CN113916783B - 一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法 - Google Patents

一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法，中波段光纤偏振激光器发出偏振激光与短波段光纤偏振激光器发出短波长的偏振激光形成两束厚度一致的光窗帘，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光；雪崩二极管光电探测器可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量。本发明的优点是：结构简单，使用光学器件数量少，光学结构简单，可以结合时间飞行法测试空气颗粒物，可以快速测试颗粒物的空气动力学粒径和有毒物质的含量。

Description

一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域，具体是一种基于光学的有毒物质的检测方法。
背景技术
时间飞行法可以快速高效地检测空气颗粒物的空气动力学粒径值。空气颗粒物中含有对人体有害的有毒物质，而空气颗粒物中的有毒物质部分会产生荧光反应。传统的空气颗粒物中的有毒物质的检测大部分采用溯源分析的方法。该方法的优点在于可以准确的分析处理有毒物质的名称；缺点在于分析方法需要多种仪器或设备共同完成，分析时间长，最主要的无法直接得到有毒物质的空气动力学粒径，而空气颗粒物中的有毒物质的空气动力学直径的大小直接影响人体是否能通过口鼻吸入身体。
发明内容
本发明基于时间飞行法的基础上，通过短波长的激光对可以产生荧光反应的空气颗粒物中的有毒物质进行快速有效的检测，并能给出有毒物质的含量和空气动力学粒径。具体技术方案如下：一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法
中波段光纤偏振激光器发出偏振激光与短波段光纤偏振激光器发出短波长的偏振激光形成两束厚度一致的光窗帘，颗粒沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光；雪崩二极管光电探测器可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量。
具体地，中波段光纤偏振激光器沿主光线布置，短波段光纤偏振激光器与主光线呈角度布置，二者中心线相交处放置偏振分束棱镜,中波段光纤偏振激光器发出偏振激光S+P,光束经过偏振分束棱镜后，P光沿主线继续经过渥拉斯通棱镜，S光则与主光线成一定角度被分离后经过第二45度反光镜后进入第二光陷阱器；短波段光纤偏振激光器发出短波长的偏振激光S’+P’,光束经过偏振分束棱镜后，S’光沿主光线继续经过渥拉斯通棱镜，P’光则与主光线一定角度被分离后经过第二45度反光镜后进入第二光陷阱器；P光与S’光合束后经过渥拉斯通棱镜后经过平凸柱面镜，在颗粒测试位置形成与主光线平行的两束厚度一致的光窗帘，其中一束光窗帘为中波段光纤偏振激光器发出的中波段P光，另一束光窗帘为段波段光纤偏振激光器发出的短波段S’光；颗粒沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，光窗帘的两侧对称设置非球面反光镜和雪崩二极管光电探测器，非球面反光镜收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器，两束光窗帘中一束为短波段激光，有毒物质经过该窗帘会激发荧光，荧光通过非球面反光镜汇集到雪崩二极管光电探测器上；两束光窗帘中另一束为中波段激光，中波段光窗帘发出的散射光，粒子沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，非球面反光镜收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器，雪崩二极管光电探测器检测到两个连续的散射光脉冲，散射光脉冲高度与粒子散射粒径成正比，两个连续的散射光脉冲的间隔即为粒子在两束光窗帘间的运动时间；雪崩二极管光电探测器采集散射光脉冲高度峰峰值并通过AD进行转换，与AD连接的单片机将处理后的散射光脉冲高度信号换算成电压值以及粒子在两束光窗帘间的飞行时间上传给PC端，PC通过与校准曲线进行比对进而得出颗粒的散射学及动力学粒径值；与雪崩二极管光电探测器呈一定角度还设置一个同样的第二雪崩二极管光电探测器，第二雪崩二极管光电探测器的前面设置滤光片，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光；雪崩二极管光电探测器可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量。
光窗帘的高度H＝+/-f*tg(θ)；式中，f-平凸柱面镜焦距，θ-渥拉斯通棱镜光束分离半角。
两束光窗帘继续沿主光线传播至第一45度反射镜后进入第一光陷阱器，避免光污染。
本发明的优点是：结构简单，使用光学器件数量少，光学结构简单，可以结合时间飞行法测试空气颗粒物，可以快速测试颗粒物的空气动力学粒径和有毒物质的含量。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的X-Z面示意图；
图3为本发明的Y-Z面示意图；
图中，1.中波段光纤偏振激光器，2.偏振分束棱镜(PBS)，3.短波段光纤偏振激光器，4.渥拉斯通棱镜，5.平凸柱面镜，6.非球面反光镜，7.滤光片，8.雪崩二极管光电探测器，9.光陷阱器，10.45度反光镜，11.颗粒，,12.光窗帘，1201.P光光窗帘，1202.S’光光窗帘。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图所示，中波段光纤偏振激光器1沿主光线布置，短波段光纤偏振激光器3与主光线在XZ平面内呈角度布置(本实施例为90度，也可以根据需要为其他角度，下同)，二者中心线相交处放置偏振分束棱镜2,中波段光纤偏振激光器1发出偏振激光S+P,光束经过偏振分束棱镜2后，P光沿主线继续经过渥拉斯通棱镜4，S光则与主光线成一定角度被分离后经过第二45度反光镜101后进入第二光陷阱器901。短波段光纤偏振激光器3发出短波长的偏振激光S’+P’,光束经过偏振分束棱镜2后，S’光沿主光线继续经过渥拉斯通棱镜，P’光则与主光线一定角度被分离后经过第二45度反光镜101后进入第二光陷阱器901。P光与S’光合束后经过渥拉斯通棱镜4后经过平凸柱面镜5，在颗粒测试位置形成与主光线平行的两束厚度一致的光窗帘12，其中一束光窗帘为中波段光纤偏振激光器1发出的中波段P光光窗帘1201，另一束光窗帘为段波段光纤偏振激光器3发出的短波段S’光光窗帘1202，光窗帘12的高度H＝+/-f*tg(θ)；式中，f-平凸柱面镜焦距，θ-渥拉斯通棱镜光束分离半角，两束光窗帘继续沿主光线传播至第一45度反射镜10后进入第一光陷阱器9，避免光污染。颗粒11沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，非球面反光镜6收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器8，两束光窗帘中一束为短波段激光，有毒物质经过该窗帘会激发荧光，荧光通过非球面反光镜6汇集到雪崩二极管光电探测器8上。两束光窗帘中另一束为中波段激光，中波段光窗帘发出的散射光，探测器会检测到连续两个光脉冲；非球面反光镜的焦点、雪崩二极管光电探测器之间的连线垂直于光窗帘且光窗帘的两侧分别设置非球面反光镜与雪崩二极管光电探测器。光脉冲高度与粒子散射粒径成正比，两个连续的散射光脉冲的间隔即为粒子在两束光窗帘间的运动时间。
粒子沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，非球面反光镜收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器，雪崩二极管光电探测器检测到两个连续的散射光脉冲，散射光脉冲高度与粒子散射粒径成正比，两个连续的散射光脉冲的间隔即为粒子在两束光窗帘间的运动时间；雪崩二极管光电探测器采集散射光脉冲高度峰峰值并通过AD(模数转换器)进行转换，与AD(模数转换器)连接的单片机将处理后的散射光脉冲高度信号换算成电压值以及粒子在两束光窗帘间的飞行时间上传给PC端，PC通过与校准曲线进行比对进而得出颗粒的散射学及动力学粒径值。
在XZ平面内，与雪崩二极管光电探测器呈一定角度还设置一个同样的第二雪崩二极管光电探测器801，不同的是，在此探测器的前面设置滤光片7，滤光片7保证被激发出的荧光透过滤光片的效率为95％以上，如果粒子为有毒物质，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光。因为雪崩二极管光电探测器是可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光需要在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量。
为避免影响散射光的探测，还包括与所述光窗帘的正对着的第一45度反光镜10，45度反光镜的反射面设置第一光陷阱器9。
为避免光污染，在偏振分束棱镜(PBS)的下方设置第二45度反光镜101，第二45度反光镜101的发射面设置第二光陷阱器901。
优选地，非球面反光镜的焦点、雪崩二极管光电探测器之间的连线垂直于光窗帘。
两束光窗帘之间的高度为H＝+/-f*tg(θ)；式中，f-平凸面柱面镜焦距，θ-渥拉斯通棱镜光束分离半角。

Claims (3)

1.一种基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法，其特征在于：
通过短波长的激光对可以产生荧光反应的空气颗粒物中的有毒物质进行快速有效的检测；
中波段光纤偏振激光器发出偏振激光与短波段光纤偏振激光器发出短波长的偏振激光形成两束厚度一致的光窗帘，颗粒沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光；雪崩二极管光电探测器可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量；
中波段光纤偏振激光器沿主光线布置，短波段光纤偏振激光器与主光线呈角度布置，二者中心线相交处放置偏振分束棱镜,中波段光纤偏振激光器发出偏振激光S+P,光束经过偏振分束棱镜后，P光沿主线继续经过渥拉斯通棱镜，S光则与主光线成一定角度被分离后经过第二45度反光镜后进入第二光陷阱器；短波段光纤偏振激光器发出短波长的偏振激光S’+P’,光束经过偏振分束棱镜后，S’光沿主光线继续经过渥拉斯通棱镜，P’光则与主光线一定角度被分离后经过第二45度反光镜后进入第二光陷阱器；P光与S’光合束后经过渥拉斯通棱镜后经过平凸柱面镜，在颗粒测试位置形成与主光线平行的两束厚度一致的光窗帘，其中一束光窗帘为中波段光纤偏振激光器发出的中波段P光光窗帘，另一束光窗帘为段波段光纤偏振激光器发出的短波段S’光光窗帘；颗粒沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，光窗帘的两侧对称设置非球面反光镜和雪崩二极管光电探测器，非球面反光镜收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器，两束光窗帘中一束为短波段激光，有毒物质经过该窗帘会激发荧光，荧光通过非球面反光镜汇集到雪崩二极管光电探测器上；两束光窗帘中另一束为中波段激光，中波段光窗帘发出的散射光，粒子沿单方向运动且连续穿过两束光窗帘从而发生散射现象，非球面反光镜收集散射光，将散射光汇集到雪崩二极管光电探测器，雪崩二极管光电探测器检测到两个连续的散射光脉冲，散射光脉冲高度与粒子散射粒径成正比，两个连续的散射光脉冲的间隔即为粒子在两束光窗帘间的运动时间；雪崩二极管光电探测器采集散射光脉冲高度峰峰值并通过AD进行转换，与AD连接的单片机将处理后的散射光脉冲高度信号换算成电压值以及粒子在两束光窗帘间的飞行时间上传给PC端，PC通过与校准曲线进行比对进而得出颗粒的散射学及动力学粒径值；与雪崩二极管光电探测器呈一定角度还设置一个同样的第二雪崩二极管光电探测器，第二雪崩二极管光电探测器的前面设置滤光片，两束光窗帘中的短波段的激光会激发出荧光，中波段会产生散射光；雪崩二极管光电探测器可以检测出这两个波段中所有的光信号，而荧光在滤光片的作用下再被雪崩二极管检测到，会记录该物质为有毒物质，结合已经计算出的空气动力学直径，就能够得到有毒物质的空气动力学粒径和含量。
2.根据权利要求1所述的基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法，其特征在于：光窗帘的高度H＝+/-f*tg(θ)；式中，f-平凸柱面镜焦距，θ-渥拉斯通棱镜光束分离半角。
3.根据权利要求1所述的基于时间飞行法检测有毒物质的光学方法，其特征在于：两束光窗帘继续沿主光线传播至第一45度反射镜后进入第一光陷阱器，避免光污染。
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