CN113670855B - 激光检测装置、有机碳元素碳分析仪及激光检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光检测装置、有机碳元素碳分析仪及激光检测方法，其中，所述激光检测装置包括第一激光发射器、第一激光探测器和第二激光探测器，第一激光发射器设于滤膜背面一侧并用于朝向滤膜发射激光，并且发射的激光中，部分穿过滤膜形成第一透射激光，部分被滤膜反射形成第一反射激光，第一激光探测器用于接收第一透射激光，第二激光探测器用于接收第一反射激光。本发明实施例提供的激光检测装置中，由于第一激光发射器设于滤膜背面一侧，根据第一反射激光可将第一透射激光由光源强度和滤膜光学性质产生的影响消除，计算出仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据，应用于有机碳元素碳分析仪中时能够实现有机碳、元素碳的准确分割。

Description

激光检测装置、有机碳元素碳分析仪及激光检测方法

技术领域

本发明涉及空气质量检测技术领域，特别地，涉及一种激光检测装置、采用所述激光检测装置的有机碳元素碳分析仪及激光检测方法。

背景技术

近年来，随着全球社会经济的不断发展，城市规模的不断扩大，空气质量问题日益严峻，对空气颗粒物中的有机碳、元素碳含量进行检测对研究大气化学反应和污染物的源解析具有重要意义，成为当今环境监测领域的热点。

空气颗粒物中有机碳、元素碳的测量方法包括热学法、光学法、热光法。热学法主要根据有机碳和元素碳不同的热学特性对它们进行区分，但是在升温过程中有机碳会部分裂解炭化，生成热学和光学特性类似于元素碳的物质，造成测量得到的元素碳偏高。光学法由于其原理的限制，只能用于测量元素碳。

目前，使用最多的、公认较成熟的有机碳、元素碳分析方法是热光法，其工作原理为通过滤膜过滤采集空气中的颗粒物，然后通入无氧载气使滤膜处于无氧环境中，此时对滤膜进行逐级升温，使滤膜表面的有机碳(还有一部分被炭化形成裂解碳)热解并逸出进入氧化炉内氧化转换为二氧化碳，再向解析炉通入有氧载气使滤膜处于有氧环境中，继续对滤膜进行逐级升温，使滤膜中的元素碳热解并逸出进入氧化炉内氧化转换为二氧化碳，从而通过二氧化碳检测器检测氧化炉输出的二氧化碳浓度计算出有机碳和元素碳的含量。整个过程中，都有一束激光打在滤膜上，其透射光(或反射光)在有机碳炭化时会减弱。随着无氧载气切换成有氧载气，同时温度升高，元素碳会被氧化分解，激光束的透射光(或反射光)的光强就会逐渐增强，当恢复到最初的透射(或反射)光强时，这一时刻就认为是有机碳、元素碳的分割点，即：此时刻之前检出的碳都认为是有机碳(OC)，之后检出的碳都认为是元素碳(EC)。热光法是综合光学方法对有机碳在升温分析过程中产生的裂解碳进行修正。然而，由于透射光(反射光)的光强除了受裂解碳和元素碳浓度的影响外，还会受光源强度、滤膜光学性质的影响，现有技术中，只考虑了对光源波动的影响进行修正，未考虑滤膜性状变化等其他因素对透射光(反射光)光强的影响，导致有机碳/元素碳的分割点无法精准确定。

发明内容

本发明提供了一种激光检测装置、有机碳元素碳分析仪及激光检测方法，以解决有机碳/元素碳的分割点无法精准确定的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种激光检测装置，包括激光发射器、第一激光探测器和第二激光探测器，所述激光发射器用于朝向滤膜发射激光，所述第一激光探测器、第二激光探测器分别用于接收穿过所述滤膜的透射激光和被所述滤膜反射的反射激光，所述激光发射器包括设于所述滤膜背面一侧的第一激光发射器，所述第一激光发射器朝向所述滤膜发射的激光中，部分穿过所述滤膜形成第一透射激光，部分被所述滤膜反射形成第一反射激光，所述第一激光探测器设于所述滤膜正面一侧并用于接收所述第一透射激光，所述第二激光探测器设于所述滤膜背面一侧并用于接收所述第一反射激光。

优选地，所述激光发射器还包括设于所述滤膜正面一侧的第二激光发射器，所述第二激光发射器朝向所述滤膜发射的激光中，部分穿过所述滤膜形成第二透射激光并被所述第二激光探测器接收，部分被所述滤膜反射形成第二反射激光并被所述第一激光探测器接收。

进一步地，所述第一激光发射器和所述第二激光发射器的激光调制频率不同，所述第一激光探测器和所述第二激光探测器均设有频率解调模块并可通过所述频率解调模块对不同调制频率的激光进行区分测量。

进一步地，所述激光检测装置还包括设于所述第一激光发射器前端的第一分光片和设于所述第二激光发射器前端的第二分光片，所述第一分光片和所述第二分光片均相对所述滤膜表面倾斜设置；所述第一激光发射器和所述第二激光发射器中的其中一个激光发射器的出光方向朝向所述滤膜，并且发射出的至少部分激光穿过其前端的分光片照向所述滤膜；另一个激光发射器的出光方向错开所述滤膜，并且发射出的至少部分激光通过其前端的分光片反射改变方向后照向所述滤膜。

进一步地，所述激光检测装置还包括设于所述第一激光发射器前端的第一分光片，所述第一分光片相对所述滤膜表面倾斜设置，所述第一激光发射器的出光方向朝向所述滤膜，所述第二激光探测器的入光方向错开所述滤膜，所述第一激光发射器发射出的至少部分激光穿过所述第一分光片照向所述滤膜，所述第一反射激光可通过所述第一分光片反射改变方向后进入所述第二激光探测器。

根据本发明的第二方面，还提供一种有机碳元素碳分析仪，包括解析炉，所述解析炉包括解析炉管和设于所述解析炉管内的滤膜，以及布设于所述解析炉管上的解析炉加热装置，所述滤膜用于收集流经所述解析炉管的样品气体中的颗粒物，所述有机碳元素碳分析仪还包括上述激光检测装置，所述第一激光发射器和所述第二激光探测器设于所述解析炉管对应所述滤膜背面的一端，所述第一激光探测器设于所述解析炉管对应所述滤膜正面的一端。

优选地，所述解析炉还包括环绕所述解析炉管的外周设置并与所述解析炉管围合形成的密封腔，所述解析炉加热装置设于所述密封腔内；所述有机碳元素碳分析仪还包括进气阀组以及与所述进气阀组连接的第一输气管道，所述第一输气管道与所述密封腔连通并用于将所述进气阀组输出的保护气体导入所述密封腔内。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪还包括动力泵和第一排气管道，所述第一排气管道和所述第一输气管道分设于所述密封腔相对的两侧，所述第一排气管道远离所述密封腔的一端与所述动力泵连接，所述动力泵用于将所述密封腔内的气体排出。

根据本发明的第三方面，还提供一种激光检测方法，采用上述激光检测装置进行检测，所述激光检测方法包括以下步骤：

S100：通过第一激光发射器朝向滤膜背面发射激光，并使所述第一激光发射器发射的激光部分穿过所述滤膜形成第一透射激光，部分被所述滤膜反射形成第一反射激光，所述第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，所述第一反射激光的强度受光源强度和滤膜光学性质的影响；

S200：通过第一激光探测器接收所述第一透射激光，并通过第二激光探测器接收所述第一反射激光；

S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，将所述第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

进一步地，当所述激光检测装置还包括第二激光发射器时，所述激光检测方法包括以下步骤：

S100：通过第一激光发射器朝向滤膜背面发射激光，并使所述第一激光发射器发射的激光部分穿过所述滤膜形成第一透射激光，部分被所述滤膜反射形成第一反射激光，所述第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，所述第一反射激光的强度受光源强度和滤膜光学性质的影响；通过第二激光发射器朝向滤膜正面发射激光，并使所述第二激光发射器发射的激光部分穿过所述滤膜形成第二透射激光，部分被所述滤膜反射形成第二反射激光，所述第二透射激光、第二反射激光均受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响；

S200：通过所述第一激光探测器接收所述第一透射激光和所述第二反射激光，并通过所述第二激光探测器接收所述第一反射激光和所述第二透射激光；

S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，将所述第一透射激光、第二透射激光、第二反射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出多组均仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明实施例提供的激光检测装置中，由于第一激光发射器设于滤膜的背面，其发射的激光部分穿过滤膜形成第一透射激光，部分被滤膜反射形成第一反射激光，根据第一反射激光的强度变化，可实时将第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响有效消除，计算出仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据，从而精准判断滤膜正面样品浓度的变化情况。

2.本发明实施例提供的有机碳元素碳分析仪中，解析炉包括环绕解析炉管的外周设置并相对解析炉管隔绝的密封腔，通过向密封腔通入保护气体，并将密封腔内的空气排出，使得密封腔处于无氧或低氧空间，解析炉加热装置处于无氧或低氧空间内加热，从而避免解析炉加热装置在高温下被氧化，进而提高解析炉加热装置的使用寿命。在降温阶段，通过将保护气体导入密封腔内可实现对解析炉管的快速降温，从而使滤膜能够快速满足下批次样本检测的温度需求，相比通过散热风机进行降温的方式，有效提高散热效率，并减少设备运行时的噪音和振动，保证运行稳定性的同时，对解析炉加热装置进行有效保护，极大地延长了解析炉加热装置的寿命。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种实施例提供的激光检测装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的激光检测装置的结构示意图；

图3为本发明一种实施例提供的有机碳元素碳分析仪的结构示意图；

图4为本发明另一实施例提供的有机碳元素碳分析仪的结构示意图；

图5为本发明一种实施例提供的激光检测方法的步骤图；

图6为本发明另一实施例提供的激光检测方法的步骤图。

图例说明：

1000、有机碳元素碳分析仪；1、进气阀组；11、第一输气管道；12、第二输气管道；2、解析炉；21、解析炉管；22、解析炉加热丝；23、滤膜；24、密封腔；3、解析管道；4、氧化炉；41、氧化炉管；42、氧化炉加热丝；43、连通管道；5、检测器；51、检测电磁阀；6、动力泵；7、排气电磁阀；71、第一排气管道；72、第二排气管道；8、激光检测装置；81、激光发射器；811、第一激光发射器；812、第二激光发射器；82、第一激光探测器；83、第二激光探测器；84、第一分光片；85、第二分光片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明实施例提供一种激光检测装置8，用于设置在有机碳元素碳分析仪1000内实现有机碳、元素碳的分割，所述激光检测装置8包括激光发射器81、第一激光探测器82和第二激光探测器83，所述激光发射器81用于朝向所述滤膜23发射激光，并使其发射出的激光部分穿过所述滤膜23形成透射激光，部分被所述滤膜23反射形成反射激光，所述第一激光探测器82、第二激光探测器83分设于所述滤膜23相对的两侧并分别用于接收所述透射激光和所述反射激光。

优选地，所述激光发射器81包括设于所述滤膜23背面一侧的第一激光发射器811，所述第一激光发射器811朝向所述滤膜23发射的激光中，部分穿过所述滤膜23形成第一透射激光，部分被所述滤膜23反射形成第一反射激光，所述第一激光探测器82设于所述滤膜23正面一侧并用于接收所述第一透射激光，所述第二激光探测器83设于所述滤膜23背面一侧并用于接收所述第一反射激光。由于含有颗粒物的大气样品在穿过所述滤膜23时，所述滤膜23可将大气样品中的颗粒物截留在所述滤膜23的正面，小部分渗入所述滤膜23的浅层及中间，当所述滤膜23达到一定厚度时，所述滤膜23便能完全将颗粒物截留在其正面的位置，而不存在于所述滤膜23的背面。因此，从所述滤膜23的背面穿透至所述滤膜23正面的第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和裂解碳/元素碳浓度的影响，而从所述滤膜23背面直接反射回来的第一反射激光的强度仅受光源强度和滤膜光学性质的影响。

其次，由于在有机碳元素碳分析仪1000对有机碳无氧热解的过程中，部分有机碳会被转换成裂解碳(被认为与原本就存在的元素碳具有相同的光吸收系数)附着于所述滤膜23的表面，此时所述第一透射激光随着元素碳浓度的增加而减弱，而在所述有机碳元素碳分析仪1000对元素碳氧化热解的过程中，随着元素碳浓度的逐步降低，所述第一透射激光逐步增强，当所述第一透射激光的强度增加至所述有机碳热解之前的强度时(被认为裂解碳先于原本就存在的元素碳氧化分解)，便可将该节点判断为初始元素碳浓度的节点，即此时由有机碳被转换成的元素碳已被全部热解出，从而实现对有机碳和元素碳进行分割。

因此，根据所述第一反射激光的强度变化，便可将所述第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，使得第一透射激光只受裂解碳和元素碳浓度的影响，以对有机碳、元素碳进行精准分割，从而实现有机碳、元素碳含量的准确测量。换言之，采用背向反射光作为参考光实时跟踪修正透射光强度，即修正了光源强度波动对透射光光强的影响，也修正了滤膜温度变化导致的光学性质的变化对透射光光强的影响，该光路可应用于热光透射法测有机碳、元素碳中，实现有机碳、元素碳的准确分割，从而提高了有机碳、元素碳的检测精度。

另外，当使用光学法测元素碳的含量时，该光路可实现元素碳的准确测定，消除了其他因素对透射光强的影响，提高了元素碳测量的准确性。

应当理解的是，样品、载气等气体的流通路径为沿所述滤膜23的正面渗过所述滤膜23的背面，即所述滤膜23的正面为用于过滤并收集颗粒物的一面，所述滤膜23的背面为用于渗出气体的一面。

进一步地，所述激光检测装置8还包括设于所述第一激光发射器811前端的第一分光片84，所述第一分光片84相对所述滤膜23表面呈45度夹角倾斜设置，所述第一激光发射器811的出光方向与所述滤膜23表面垂直，所述第二激光探测器83的入光方向与所述滤膜23表面平行，所述第一激光发射器811发射出的至少部分激光穿过所述第一分光片84照向所述滤膜23，并且所述第一反射激光可通过所述第一分光片84反射改变方向后进入所述第二激光探测器83，通过所述第一分光片84将出射光和反射光进行分离。

在其他实施方式中，当受自身或其他部件的结构、位置的限制导致所述第一激光发射器811无法沿垂直于所述滤膜23表面的方向朝所述滤膜23发射激光时，所述第一激光发射器811的出光方向也可相对所述滤膜23的表面呈其他角度设置，仅需保证所述第一激光发射器811的出光方向朝向所述滤膜23，便可形成所述第一透射激光和第一反射激光。同理，保证所述第二激光探测器83的入光方向错开所述滤膜23即可，所述第一分光片84相对所述滤膜23表面倾斜的角度跟随所述第一反射激光和所述第二激光探测器83的入光方向而变换，以使所述第一反射激光能够通过所述第一分光片84的反射改变角度后进入所述第二激光探测器83。

应当理解的是，本实施例以所述有机碳元素碳分析仪1000为例说明所述激光检测装置8的结构和使用原理，但不能视为对所述激光检测装置8使用范围的限定，即所述激光检测装置8并不局限于用来对有机碳和元素碳浓度检测进行光学修正，以判断有机碳、元素碳的分割点，还可以用于检测元素碳浓度，其还可设置在其他类型的检测设备中对滤膜上的其他样品浓度进行实时检测。

请结合图5，本实施例还提供一种采用上述激光检测装置8进行检测的激光检测方法，所述激光检测方法包括以下步骤：

步骤S100：通过第一激光发射器811朝向所述滤膜23的背面发射激光，并使所述第一激光发射器811发射的激光部分穿过所述滤膜23的正面形成第一透射激光，部分被所述滤膜23的背面反射回来形成第一反射激光。

由于激光发射器在使用过程中光源强度可能发生波动、漂移，并且所述滤膜23的光学性质会随着所述解析炉2的温度变化而发生变化，导致所述第一透射激光和所述第一反射激光的强度均受光源强度和滤膜光学性质的影响，导致所述第一透射激光的强度变化数据无法精确体现出有机碳、元素碳的浓度变换过程，从而使得有机碳、元素碳的分割点发生变化，无法进行准确分割，进而影响对有机碳和元素碳浓度的准确测量。

此时将所述第一激光发射器811设于所述滤膜23背面一侧，而所述滤膜23将颗粒物截留在其正面的位置，含有机碳、元素碳的颗粒物并不存在于所述滤膜23背面。因此，通过所述第一激光发射器811朝所述滤膜23的背面照射时，其第一透射激光的强度会受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，而从所述滤膜23背面反射的第一反射激光只受光源强度和滤膜光学性质的影响。

步骤S200：通过第一激光探测器82接收所述第一透射激光，并通过第二激光探测器83接收所述第一反射激光。

所述第一激光探测器82的入光方向朝向所述滤膜23，所述第一透射激光直接进入所述第一激光探测器82并被其探测，所述第二激光探测器83的入光方向错开所述滤膜23，所述第一反射激光通过所述第一分光片84反射改变方向后进入所述第二激光探测器83并被其探测。

步骤S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，将所述第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

由于所述第一透射激光的强度会受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，而所述第一反射激光只受光源强度和滤膜光学性质的影响，可根据所述第一反射激光的强度变化数据与所述第一透射激光的强度变化数据进行一对一处理，将所述第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，使所述第一透射激光仅受滤膜正面样品浓度的影响，通过所述第一透射激光的激光强度变化数据精准反馈出所述滤膜23正面样品浓度的变化过程。因此，在所述激光检测方法应用于有机碳元素碳分析仪1000中时，能够精准体现出有机碳、元素碳的浓度变化过程，进而对所述滤膜23上的有机碳、元素碳进行精确分割，提升有机碳和元素碳浓度的检测精度。也就是说，通过第二激光探测器接收的第一反射激光(背向反射激光)作为参考光实时跟踪修正第一透射激光强度，即修正了光源强度波动对第一透射激光强度的影响，也修正了滤膜温度变化导致的光学性质的变化对第一透射激光强度的影响，该光路可应用于热光透射法测有机碳、元素碳中，实现有机碳、元素碳的准确分割，从而提高了有机碳、元素碳的检测精度。

如图2所示，在另一实施例中，所述激光发射器81还包括设于所述滤膜23正面一侧的第二激光发射器812，所述第二激光发射器812朝向所述滤膜23发射的激光中，部分穿过所述滤膜23的背面形成第二透射激光并被所述第二激光探测器83接收，部分被所述滤膜23的正面直接反射回来形成第二反射激光并被所述第一激光探测器82接收。

进一步地，所述第一激光发射器811和所述第二激光发射器812具有不同的激光调制频率，所述第一激光探测器82和所述第二激光探测器83均设有频率解调模块并可通过所述频率解调模块对不同调制频率的激光进行区分测量，以在同时接收到所述第一激光发射器811和所述第二激光发射器812发射出的激光时，能够将所述第一激光发射器811和所述第二激光发射器812发射出的激光区分开，分别探测两种激光的强度变化数据。

更进一步地，所述第二激光发射器812的出光方向与所述滤膜23表面平行，所述激光检测装置8还包括设于所述第二激光发射器812前端的第二分光片85，所述第二分光片85同样相对所述滤膜23表面呈45度夹角倾斜设置。所述第二激光发射器812发射出的激光可通过所述第二分光片85的反射改变方向后沿垂直于所述滤膜23表面的方向照向所述滤膜23的正面，并且经所述滤膜23反射回来的第二反射激光可在穿过所述第二分光片85之后进入所述第一激光探测器82。

在其他实施方式中，当受自身或其他部件的结构、位置的限制导致所述第二激光发射器812无法沿平行于所述滤膜23表面的方向发射激光时，所述第二激光发射器812的出光方向也可相对所述滤膜23的表面倾斜设置。对应地，在所述第二激光发射器811的出光方向错开所述滤膜23时，需将所述第二分光片84相对所述滤膜23表面倾斜的角度跟随所述第二激光发射器811的出光方向而变换，以使所述第二激光发射器811发射出的激光能够被所述第二分光片84调整方向之后照向所述滤膜23。

请结合图6，当所述激光检测装置8还包括第二激光发射器812时，所述激光检测方法具体包括以下步骤：

步骤S100：通过第一激光发射器811朝向滤膜23背面发射激光，并使所述第一激光发射器811发射的激光部分穿过所述滤膜23形成第一透射激光，部分被所述滤膜23反射形成第一反射激光，所述第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，所述第一反射激光的强度受光源强度和滤膜光学性质的影响。

在所述第一激光发射器811发射激光的同时，通过第二激光发射器812朝向滤膜23正面发射激光，并使所述第二激光发射器812发射的激光部分穿过所述滤膜23形成第二透射激光，部分被所述滤膜反射形成第二反射激光，所述第二透射激光、第二反射激光均受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响。

步骤S200：通过所述第一激光探测器82接收所述第一透射激光和所述第二反射激光，并通过所述第二激光探测器83接收所述第一反射激光和所述第二透射激光。

步骤S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，实时将所述第一透射激光、第二透射激光、第二反射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出多组均仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

首先，根据所述第一反射激光的强度变化，可对所述第二激光发射器812形成的第二透射激光和第二反射激光进行实时修正，消除由初始光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响，实现热光透射法和热光反射法两种方法的有机碳和元素碳含量的准确分割，提高检测精度。其次，也能根据所述第一激光发射器811穿过滤膜后形成的第一透射激光强度变化所确定的有机碳、元素碳的分割点结合所述第二激光发射器812形成的第二透射激光和/或第二反射激光强度变化所确定的有机碳、元素碳的分割点，实现多个分割点之间相互佐证，通过多重验证及修正数据，进一步提高有机碳、元素碳含量分割的准确性，极大地降低了有机碳和元素碳浓度分割的误差。

在图3和图4中示出，本发明实施例还提供一种有机碳元素碳分析仪，其用于检测空气中的有机碳及元素碳的含量，由于结构小巧紧凑且在解析炉与氧化炉之间不存在低温区域，有效避免解析气体产生吸附损耗，能够提供准确的空气质量数据。

如图3所示，所述有机碳元素碳分析仪1000包括解析炉2，所述解析炉2包括解析炉管21和设于所述解析炉管21上的解析炉加热装置，以及固定于所述解析炉管21内的滤膜23，所述滤膜23用于收集流经所述解析炉管21的样品气体中的颗粒物，所述解析炉加热装置具体可为缠绕于所述解析炉管21上的解析炉加热丝22，其用于对所述解析炉管21的内部空间加热以使所述滤膜23处于高温环境中，从而将所述滤膜23表面的颗粒物中的有机碳或者元素碳热解出来。

优选地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括上述激光检测装置8，所述第一激光发射器811和所述第二激光探测器83设于所述解析炉管21对应所述滤膜23背面的一端，所述第一激光探测器82设于所述解析炉管21对应所述滤膜23正面的一端。

由于所述解析炉2在对所述滤膜23表面颗粒物进行热解的过程中，穿过所述滤膜23的透射激光强度变化数据可实时反馈出所述滤膜23表面样品浓度的变化过程，此时通过所述第一激光探测器82和第二激光探测器83分别接收所述第一激光发射器811形成的第一透射激光和第一反射激光，便可通过所述第一反射激光的强度变化数据作为参考数据，将所述第一透射激光的强度变化数据中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，以通过所述第一透射激光精准反馈出滤膜23正面样品浓度的变化数据。

如图4所示，当所述激光检测装置8还包括第二激光发射器812时，所述第二激光发射器812设于所述解析炉管21对应所述滤膜23正面的一端并用于朝向所述滤膜23的正面发射激光，以形成穿透至所述滤膜23背面一侧的第二透射激光和被所述滤膜23正面反射回来的第二反射激光，此时由于所述第二透射激光和所述第二反射激光均直接照射于所述滤膜23表面的样品上，强度变化均受所述滤膜23表面样品浓度的影响。

因此，可根据所述第一反射激光的强度变化，将所述第一透射激光、第二透射激光、第二反射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出多组均仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据，通过多组数据对照，能够更加精确反馈出所述滤膜23表面样品浓度的变化数据。

请结合图3和图4，优选地，所述解析炉2还包括密封腔24，所述密封腔24环绕所述解析炉管21的外周并与所述解析炉管21共同围合形成，即在所述解析炉管21的外周构成一个独立的密封空间，所述解析炉加热丝22设于所述密封腔24内。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括进气阀组1以及与所述进气阀组1连接的第一输气管道11，所述第一输气管道11与所述密封腔24连通并用于将所述进气阀组1输出的保护气体导入所述密封腔24内。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括动力泵6和第一排气管道71，所述第一排气管道71的一端与所述密封腔24连接，另一端与所述动力泵6连接，所述动力泵6用于沿所述第一排气管道71将所述密封腔24内的气体排出。

由于在所述解析炉管21外设置密封包裹所述解析炉加热丝22的密封腔24，此时可由所述进气阀组1沿所述第一输气管道11向所述密封腔24内充入保护气体，所述保护气体具体可为无氧或低氧气体，以将所述密封腔24内的空气沿所述第一排气管道71排出，使得所述密封腔24处于无氧或低氧空间，使所述解析炉加热丝22处于无氧或低氧空间内升温加热，从而避免所述解析炉加热丝22在高温下被氧化，提高所述解析炉加热丝22的使用寿命。此外，所述密封腔24将所述解析炉加热丝22密封包裹于一个密封空间内，能起到聚集热量的作用，有利于降低所述解析炉加热丝22的热量损耗，提高加热效率和保温效果。

另外，由于在检测过程中，所述解析炉2在解析时的最高温度可达到850℃，因此在进行下次样品检测之前需先对所述解析炉管21进行快速降温，以避免在下次检测的采样阶段所述解析炉管21内残留的高温直接将样品中的有机碳或元素碳热解，影响后续的检测结果，对此，现有有机碳元素碳分析仪通常采用大风量的散热风机进行吹风降温，其降温效果不佳并且具备较大的噪音和振动，无法保证设备稳定运行，导致用户体验不佳，且仪器体积较大。

而在本实施例提供的有机碳元素碳分析仪1000中，所述解析炉2包括环绕所述解析炉管21的外周的密封腔24，通过将保护气体(例如氮气)导入所述密封腔24内可实现对所述解析炉管21和所述解析炉加热丝22的快速降温，可将所述解析炉管21的温度从850℃快速降到400℃左右，并可在所述解析炉管21温度降到400℃以下时，通过所述进气阀组1切换气路对所述密封腔24输入空气，同时，输入的空气由所述动力泵6通过第一排气管道71快速排出所述密封腔24，所述动力泵6优选采用大流量气泵，在无阻力的情况下，流量可达80L/min，从而能够在所述密封腔24内实现快速换气，通过空气的快速流通便可达到快速降温的效果。由此，在高温阶段采用无氧的保护气体进行快速降温，可避免所述解析炉加热丝22发生氧化，而在半高温阶段切换为抽取空气式的散热模式，保证所述解析炉加热丝22的使用寿命，同时减少了氮气等保护气体的耗气量，减少降温成本。并且，由于没有散热风机的存在，进一步缩小了所述有机碳元素碳分析仪1000的体积，并可降低运行时的噪音和振动。

优选地，所述第一排气管道71和所述第一输气管道11分设于所述密封腔24相对的两侧，以使所述第一输气管道11输出的保护气体先经过所述解析炉加热丝22再由所述第一排气管道71排出，即在所述解析炉加热丝22的周边自然形成气体流通通道，使保护气体能够环绕所述解析炉管21及所述解析炉加热丝22流通，提升气体流通时对所述解析炉管21的降温效果。

在图3和图4中示出，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括与所述解析炉管21依次连接的解析管道3、氧化炉4和检测器5，经所述解析炉2热解出的有机碳和元素碳可沿所述解析管道3进入所述氧化炉4内进行氧化，最后通过所述检测器5检测所述氧化炉4输出的二氧化碳浓度以计算出有机碳和元素碳的具体含量。

具体地，所述解析管道3与所述解析炉管21同轴设置并相互连通，即所述解析管道3和所述解析炉管21均为直线结构并沿同一直线前后对接，以形成一条直线的气体流通通道。在其他实施方式中，所述解析管道3也可由所述解析炉管21直接延伸形成。

所述氧化炉4包括套设于所述解析管道3上的氧化炉管41和布设于所述氧化炉管41上的氧化炉加热装置，所述氧化炉加热装置具体为缠绕于所述氧化炉管41外周的氧化炉加热丝42，所述解析炉管41包括具有一定厚度的空腔，以在所述解析管道3的外周形成收容空间，该收容空间内置有氧化剂(图未示，下同)。在所述氧化炉管41相对的两端分别设有进气口和出气口，并且所述进气口上设有与所述解析管道3连通的连通管道43，所述出气口与所述检测器5连通。具体的，氧化炉管41呈筒状结构并与所述解析管道3形成环形氧化通道，当然，所述氧化炉管41不局限于筒状结构，所述氧化通道也不局限于环形。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括第二输气管道12、排气电磁阀7和第二排气管道72，所述第二输气管道12的一端与所述进气阀组1连接，另一端与所述解析炉管21连通并用于将所述进气阀组1输出的大气样品、无氧载气、有氧载气、校准气体等气体可切换地导入所述解析炉管21内。所述排气电磁阀7包括两个输入端和一个输出端，两个所述输入端分别与所述第一排气管道71、第二排气管道72一一对应连接，所述输出端与所述动力泵6连接并可切换地与两个所述输入端中的其中一个输入端导通。以使所述动力泵6可在所述排气电磁阀7的控制下与所述第一排气管道71连通或者与所述第二排气管道72连通，从而通过一个动力泵6便能够可灵活切换地排出所述密封腔24内的气体或者排出所述解析炉2、解析管道3及氧化炉4内的气体，简化结构并降低成本，实现排气及控制气体流量的作用。

所述有机碳元素碳分析仪1000的具体检测过程包括：通过所述进气阀组1沿所述第二输气管道12向所述解析炉管21输入含有颗粒物的大气样品，使样品气体中的颗粒物被所述解析炉管21中的滤膜23过滤并收集起来，此时颗粒物附着于所述滤膜23的表面。然后再通过所述进气阀组1沿所述第二输气管道12向所述解析炉管21内输入无氧载气，该无氧载气具体可采用氦气，以将所述解析炉管21中的气体全部置换干净形成无氧环境，使所述滤膜23处于无氧环境中，此时通过所述解析炉加热丝22对所述解析炉21进行逐级升温，使所述滤膜23表面的大部分有机碳被热解逸出(少部分有机碳被转换成元素碳之后继续附着于所述滤膜23的表面)，解析出的有机碳气体通过解析管道3进入所述氧化炉管41内，通过所述氧化炉加热丝42的持续加热并所述氧化剂的化学反应下，使有机碳气体被所述氧化炉4氧化转换为二氧化碳，从而可被所述检测器5检测出来，判断样品中的有机碳含量。当样品中的有机碳全部解析完成之后，再通过所述进气阀组1沿所述第二输气管道12向所述解析炉管21输入有氧载气，该有氧载气具体可采用氦氧混合气体，以将所述解析炉管21中的气体全部置换干净形成有氧环境，使所述滤膜23处于有氧环境中，此时继续通过所述解析炉加热丝22对所述解析炉21进行逐级升温，使所述滤膜23表面的元素碳被热解逸出，解析出的元素碳气体通过解析管道3进入所述氧化炉管41内，通过所述氧化炉加热丝42的持续加热并所述氧化剂的化学反应下，使元素碳气体被所述氧化炉4氧化转换为二氧化碳，进而可被所述检测器5检测出来，判断样品中的元素碳含量。整个过程中，都有至少一束激光打在所述滤膜23上，经所述滤膜23形成的透射光(或反射光)在有机碳炭化时会减弱。随着无氧载气切换成有氧载气，同时温度升高，元素碳会被氧化分解，激光束的透射光(或反射光)的光强就会逐渐增强，当恢复到最初的透射(或反射)光强时，这一时刻就认为是有机碳、元素碳的分割点，即：此时刻之前检出的碳都认为是有机碳，之后检出的碳都认为是元素碳。综合光学方法对有机碳在升温分析过程中产生的裂解碳(被认为与原本就存在的元素碳具有相同的光吸收系数)进行修正。

进一步地，为确保检测结果的准确性，在检测完成元素碳含量之后，还可通过所述进气阀组1沿所述第二输气管道12向所述解析炉管21输入校准气体，该校准气体具体可采用甲烷气体，其可直接穿过所述滤膜23进入所述氧化炉管41内，并经过所述氧化炉41氧化之后被所述检测器5检测出来，根据所述检测器5对校准气体的检测结果与所述校准气体中的标准碳含量进行比对，计算出所述有机碳元素碳分析仪1000的检测误差，再通过所述检测误差对所述有机碳和元素碳的检测结果进行校准，以得到更加精准的检测数据。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括设于所述检测器5与所述氧化炉管41之间的检测电磁阀51，通过所述检测电磁阀51的开合控制所述检测器5的检测时间，以确保检测结果的准确性。

值得注意的是，由于所述氧化炉4环绕所述解析管道3的外周设置，通过所述氧化炉4自身的温度实现对所述解析管道3的加温保温作用，使所述解析炉2与所述氧化炉4之间的整体气路都处于高温状态，避免所述解析管道3中存在低温区域，极大地削弱所述解析管道3对解析气体的吸附能力，从而减少样品在转移过程中的损耗，提高检测结果的准确性。其次，该结构还可有效缩减所述氧化炉4与所述解析炉2之间的间距，使所述有机碳元素碳分析仪1000的整体结构更加紧凑，便于实现小型化设计，并具备较高强度，不易损坏。

优选地，所述进气口设于所述氧化炉管41远离所述解析炉2的一端，即所述氧化炉管41与所述解析管道3远离所述解析炉2的一端连接，以避免所述解析管道3远离所述解析炉2的一端内的气体出现滞留样本，避免死体积过大，使所述解析管道3内的热解气体基本都能被转移至所述氧化炉管41内，确保检测样本的精准。

进一步地，所述有机碳元素碳分析仪1000还包括设于所述解析炉2与所述氧化炉4之间的隔热层(图未示，下同)，所述隔热层可由保温棉等隔热材料制成，以避免所述氧化炉4自身的高温对所述解析炉2的温度产生影响，保证所述解析炉2的控温效果。

综上，本发明实施例提供的有机碳元素碳分析仪1000具备较强的稳定性、可靠性，使用寿命长，可实现小型化设计，能够准确找到有机碳和元素碳的分割点，检测结果精准可靠。

以上所述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)

1.一种激光检测装置，包括激光发射器(81)、第一激光探测器(82)和第二激光探测器(83)，所述激光发射器(81)用于朝向滤膜(23)发射激光，所述第一激光探测器(82)、第二激光探测器(83)分别用于接收穿过所述滤膜(23)的透射激光和被所述滤膜(23)反射的反射激光，其特征在于，所述激光发射器(81)包括设于所述滤膜(23)背面一侧的第一激光发射器(811)，所述第一激光发射器(811)朝向所述滤膜(23)发射的激光中，部分穿过所述滤膜(23)形成第一透射激光，部分被所述滤膜(23)反射形成第一反射激光，所述第一激光探测器(82)设于所述滤膜(23)正面一侧并用于接收所述第一透射激光，所述第二激光探测器(83)设于所述滤膜(23)背面一侧并用于接收所述第一反射激光；

所述滤膜(23)用于将颗粒物截留在其正面的位置，含有机碳、元素碳的颗粒物不存在于所述滤膜(23)的背面；通过所述第一激光发射器(811)朝向所述滤膜(23)的背面发射激光时，形成的第一透射激光的强度会受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，而从所述滤膜(23)背面反射的第一反射激光只受光源强度和滤膜光学性质的影响。

2.根据权利要求1所述的激光检测装置，其特征在于，所述激光发射器(81)还包括设于所述滤膜(23)正面一侧的第二激光发射器(812)，所述第二激光发射器(812)朝向所述滤膜(23)发射的激光中，部分穿过所述滤膜(23)形成第二透射激光并被所述第二激光探测器(83)接收，部分被所述滤膜(23)反射形成第二反射激光并被所述第一激光探测器(82)接收。

3.根据权利要求2所述的激光检测装置，其特征在于，所述第一激光发射器(811)和所述第二激光发射器(812)的激光调制频率不同，所述第一激光探测器(82)和所述第二激光探测器(83)均设有频率解调模块并可通过所述频率解调模块对不同调制频率的激光进行区分测量。

4.根据权利要求2所述的激光检测装置，其特征在于，所述激光检测装置还包括设于所述第一激光发射器(811)前端的第一分光片(84)和设于所述第二激光发射器(812)前端的第二分光片(85)，所述第一分光片(84)和所述第二分光片(85)均相对所述滤膜(23)表面倾斜设置；

所述第一激光发射器(811)和所述第二激光发射器(812)中的其中一个激光发射器的出光方向朝向所述滤膜(23)，并且发射出的至少部分激光穿过其前端的分光片照向所述滤膜(23)；另一个激光发射器的出光方向错开所述滤膜(23)，并且发射出的至少部分激光通过其前端的分光片反射改变方向后照向所述滤膜(23)。

5.根据权利要求1所述的激光检测装置，其特征在于，所述激光检测装置还包括设于所述第一激光发射器(811)前端的第一分光片(84)，所述第一分光片(84)相对所述滤膜(23)表面倾斜设置，所述第一激光发射器(811)的出光方向朝向所述滤膜(23)，所述第二激光探测器(83)的入光方向错开所述滤膜(23)，所述第一激光发射器(811)发射出的至少部分激光穿过所述第一分光片(84)照向所述滤膜(23)，并且所述第一反射激光可通过所述第一分光片(84)反射改变方向后进入所述第二激光探测器(83)。

6.一种有机碳元素碳分析仪，包括解析炉(2)，所述解析炉(2)包括解析炉管(21)和设于所述解析炉管(21)内的滤膜(23)，以及布设于所述解析炉管(21)上的解析炉加热装置，所述滤膜(23)用于收集流经所述解析炉管(21)的样品气体中的颗粒物，其特征在于，所述有机碳元素碳分析仪还包括如权利要求1至5中任意一项所述的激光检测装置，所述第一激光发射器(811)和所述第二激光探测器(83)设于所述解析炉管(21)对应所述滤膜(23)背面的一端，所述第一激光探测器(82)设于所述解析炉管(21)对应所述滤膜(23)正面的一端。

7.根据权利要求6所述的有机碳元素碳分析仪，其特征在于，所述解析炉(2)还包括环绕所述解析炉管(21)的外周设置并与所述解析炉管(21)围合形成的密封腔(24)，所述解析炉加热装置设于所述密封腔(24)内；

所述有机碳元素碳分析仪还包括进气阀组(1)以及与所述进气阀组(1)连接的第一输气管道(11)，所述第一输气管道(11)与所述密封腔(24)连通并用于将所述进气阀组(1)输出的保护气体导入所述密封腔(24)内。

8.根据权利要求7所述的有机碳元素碳分析仪，其特征在于，所述有机碳元素碳分析仪还包括动力泵(6)和第一排气管道(71)，所述第一排气管道(71)和所述第一输气管道(11)分设于所述密封腔(24)相对的两侧，所述第一排气管道(71)远离所述密封腔(24)的一端与所述动力泵(6)连接，所述动力泵(6)用于将所述密封腔(24)内的气体排出。

9.一种激光检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任意一项所述的激光检测装置进行检测，所述激光检测方法包括以下步骤：

S100：通过第一激光发射器(811)朝向滤膜(23)背面发射激光，并使所述第一激光发射器(811)发射的激光部分穿过所述滤膜(23)形成第一透射激光，部分被所述滤膜(23)反射形成第一反射激光，所述第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，所述第一反射激光的强度受光源强度和滤膜光学性质的影响；

S200：通过第一激光探测器(82)接收所述第一透射激光，并通过第二激光探测器(83)接收所述第一反射激光；

S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，将所述第一透射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

10.根据权利要求9所述的激光检测方法，其特征在于，当所述激光检测装置还包括第二激光发射器时，所述激光检测方法包括以下步骤：

S100：通过第一激光发射器(811)朝向滤膜(23)背面发射激光，并使所述第一激光发射器(811)发射的激光部分穿过所述滤膜(23)形成第一透射激光，部分被所述滤膜(23)反射形成第一反射激光，所述第一透射激光的强度受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响，所述第一反射激光的强度受光源强度和滤膜光学性质的影响；

通过第二激光发射器(812)朝向滤膜(23)正面发射激光，并使所述第二激光发射器(812)发射的激光部分穿过所述滤膜(23)形成第二透射激光，部分被所述滤膜(23)反射形成第二反射激光，所述第二透射激光、第二反射激光均受光源强度、滤膜光学性质和滤膜正面样品浓度的影响；

S200：通过所述第一激光探测器(82)接收所述第一透射激光和所述第二反射激光，并通过所述第二激光探测器(83)接收所述第一反射激光和所述第二透射激光；

S300：根据所述第一反射激光的强度变化数据，将所述第一透射激光、第二透射激光、第二反射激光中由光源强度和滤膜光学性质的变化产生的影响消除，计算得出多组均仅受滤膜正面样品浓度影响的激光强度变化数据。

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