安装孔外部设有密封盖，翻转连杆一端穿过密封盖伸入内部空间、且翻转连杆与密封盖之间可转动连接；翻转连杆一端设有收集块，收集块处于撞击式颗粒物采样器正下方；收集块设有四个收集面，分别为a面、b面、c面和d面，翻转连杆另一端与旋转步进电机传动连接，翻转连杆在转动时能带动四个收集面转动，传动连杆一端穿过密封盖伸入内部空间、且传动连杆与密封盖之间可转动连接；传动连杆一端装有刷洗轮，刷洗轮处于收集块正下方、且传动连杆在转动时能带动刷洗轮对处于收集块最下部的收集面进行刷洗；传动连杆另一端与驱动电机传动连接；拉曼光谱仪包括光纤探头、激光器和光谱仪，光纤探头一端通过光纤探头安装座伸入内部空间；光纤探头另一端与激光器和光谱仪通过光纤连接；
所述底座中心开设气溶胶排除通道，气溶胶排除通道一端与内部空间连通、另一端与气体采样泵连接；
所述计算机与旋转步进电机、驱动电机、真空泵、光谱仪、激光器和气体采样泵连接，分别用于控制旋转步进电机、驱动电机、真空泵、激光器和气体采样泵的工作状态及接收光谱仪反馈的光谱数据。
进一步，所述翻转连杆和传动连杆与密封盖连接处均设有旋转密封圈。
进一步，所述收集块为正方体。
进一步，在气溶胶的入口处装有PM10粒径切割器。
一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置的工作方法，具体步骤为：
A、将检测装置放置到所需检测的环境中，并使收集块的a面正对撞击式颗粒物采样器；该空气环境中的颗粒物从气溶胶入口进入，并经过射流喷管及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射并留存在a面上；
B、收集达到设定时间后，计算机控制旋转步进电机工作带动收集块旋转，直至使a面正对光纤探头，同时b面正对撞击式颗粒物采样器时，停止旋转步进电机并保持当前位置；
C、颗粒物经过射流喷管及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射到b面；同时计算机控制激光器和光谱仪启动，激光器产生的激光通过光纤探头照射a面上收集的颗粒物，同时光纤探头将激光照射颗粒物产生的光谱数据收集并反馈给光谱仪，光谱仪经过分析后将数据传递给计算机，从而得出a面的颗粒物数据；
D、当b面收集达到设定时间后，重复步骤B和C，使c面正对撞击式颗粒物采样器，b面正对光纤探头，同时激光器和拉曼光谱仪对b面上的颗粒物进行检测分析，从而得出b面的颗粒物数据；a面此时处于收集块最下部，计算机控制驱动电机工作，进而通过传动连杆带动刷洗轮旋转，刷洗轮对a面进行刷洗，使颗粒物从a面上清除，接着计算机控制气体采样泵工作对内部空间进行抽气，进而使a面清除后的颗粒物通过气溶胶排除通道排出检测装置；
E、当c面收集达到设定时间的颗粒物之后，重复步骤B至D，此时d面正对撞击式颗粒物采样器继续收集颗粒物，c面正对光纤探头能获得c面的颗粒物数据，b面通过刷洗轮清除颗粒物；
F、如此重复循环，使得a面、b面、c面和d面连续收集颗粒物并进行颗粒物数据分析检测，从而能得出当前环境中空气颗粒物的实时数据。
与现有技术相比，本发明采用顶盖、筒体、底座、射流喷管、撞击式颗粒物采样器、翻转连杆、传动连杆和计算机相结合方式，先通过射流喷管和撞击式颗粒物采样器将周围环境中的颗粒物喷射到a面，当a面收集达到设定时间后，通过翻转连杆带动收集块转动，此时使b面正对撞击式颗粒物采样器，a面正对光纤探头，进而光纤探头对a面上的颗粒物照射激光并进行拉曼光谱采集，并反馈给计算机，从而获得a面上颗粒物的成分及浓度；同时b面能继续收集通过射流喷管和撞击式颗粒物采样器进入的颗粒物，接着达到设定时间后，重复上面翻转过程，c面正对撞击式颗粒物采样器、b面正对光纤探头，此时c面继续收集颗粒物，光纤探头对b面上颗粒物进行分析后得出b面上颗粒物的成分及浓度；与此同时a面通过刷洗轮刷洗，去除其表面的颗粒物，颗粒物随着气流从气溶胶排除通道排出；如此重复循环，本装置能连续收集环境中的颗粒物，计算机进行分析后能得出各个面上颗粒物的成分及浓度，从而不仅能准确的获得实时数据，而且能长时间的连续监测。
附图说明
图1是本发明的工作流程框图；
图2是本发明检测装置的结构示意图；
图3是图2的左视图。
图中：1、射流喷管，2、内部空间，3、翻转连杆，4、传动连杆，5、收集块，6、刷洗轮，7、筒体，8、气溶胶排除通道，9、光学透镜，10、光纤探头。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，包括顶盖、筒体7、底座、射流喷管1、撞击式颗粒物采样器、翻转连杆3、传动连杆4、拉曼光谱仪和计算机；
所述筒体7固定在底座上，顶盖固定在筒体7上端，筒体7、顶盖和底座围成内部空间；撞击式颗粒物采样器处于内部空间2内、并固定在顶盖下部；射流喷管1与顶盖固定在一起，撞击式颗粒物采样器与射流喷管1的一端连通，射流喷管1另一端设有气溶胶入口；气溶胶入口与外界连通，在气溶胶的入口处装有PM10粒径切割器；
所述筒体7侧部设有安装孔、光学透镜9和光纤探头安装座，安装孔、光学透镜9和光纤探头安装座处于同一平面，且安装孔和光学透镜9相对设置，安装孔外部设有密封盖，翻转连杆3一端穿过密封盖伸入内部空间2、且翻转连杆3与密封盖之间可转动连接；翻转连杆3一端设有收集块5，所述收集块5为正方体，收集块5处于撞击式颗粒物采样器正下方；收集块5设有四个收集面，分别为a面、b面、c面和d面，翻转连杆3另一端与旋转步进电机传动连接，翻转连杆3在转动时能带动四个收集面转动，传动连杆4一端穿过密封盖伸入内部空间2、且传动连杆4与密封盖之间可转动连接；传动连杆4一端装有刷洗轮6，刷洗轮6处于收集块5正下方、且传动连杆4在转动时能带动刷洗轮6对处于收集块5最下部的收集面进行刷洗；传动连杆4另一端与驱动电机传动连接；拉曼光谱仪包括光纤探头10、激光器和光谱仪，光纤探头10一端通过光纤探头安装座伸入内部空间2；光纤探头10另一端与激光器和光谱仪通过光纤连接；所述翻转连杆3和传动连杆4与密封盖连接处均设有旋转密封圈。
所述底座中心开设气溶胶排除通道8，气溶胶排除通道8一端与内部空间连通、另一端与气体采样泵连接；
所述计算机与旋转步进电机、驱动电机、真空泵、光谱仪、激光器和气体采样泵连接，分别用于控制旋转步进电机、驱动电机、真空泵、激光器和气体采样泵的工作状态及接收光谱仪反馈的光谱数据。
上述装置的工作方法，具体步骤为：
A、将检测装置放置到所需检测的环境中，并使收集块5的a面正对撞击式颗粒物采样器；该空气环境中的颗粒物从气溶胶入口进入，并经过射流喷管1及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射并留存在a面上；
B、收集达到设定时间后，计算机控制旋转步进电机工作带动收集块旋转，直至使a面正对光纤探头10，同时b面正对撞击式颗粒物采样器时，停止旋转步进电机并保持当前位置；
C、颗粒物经过射流喷管及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射到b面；同时计算机控制激光器和光谱仪启动，激光器产生的激光通过光纤探头10照射a面上收集的颗粒物，同时光纤探头将激光照射颗粒物产生的光谱数据收集并反馈给光谱仪，光谱仪经过分析后将数据传递给计算机，从而得出a面的颗粒物数据；
D、当b面收集达到设定时间后，重复步骤B和C，使c面正对撞击式颗粒物采样器，b面正对光纤探头10，同时激光器和拉曼光谱仪对b面上的颗粒物进行检测分析，从而得出b面的颗粒物数据；a面此时处于收集块最下部，计算机控制驱动电机工作，进而通过传动连杆4带动刷洗轮6旋转，刷洗轮6对a面进行刷洗，每次刷洗轮的工作时间为10秒，转速为100～200转/秒；使颗粒物从a面上清除，接着计算机控制气体采样泵工作对内部空间2进行抽气，进而使a面清除后的颗粒物通过气溶胶排除通道8排出检测装置；
E、当c面收集达到设定时间的颗粒物之后，重复步骤B至D，此时d面正对撞击式颗粒物采样器继续收集颗粒物，c面正对光纤探头10能获得c面的颗粒物数据，b面通过刷洗轮6清除颗粒物；
F、如此重复循环，使得a面、b面、c面和d面连续收集颗粒物并进行颗粒物数据分析检测，从而能得出当前环境中空气颗粒物的实时数据。

Claims (5)

1.一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，其特征在于，包括顶盖、筒体、底座、射流喷管、撞击式颗粒物采样器、翻转连杆、传动连杆、拉曼光谱仪和计算机；
所述筒体固定在底座上，顶盖固定在筒体上端，筒体、顶盖和底座围成内部空间；撞击式颗粒物采样器处于内部空间内、并固定在顶盖下部；射流喷管与顶盖固定在一起，撞击式颗粒物采样器与射流喷管的一端连通，射流喷管另一端设有气溶胶入口；气溶胶入口与外界连通；
所述筒体侧部设有安装孔、光学透镜和光纤探头安装座，安装孔、光学透镜和光纤探头安装座处于同一平面，且安装孔和光学透镜相对设置，安装孔外部设有密封盖，翻转连杆一端穿过密封盖伸入内部空间、且翻转连杆与密封盖之间可转动连接；翻转连杆一端设有收集块，收集块处于撞击式颗粒物采样器正下方；收集块设有四个收集面，分别为a面、b面、c面和d面，翻转连杆另一端与旋转步进电机传动连接，翻转连杆在转动时能带动四个收集面转动，传动连杆一端穿过密封盖伸入内部空间、且传动连杆与密封盖之间可转动连接；传动连杆一端装有刷洗轮，刷洗轮处于收集块正下方、且传动连杆在转动时能带动刷洗轮对处于收集块最下部的收集面进行刷洗；传动连杆另一端与驱动电机传动连接；拉曼光谱仪包括光纤探头、激光器和光谱仪，光纤探头一端通过光纤探头安装座伸入内部空间；光纤探头另一端与激光器和光谱仪通过光纤连接；
所述底座中心开设气溶胶排除通道，气溶胶排除通道一端与内部空间连通、另一端与气体采样泵连接；
所述计算机与旋转步进电机、驱动电机、真空泵、光谱仪、激光器和气体采样泵连接，分别用于控制旋转步进电机、驱动电机、真空泵、激光器和气体采样泵的工作状态及接收光谱仪反馈的光谱数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，其特征在于，所述翻转连杆和传动连杆与密封盖连接处均设有旋转密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，其特征在于，所述收集块为正方体。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置，其特征在于，在气溶胶的入口处装有PM10粒径切割器。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述基于拉曼光谱连续检测空气颗粒物的装置的工作方法，其特征在于，具体步骤为：
A、将检测装置放置到所需检测的环境中，并使收集块的a面正对撞击式颗粒物采样器；该空气环境中的颗粒物从气溶胶入口进入，并经过射流喷管及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射并留存在a面上；
B、收集达到设定时间后，计算机控制旋转步进电机工作带动收集块旋转，直至使a面正对光纤探头，同时b面正对撞击式颗粒物采样器时，停止旋转步进电机并保持当前位置；
C、颗粒物经过射流喷管及撞击式颗粒物采样器将颗粒物喷射到b面；同时计算机控制激光器和光谱仪启动，激光器产生的激光通过光纤探头照射a面上收集的颗粒物，同时光纤探头将激光照射颗粒物产生的光谱数据收集并反馈给光谱仪，光谱仪经过分析后将数据传递给计算机，从而得出a面的颗粒物数据；
D、当b面收集达到设定时间后，重复步骤B和C，使c面正对撞击式颗粒物采样器，b面正对光纤探头，同时激光器和拉曼光谱仪对b面上的颗粒物进行检测分析，从而得出b面的颗粒物数据；a面此时处于收集块最下部，计算机控制驱动电机工作，进而通过传动连杆带动刷洗轮旋转，刷洗轮对a面进行刷洗，使颗粒物从a面上清除，接着计算机控制气体采样泵工作对内部空间进行抽气，进而使a面清除后的颗粒物通过气溶胶排除通道排出检测装置；
E、当c面收集达到设定时间的颗粒物之后，重复步骤B至D，此时d面正对撞击式颗粒物采样器继续收集颗粒物，c面正对光纤探头能获得c面的颗粒物数据，b面通过刷洗轮清除颗粒物；
F、如此重复循环，使得a面、b面、c面和d面连续收集颗粒物并进行颗粒物数据分析检测，从而能得出当前环境中空气颗粒物的实时数据。
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