CN114441391A - 一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，包括：测量腔模块，其包括测量腔和设置在测量腔上的光源模块、至少一前向散射信号探测模块和至少一后向散射信号探测模块，测量腔上开设有主通道和若干与主通道相通的侧通道，所述光源模块、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；气路系统，基于鞘气绕流原理，气路系统分别与主通道的两端口连接；若干APD光电转化模块；若干光纤耦合模块，前向散射信号探测模块和后向散射信号探测模块通过若干光纤耦合模块分别与若干APD光电转化模块连接；数据采集模块，分别与若干APD光电转化模块连接；数据处理模块，与数据采集模块连接。

Description

一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统
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激光散射在线监测的集成化系统。
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。
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激光散射在线监测的集成化系统，包括：
测量腔模块，其包括测量腔和设置在所述测量腔上的光源模块、至少一前向散射信号探测模块和至少一后向散射信号探测模块，所述测量腔上开设有主通道和若干侧通道；所述主通道位于所述测量腔的中部，若干所述侧通道均与所述主通道连通；所述光源模块、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；
气路系统，基于鞘气绕流原理，所述气路系统分别与所述主通道的两端口连接；
若干APD光电转化模块；
若干光纤耦合模块，所述前向散射信号探测模块和所述后向散射信号探测模块通过若干所述光纤耦合模块分别与若干所述APD光电转化模块连接；
数据采集模块，分别与若干所述APD光电转化模块连接；
数据处理模块，与所述数据采集模块连接。
较佳地，所述测量腔模块包括至少两个所述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光源模块的两侧。
较佳地，所述测量腔模块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腔内的激光耗散腔，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光源模块，并与所述光源模块分布在所述主通道的相对两侧。
较佳地，所述测量腔为正多边形结构，所述光源模块、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，在剩余的侧通道内设置遮光片。
较佳地，所述光源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包括第二准直透镜和聚焦透镜，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密封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。
较佳地，所述APD光电转化模块包括调理电路和与所述调理电路连接的第二雪崩光电二极管。
较佳地，所述光纤耦合模块包括耦合器和多模光纤，所述耦合器设置在对应的侧通道的外端口处，所述多模光纤通过光纤跳线分别与对应的所述耦合器和调理电路连接。
较佳地，所述气路系统包括鞘气绕流模块、稳流模块和动力模块，所述鞘气绕流模块包括进样管、鞘气管和绕流形成腔，所述绕流形成腔上开设有样本进气口、鞘气进气口和喷出口，所述进样管与所述样本进气口连通，所述鞘气管与所述鞘气进气口连通，所述喷出口与所述主通道的进气口连通；
所述稳流模块包括出气管，所述出气管的进气口与所述主通道的出气口连通，所述动力模块设置在所述出气管上，所述出气管的排气口通过三通阀分别与排气管和所述鞘气管连通，所述出气管、所述排气管和鞘气管上均设有质量流量控制器。
较佳地，所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统还包括外壳，所述外壳分隔成上下两层，所述测量腔模块设置在上层，所述APD光电转化模块、所述数据采集模块、所述数据处理模块以及所述气路系统的动力模块均设置在下层。
较佳地，所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块连接，所述显示模块设置在所述外壳的外侧。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明提供的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，可对大气单颗粒物的粒径和不规则度进行有效探测，具有体积小集成度高、时间分辨率高、可实现在线监测和分析等优点；
2、在本发明中，两个后向散射信号探测模块以光源模块为轴对称分布，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。
3、在本发明中，光源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。
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激光散射在线监测的集成化系统的方框图；
图2为本发明的优选实施例提供的测量腔模块的内部结构示意图；
图3为本发明的优选实施例提供的测量腔模块的侧视图一；
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；
图5为本发明的优选实施例提供的气路系统的结构图；
图6为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统的立体图；
图7为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统的上层结构示意图；
图8为本发明的优选实施例提供的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统的下层结构示意图；
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。
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8，一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，包括外壳和设置在外壳内的测量腔模块1、气路系统7、若干APD光电转化模块3、若干光纤耦合模块2、数据采集模块4和数据处理模块5：
所述测量腔模块1包括测量腔13和设置在所述测量腔13上的光源模块11、至少一前向散射信号探测模块14和至少两个后向散射信号探测模块12，两所述后向散射信号探测模块12轴对称分布在所述光源模块11的两侧；
所述测量腔13上设有主通道131和若干侧通道，所述主通道131的两端分别为进气口和出气口，气路系统7分别与所述主通道131的两端连接；若干所述侧通道均与所述主通道131连通，并分布在所述主通道131的外侧；所述光源模块11、前向散射信号探测模块14和后向散射信号探测模块12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131，所述光源模块11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14和后向散射信号探测模块12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14和后向散射信号探测模块12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14和两个后向散射信号探测模块12为例加以详细说明。
本实施例提供一种大气单颗粒物粒径及形貌光学测量系统，包括测量腔13和设置在所述测量腔13上的光源模块11、前向散射信号探测模块14和两个后向散射信号探测模块12，两所述后向散射信号探测模块12轴对称分布在所述光源模块11的两侧，前向散射信号探测模块14与其中一后向散射信号探测模块12分别位于主通道131相对的两侧。
为了便于安装和布局测量腔13上的各模块，本实施例优选测量腔13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131，此主通道131贯穿此正八边形结构的上下两端面，此主通道131的上端为进气口，下端为出气口，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131的外侧，且均与主通道131相通。在本实施例中，光源模块11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12分别设置在光源模块11的相邻两侧边所对应的侧通道上，前向散射信号探测模块14设置在其中一后向散射信号探测模块12所在侧通道相对的一侧通道上。
本实施例提供的一种大气单颗粒物粒径及形貌光学测量系统，还包括激光耗散模块15，所述激光耗散模块15包括设置在所述测量腔13内的激光耗散腔151，所述激光耗散腔151的一端密封，另一端与所述主通道131连通；
所述激光耗散腔151正对着所述光源模块11，并与所述光源模块11分布在所述主通道131的相对两侧。
在本实施例中，如果没有激光耗散腔151，光源模块11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，光源模块11产生的激光通过气路(主通道131与侧通道之间形成气路)后会在激光耗散腔151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12分别与所述光源模块11之间的夹角为45°，所述前向散射信号探测模块14与所述激光耗散模块15呈45°。
为了加工方便，测量腔13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个光源模块11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，由于测量腔13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16，遮光片16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131和侧通道内不做限制。在本实施例中，气路系统7基于鞘气绕流原理，具体包括鞘气绕流模块、稳流模块和动力模块75，所述鞘气绕流模块包括进样管71、鞘气管72和绕流形成腔78，所述绕流形成腔78上开设有样本进气口781、鞘气进气口782和喷出口，所述进样管71与所述样本进气口781连通，所述鞘气管72与所述鞘气进气口782连通，所述喷出口与所述主通道131的进气口连通；
所述稳流模块包括出气管73，所述出气管73的进气口与所述主通道131的出气口连通，所述动力模块75设置在所述出气管73上，所述出气管73的排气口通过三通阀76分别与排气管710和所述鞘气管72连通，所述出气管73、所述排气管710和鞘气管72上均设有质量流量控制器77。
进一步的，出气管73和鞘气管72上均设有过滤器74。
本实施例对动力模块75不做限制，只要能促进气体循环流动即可，如小型真空泵。本实施例通过鞘气绕流的气路设计，使得待测颗粒物以单颗粒排列的方式进入测量腔13中，所述主通道131内的气体在动力模块75的作用下分别进入各侧通道。从主通道131内排出来的气体通过三台质量流量控制器77进行气路分配，目的是使得从测量腔13中流出来的气体一部分通过排气管710被排出至大气中，一部分通入鞘气管72中，为样气提供鞘气。本实施例提供的气路系统7更加稳定，方便进行多级控制。
在本实施例中，所述光源模块11包括激光二极管111、第一镜筒、第一准直透镜112和平凸柱面透镜113，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112和平凸柱面透镜113从外向内间隔设置在此第一镜筒内，所述第一准直透镜112和平凸柱面透镜113的凸面均朝向所述主通道131；所述激光二极管111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112和平凸柱面透镜113调制，激光二极管111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14和后向散射信号探测模块12均包括第二镜筒122、第二准直透镜121和聚焦透镜123，第二镜筒122安装在对应的侧通道上，所述第二准直透镜121和聚焦透镜123从内向外间隔设置在此第二镜筒122内，所述第二准直透镜121和聚焦透镜123的凸面均朝向所述主通道131。
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14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12以光源模块11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12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12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12产生的信号偏差越大。两个后向散射信号探测模块12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。
在本实施例中，所述APD光电转化模块3包括调理电路32和与所述调理电路32连接的第二雪崩光电二极管31。
所述光纤耦合模块2包括耦合器21和多模光纤，所述耦合器21设置在对应的侧通道的外端口处，所述多模光纤通过光纤跳线22分别与对应的所述耦合器21和调理电路32连接。
在本实施例中，光纤耦合模块2通过耦合器21将散射信号耦合进入多模光纤，通过多模光纤跳线22实现短距离通信，并通过SMA接口将光信号由测量腔13传输至APD光电转化模块3。APD通过半导体材料硅实现信号的倍增，并将光信号转换为电信号，通过调理电路32实现信号的进一步处理，包括放大、滤波、温度补偿等功能。
数据采集模块4对三个侧通道(前向散射信号探测模块14和后向散射信号探测模块12所在的侧通道)的高频电压信号进行采集，将模拟信号转换为数字信号，高分辨率的采样器可实现高频信号与上位机的同步通信。
数据处理模块5以微型工控主板为核心，实现对数据的存储、分析、展示等功能。数据处理模块5还连接显示模块6，如触控显示屏，显示用以控制系统运行及监控运行状态等。在本实施例中，显示模块6设置在外壳的外侧，目的是便于装置外的工作人员进行操作。在本实施例中，通过微型工控主板上位机软件对数据采集模块4(高频数据采集卡)获得的电压信号进行实时分析处理，利用触控显示屏进行实时展示。使整个装置可以应用于站点监测、移动走航监测、机载监测等多种监测方式。
在本实施例中，所述外壳通过隔板9分隔成上下两层，所述测量腔模块1和耦合器21设置在上层，所述APD光电转化模块3、所述数据采集模块4、所述数据处理模块5以及所述气路系统7的动力模块75均设置在下层。之所以将测量腔模块1与其他模块隔开，一方面是便于系统的组装、维护与使用，同时还避免了真空泵震动等环境因素对光学测量的干扰，提升了整个系统的模块化、集成化和美观性。
在本实施例中，外壳的下层还设有供电模块，目的是为了上述所有的模块供电。
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 (12)

1.一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，包括：
测量腔模块，其包括测量腔和设置在所述测量腔上的光源模块、至少一前向散射信号探测模块和至少一后向散射信号探测模块，所述测量腔上开设有主通道和若干侧通道；所述主通道位于所述测量腔的中部，若干所述侧通道均与所述主通道连通；所述光源模块、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；
气路系统，基于鞘气绕流原理，所述气路系统分别与所述主通道的两端口连接；
若干APD光电转化模块；
若干光纤耦合模块，所述前向散射信号探测模块和所述后向散射信号探测模块通过若干所述光纤耦合模块分别与若干所述APD光电转化模块连接；
数据采集模块，分别与若干所述APD光电转化模块连接；
数据处理模块，与所述数据采集模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述测量腔模块包括至少两个所述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光源模块的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述测量腔模块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腔内的激光耗散腔，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光源模块，并与所述光源模块分布在所述主通道的相对两侧。
4.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述测量腔为正多边形结构，所述光源模块、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。
5.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，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激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述光源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。
7.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，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和聚焦透镜，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密封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。
8.根据权利要求7所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述APD光电转化模块包括调理电路和与所述调理电路连接的第二雪崩光电二极管。
9.根据权利要求8所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述光纤耦合模块包括耦合器和多模光纤，所述耦合器设置在对应的侧通道的外端口处，所述多模光纤通过光纤跳线分别与对应的所述耦合器和调理电路连接。
10.根据权利要求1所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，所述气路系统包括鞘气绕流模块、稳流模块和动力模块，所述鞘气绕流模块包括进样管、鞘气管和绕流形成腔，所述绕流形成腔上开设有样本进气口、鞘气进气口和喷出口，所述进样管与所述样本进气口连通，所述鞘气管与所述鞘气进气口连通，所述喷出口与所述主通道的进气口连通；
所述稳流模块包括出气管，所述出气管的进气口与所述主通道的出气口连通，所述动力模块设置在所述出气管上，所述出气管的排气口通过三通阀分别与排气管和所述鞘气管连通，所述出气管、所述排气管和鞘气管上均设有质量流量控制器。
11.根据权利要求1至10任一项所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，还包括外壳，所述外壳分隔成上下两层，所述测量腔模块设置在上层，所述APD光电转化模块、所述数据采集模块、所述数据处理模块以及所述气路系统的动力模块均设置在下层。
12.根据权利要求11所述的一种用于大气单颗粒物激光散射在线监测的集成化系统，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块与所述数据处理模块连接，所述显示模块设置在所述外壳的外侧。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090079981A1 (en) * 2007-09-24 2009-03-26 Process Metrix Laser-based apparatus and method for measuring agglomerate concentration and mean agglomerate size
CN108680474A (zh) * 2018-04-13 2018-10-19 东南大学 一种基于调制散射光强的颗粒物浓度测量装置及其测量方法
CN110849817A (zh) * 2019-10-21 2020-02-28 中国科学院大气物理研究所 一种单颗粒物偏振光学性质和光学粒径谱测量系统
CN112903543A (zh) * 2021-01-20 2021-06-04 华中科技大学 基于光散射的气溶胶颗粒物椭圆度测量方法和系统
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