CN114112820A - 用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，包括测量主体和设置在测量主体上的入射光准直模块、至少一前向散射信号探测模块和至少两个后向散射信号探测模块，两后向散射信号探测模块轴对称分布在入射光准直模块的两侧；测量主体上设有主通道和若干侧通道，主通道的两端分别为进气端和出气端；主通道位于测量主体的中部，若干侧通道均与主通道连通，并分布在主通道的外侧；入射光准直模块和散射信号探测模块分别对应设置在若干侧通道上；在测量时，带有颗粒物的气体进入主通道，入射光准直模块产生的入射光在颗粒物上产生散射信号，信号被不同侧通道上的前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块捕获，进而得到颗粒物的特征信息。

Description

用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置
技术领域
本发明属于大气环境颗粒物理化性质探测技术领域，特别是涉及一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置。
背景技术
目前对于大气颗粒物的在线监测主要集中在浓度、化学组分性质等方面，对于单颗粒物的形貌特征识别较为准确的方法是通过扫描电镜进行分析，因此，要获得较为全面的颗粒物形貌信息，工作量大且成本较高。
对于单颗粒物形貌的在线监测技术起步较晚，目前测量的基本原理是通过颗粒物后向散射信号的偏振特性对其形貌进行判别，即将后向散射信号中垂直分量与总量之比作为退偏比，以退偏比作为颗粒物的形貌判别系数，然而这种方法不足的是分光后的垂直分量信号较弱，此信号的检测对于仪器精度和运行环境要求较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，包括测量主体和设置在所述测量主体上的入射光准直模块、至少一前向散射信号探测模块和至少两个后向散射信号探测模块，两所述后向散射信号探测模块轴对称分布在所述入射光准直模块的两侧；
所述测量主体上设有主通道和若干侧通道，所述主通道的两端分别为进气端和出气端；所述主通道位于所述测量主体的中部，若干所述侧通道均与所述主通道连通，并分布在所述主通道的外侧；所述入射光准直模块、前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块分别对应设置在若干所述侧通道上；
在测量时，带有颗粒物的气体进入所述主通道，所述入射光准直模块产生的入射光在颗粒物上产生散射信号，信号被不同侧通道上的前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块捕获，进而得到颗粒物的特征信息。
较佳地，一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，还包括激光耗散模块，所述激光耗散模块包括设置在所述测量主体内的激光耗散腔，所述激光耗散腔的一端密封，另一端与所述主通道连通；
所述激光耗散腔正对着所述入射光准直模块，并与所述入射光准直模块分布在所述主通道的相对两侧。
较佳地，所述测量主体为正多边形结构，所述入射光准直模块、前向散射信号探测模块、后向散射信号探测模块和激光耗散模块分别对应此正多边形结构的若干侧边设置。
较佳地，所述主通道竖直设置，所述侧通道水平设置。
较佳地，在剩余的侧通道内设置遮光片。
较佳地，所述进气端上设有分别与所述主通道连通的样气进口和鞘气进口，所述主通道通过鞘气绕流实现颗粒物的单个排列，所述主通道内的气体在抽气泵的作用下分别进入各侧通道。
较佳地，所述入射光准直模块包括激光二极管、第一准直透镜和平凸柱面透镜，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜沿着对应的侧通道从外向内间隔设置在对应的侧通道上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜的凸面均朝向所述主通道；
所述激光二极管设置在对应的侧通道的外端口处。
较佳地，所述入射光准直模块还包括第一镜筒，所述第一镜筒的外周密封设置在对应的侧通道上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜间隔设置在此第一镜筒内。
较佳地，所述前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块均包括第二准直透镜、聚焦透镜和雪崩光电二极管，所述第二准直透镜和聚焦透镜沿着对应的侧通道从内向外间隔设置在对应的侧通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜的凸面均朝向所述主通道；
所述激光二极管设置在对应的侧通道的外端口处。
较佳地，所述前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块均还包括第二镜筒，所述第二镜筒安装在对应的侧通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜间隔设置在此第二镜筒内。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明提供一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，前向散射信号的强弱与颗粒物粒径正相关，通过校准后的前向散射信号探测模块的信号强弱即可判断颗粒物的粒径大小。两个后向散射信号探测模块以入射光准直模块为轴对称分布，其信号强度受到颗粒物形貌的影响。当颗粒物为规则球形时，两个后向散射信号探测模块捕获相同的散射信号；当颗粒物不规则时，两个后向散射信号探测模块会产生一定的信号偏差，且颗粒物不规则度越大，两个后向散射信号探测模块产生的信号偏差越大。两个后向散射信号探测模块的信号差异即可反映颗粒物的不规则度。相比于常规判别方法，对于后向散射信号不再进行偏振分光处理，而是通过对称角度的两个后向信号比来进行颗粒物不规则度判别，解决了后向散射信号中垂直分量信号较弱、不易检测的问题。
2、一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置还包括激光耗散模块，入射光准直模块产生的激光会通过激光耗散模块消耗，起到对颗粒物散射信号的收集产生抗干扰的作用。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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。附图中：
图1为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置的内部结构示意图；
图2为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置的立体图；
图3为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置的侧视图一；
图4为本发明的优选实施例提供的激光耗散模块的工作原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
请参考图1至图4，一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，包括测量主体3和设置在所述测量主体3上的入射光准直模块1、至少一前向散射信号探测模块4和至少两个后向散射信号探测模块2，两所述后向散射信号探测模块2轴对称分布在所述入射光准直模块1的两侧；
所述测量主体3上设有主通道31和若干侧通道，所述主通道31的两端分别为进气端311和出气端312；若干所述侧通道均与所述主通道31连通，并分布在所述主通道31的外侧；所述入射光准直模块1、前向散射信号探测模块4和后向散射信号探测模块2分别对应设置在若干所述侧通道上；
在测量时，带有颗粒物的气体进入所述主通道31，所述入射光准直模块1产生的入射光在颗粒物上产生散射信号，信号被不同侧通道上的前向散射信号探测模块4和后向散射信号探测模块2捕获，进而得到颗粒物的特征信息。
本发明对前向散射信号探测模块4和后向散射信号探测模块2的个数不做限制，可根据实际测量需求设定。本实施例以测量系统包括一个前向散射信号探测模块4和两个后向散射信号探测模块2为例加以详细说明。
本实施例提供一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，包括测量主体3和设置在所述测量主体3上的入射光准直模块1、前向散射信号探测模块4和两个后向散射信号探测模块2，两所述后向散射信号探测模块2轴对称分布在所述入射光准直模块1的两侧，前向散射信号探测模块4与其中一后向散射信号探测模块2分别位于主通道31相对的两侧。
为了便于安装和布局测量主体3上的各模块，本实施例优选测量主体3为正多边形结构，如正八边形结构，此正八边形结构的中部竖直设置所述主通道31，此主通道31贯穿此正八边形结构的上下两端面，此主通道31的一端为进气端311，另一端为出气端312，目的是便于带有颗粒物的气体的进入和排出。若干个侧边上分别水平设置若干个侧通道，若干个侧通道均位于主通道31的外侧，且均与主通道31相通。在本实施例中，入射光准直模块1设置在此正八边形结构的一侧边对应的侧通道上，两后向散射信号探测模块2分别设置在入射光准直模块1的相邻两侧边所对应的侧通道上，前向散射信号探测模块4设置在其中一后向散射信号探测模块2所在侧通道相对的一侧通道上。
本实施例提供的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，还包括激光耗散模块5，所述激光耗散模块5包括设置在所述测量主体3内的激光耗散腔51，所述激光耗散腔51的一端密封，另一端与所述主通道31连通；
所述激光耗散腔51正对着所述入射光准直模块1，并与所述入射光准直模块1分布在所述主通道31的相对两侧。
在本实施例中，如果没有激光耗散腔51，入射光准直模块1产生的激光会直接反射回来，对颗粒物散射信号的收集产生干扰，因此，请参考图4，入射光准直模块1产生的激光通过气路（主通道31与侧通道之间形成气路）后会在激光耗散腔51中吸光面上不断吸收、反射而被消耗，起到对颗粒物散射信号的收集产生抗干扰的作用。
在本实施例中，两所述后向散射信号探测模块2分别与所述入射光准直模块1之间的夹角为45°，所述前向散射信号探测模块4与所述激光耗散模块5呈45°。
为了加工方便，测量主体3通常开中心对称的四个通道，目的是便于根据实际需求安装适配的测量模块（1个入射光准直模块1和适配个数的散射信号探测模块）。在不同的需求下，安装的测量模块个数可能不同，在某一具体的使用场合时，若测量模块的个数小于侧通道的个数时，那么会有剩余的侧通道，由于测量主体3内要密闭设置，为了使得颗粒物散射信号测试不受环境光的影响，因此，在这些剩余的侧通道（也称之为非测量侧通道，即没有被安装测量模块的侧通道）内设置遮光片，遮光片6的作用：一是为了密封非测量侧通道，二是为非测量侧通道进行遮光。
本发明对带有颗粒物的气体如何通入所述主通道31和侧通道内不做限制。在本实施例中，所述进气端311上设有分别与所述主通道31连通的样气进口3111和鞘气进口3112，所述主通道31通过鞘气绕流实现颗粒物的单个排列，所述主通道31内的气体在抽气泵的作用下分别进入各侧通道。
在本实施例中，所述入射光准直模块1包括激光二极管11、第一镜筒、第一准直透镜12和平凸柱面透镜13，所述第一镜筒的外周密封设置在对应的侧通道上，所述第一准直透镜12和平凸柱面透镜13从外向内间隔设置在此第一镜筒内，所述第一准直透镜12和平凸柱面透镜13的凸面均朝向所述主通道31；所述激光二极管11设置在对应的侧通道的外端口处。在测量时，通过第一准直透镜12和平凸柱面透镜13调制，激光二极管11发出由发散的高斯光束变为最有利于颗粒物散射信号捕捉的线性准直光斑。
所述前向散射信号探测模块4和后向散射信号探测模块2均包括第二镜筒22、第二准直透镜21、聚焦透镜23、雪崩光电二极管24和控制电路25，第二镜筒22安装在对应的侧通道上，所述第二准直透镜21和聚焦透镜23从内向外间隔设置在此第二镜筒22内，所述第二准直透镜21和聚焦透镜23的凸面均朝向所述主通道31；所述雪崩光电二极管24和控制电路25固定设置在对应的侧通道的外端口处，雪崩光电二极管24位于侧通道内，控制电路25位于雪崩光电二极管24的外侧，且固定在该侧通道的外端口的端壁上。
在本实施例中，前向散射信号的强弱与颗粒物粒径正相关，通过校准后的前向散射信号探测模块4的信号强弱即可判断颗粒物的粒径大小。
两个后向散射信号探测模块2以入射光准直模块1为轴对称分布，其信号强度受到颗粒物形貌的影响。当颗粒物为规则球形时，两个后向散射信号探测模块2捕获相同的散射信号；当颗粒物不规则时，两个后向散射信号探测模块2会产生一定的信号偏差，且颗粒物不规则度越大，两个后向散射信号探测模块2产生的信号偏差越大。两个后向散射信号探测模块2的信号差异即可反映颗粒物的不规则度。相比于常规判别方法，对于后向散射信号不再进行偏振分光处理，而是通过对称角度的两个后向信号比来进行颗粒物不规则度判别，解决了后向散射信号中垂直分量信号较弱、不易检测的问题。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，包括测量主体和设置在所述测量主体上的入射光准直模块、至少一前向散射信号探测模块和至少两个后向散射信号探测模块，两所述后向散射信号探测模块轴对称分布在所述入射光准直模块的两侧；
所述测量主体上设有主通道和若干侧通道，所述主通道的两端分别为进气端和出气端；所述主通道位于所述测量主体的中部，若干所述侧通道均与所述主通道连通，并分布在所述主通道的外侧；所述入射光准直模块、前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块分别对应设置在若干所述侧通道上；
在测量时，带有颗粒物的气体进入所述主通道，所述入射光准直模块产生的入射光在颗粒物上产生散射信号，信号被不同侧通道上的所述前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块捕获，进而得到颗粒物的特征信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，还包括激光耗散模块，所述激光耗散模块包括设置在所述测量主体内的激光耗散腔，所述激光耗散腔的一端密封，另一端与所述主通道连通；
所述激光耗散腔正对着所述入射光准直模块，并与所述入射光准直模块分布在所述主通道的相对两侧。
3.根据权利要求2所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述测量主体为正多边形结构，所述入射光准直模块、前向散射信号探测模块、后向散射信号探测模块和激光耗散模块分别对应此正多边形结构的若干侧边设置。
4.根据权利要求3所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述主通道竖直设置，所述侧通道水平设置。
5.根据权利要求2所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，在剩余的侧通道内设置遮光片。
6.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述进气端上设有分别与所述主通道连通的样气进口和鞘气进口，所述主通道通过鞘气绕流实现颗粒物的单个排列，所述主通道内的气体在抽气泵的作用下分别进入各侧通道。
7.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述入射光准直模块包括激光二极管、第一准直透镜和平凸柱面透镜，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜沿着对应的侧通道从外向内间隔设置在对应的侧通道上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜的凸面均朝向所述主通道；
所述激光二极管设置在对应的侧通道的外端口处。
8.根据权利要求7所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述入射光准直模块还包括第一镜筒，所述第一镜筒的外周密封设置在对应的侧通道上，所述第一准直透镜和平凸柱面透镜间隔设置在此第一镜筒内。
9.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块均包括第二准直透镜、聚焦透镜和雪崩光电二极管，所述第二准直透镜和聚焦透镜沿着对应的侧通道从内向外间隔设置在对应的侧通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜的凸面均朝向所述主通道；
所述激光二极管设置在对应的侧通道的外端口处。
10.根据权利要求9所述的一种用于大气单颗粒物粒径及不规则度判别的光学测量装置，其特征在于，所述前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块均还包括第二镜筒，所述第二镜筒安装在对应的侧通道上，所述第二准直透镜和聚焦透镜间隔设置在此第二镜筒内。
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