CN115586114A - 基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，解决了现有测量装置的准确度很差的问题，装置包括：设有待测气体进气口和出气口的气体测试腔；用于向气体测试腔中发射激光光束的激光光源；设置在气体测试腔中的凹面反射镜；入瞳面位于凹面反射镜焦点的光纤准直器，所述光纤准直器设置在气体测试腔中；连接光纤准直器的光纤光谱仪，光纤光谱仪用于探测散射光得到散射光光谱信号；以及连接光纤光谱仪的处理分析单元，所述处理分析单元能够处理分析散射光光谱信号得到待测气体样品中微纳粒子的粒径和数量。本发明的用于大气环境微纳颗粒物粒径测量，具有测量误差小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及大气光学参数测量技术领域，具体涉及基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置。
背景技术
激光粒径谱线测量装置是一种利用激光与微纳粒子互作用基本理论对某一区域内所含微纳粒子尺度和数量进行原位实时精确测量的大气光学测量装置，其中散射光强与激光波长、微纳粒子尺度、微纳粒子折射率、散射角等特征参量密切关联，尤其是微纳粒子的粒径或散射截面与散射光强成正比，根据这一基本理论，利用光电探测器对微纳粒子的散射光强进行测量，通过散射光强就反演微纳粒子的粒径大小，再通过散射光信号的脉冲数和光强幅值范围就可以统计确定微纳粒子的数量和通道数。
由此可知，微纳粒子粒径尺度测量的精确度受到散射光强信号的影响，散射光强越强，产生散射光强的粒径也越大，反之，粒径越小，那么产生的散射光强也就越弱，因此，在探测器接收到散射光信号时，受到背景光噪声影响，会直接导致测量结果的不准确，目前，现有的激光粒径谱仪的测量误差大，尤其是在测量下限的通道内，其测量误差始终保持在50%左右，这样测量出来待测样品的粒径谱线的准确度很差，因此，急需解决粒径谱仪测量不准的这一核心问题。
发明内容
鉴于现有大气环境微纳颗粒物粒径尺度测量的装置的测量准确度低的问题，本发明提供基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，包括：
设有待测气体进气口和出气口的气体测试腔；
用于向气体测试腔中发射激光光束的激光光源；
设置在气体测试腔中的凹面反射镜；
入瞳面位于凹面反射镜焦点的光纤准直器，所述光纤准直器设置在气体测试腔中；
连接光纤准直器的光纤光谱仪，光纤光谱仪用于探测散射光得到散射光光谱信号；
以及连接光纤光谱仪的处理分析单元，所述处理分析单元能够处理分析散射光光谱信号得到待测气体样品中微纳粒子的粒径和数量。
上述光学装置可以抑制背景光噪声对为纳颗粒物散射光信号的干扰影响，从而实现大气环境中微纳颗粒物粒径尺度和数量的准确测量。
基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量方法，其特征在于，采用所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置。
本发明的有益效果是：
本发明的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置和方法，提出了光纤光谱仪作为探测单元，散射光不仅一部分直接入射到光纤准直器，通过设置凹面反射镜配合光纤准直器，使得更多的散射光被光纤光谱仪探测到，实现了背景光噪声对散射光信号干扰的有效抑制，将测量误差从50%可以有效降低至15%，大大降低了误差，提高了测量装置的测量精准性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1为本发明基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置的激光光源安装面结构剖视图；
图2为本发明基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置的凹面反射镜、光纤准直器、多模光纤、光纤光谱仪以及上位机安装面结构剖视图。
其中，1、激光光源，2、气体测试腔，3、凹面反射镜，4、光纤准直器，5、多模光纤，6、光纤光谱仪，7、上位机。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，该装置包括气体测试腔2、激光光源1、光纤准直器4、凹面反射镜3、光纤光谱仪6和处理分析单元。
凹面反射镜3设置在气体测试腔2中，例如凹面反射镜3安装在气体测试腔2侧壁上。激光光源1可设置在气体测试2内，也可部分位于气体测试腔2内、部分位于气体测试腔2外，激光光源1用于向气体测试腔2中发射激光光束。光纤准直器4可设置在气体测试2内，也可部分位于气体测试腔2内、部分位于气体测试腔2外。不限定光纤光谱仪6的具体位置，具体的，光纤光谱仪6通过多模光纤5连接光纤准直器4，光纤光谱仪6和上位机7之间利用数据线连接，处理分析单元采用上位机7，上位机7内置的光谱分析软件。
激光光源1能够向气体测试腔2中发射激光光束。光纤准直器4和凹面反射镜3对应设置，凹面反射镜3的焦点位于光纤准直器4的入瞳面上，光纤准直器4和光纤光谱仪6由多模光纤5连接。气体测试腔2上设有进气口和出气口，进气口作为待检测气体的进气口，出气口作为进入气体容器中的待检测气体的出气口。
如图1和图2所示，待测气体经过进气口进入到气体测试腔2，激光光源1发出的光束在传输过程中遇到待测气体会发生散射，散射的光束中有一部分直接进入光纤准直器4，散射的光束中还有一部分入射到凹面反射镜3，经过凹面反射镜3反射后进入到光纤准直器4。
具体的激光光源1出射的光束位于光纤准直器4和凹面反射镜3位于之间，也位于进气口和出气口之间。光纤准直器4、多模光纤5、光纤光谱仪6和上位机7共同构成信号接收、处理及分析单元。
激光光源1出射的光束遇到待测气体中的微纳粒子发生散射得到散射光，光纤准直器4能够接收到散射光信号，通过与光纤准直器4连接的多模光纤5可以将散射光信号传递给光纤光谱仪6，光纤光谱仪6内部光栅可以区分散射光信号和背景噪声光信号。
待测气体从进气口进入从出气口流出，形成待测气体流，其中所包含的微纳粒子与激光光源1发出光束的光子发生散射效应。散射光直接或经过凹面反射镜3间接被光纤准直器4采集，实现光纤准直器4完成对微纳粒子散射光信号的采集，光纤准直器4探测散射光得到散射光信号并将散射光信号经过多模光纤5发送至光纤光谱仪6，光纤光谱仪6可以将散射光信号转换为散射光电信号，并将电信号发送至处理分析单元，电信号经过处理分析单元内信号处理模块进行信号去噪、放大，去噪放大后的电信号进入处理分析单元内数据处理模块，数据处理模块对接收到的信号进行信号处理得到在一定时间范围内所采集待测气体中微纳粒子粒径大小与数量对应分布的谱线，也就是得到了待测气体中的微纳粒子的粒径和数量。
上述气体测试腔2内壁为黑体，具体可以在气体测试腔2内壁涂抹高吸收率黑体吸光材料，使其内壁成为黑体。气体测试腔2气密性良好，气体测试腔2内壁用于吸收多余的非散射光，并且能够保证气体测试腔2内部气体不会外泄，外部气体不会进入，避免外部气体进入影响待测气体样品的洁净度，引入误差。
上述气体测试腔2除进气口和出气口外，气体测试腔2的其余部分均为密封结构，也就是气体测试腔2仅具有进气口和出气口两个能够通过气体的部分。进气口处设有进气单向阀，出气口处设有出气单向阀。进气口外连接气体注入装置，出气口可外连接气体吸出装置。
上述光纤准直器4、多模光纤5、光纤光谱仪6和上位机所组成的散射光探测单元具有抑制背景光噪声的作用。基于本发明的光学装置能够有效降低粒径谱线的测量误差，相比于误差小于现有对0.3微米微纳粒子的计数装置。
上述凹面反射镜3对发射光源的波长具有极高反射率，可以将相同波长的散射光反射聚焦至光纤准直器4的入瞳面上。
上述激光光源1的出光口处设有光学整形透镜/透镜组，光学整形透镜/透镜组位于气体测试腔2内，光学整形透镜/透镜组用于激光光源1发出光束的整形，例如采用准直镜，激光光源1发出的光束经过准直镜准直后平行出射，例如采用快轴慢轴镜组，调整激光光源1发的光束的发散角。
本实施方式中，所述凹面反射镜3主光轴和激光光源1发出激光光束的光轴能够交汇于一点称为O点，以交汇点作为坐标原点，建立笛卡尔坐标系，笛卡尔坐标系的x轴为激光光束所在的直线，y轴为凹面反射镜3主光轴，通常x轴和y轴平行于水平面，z轴为竖直方向，进气口和出气口位于z轴上。光学密封腔2为长方体结构，激光光源1位于前侧面上，光纤准直器4位于左侧面上，凹面反射镜3位于右侧面上，进气口位于上侧面上，出气口位于下侧面上，长方体结构的集合中心为上述笛卡尔坐标系的原点，进气口和出气口用于实时采集待测气体样品的流通，在气体测试腔2的立体几何中心处激光光束与待测气体样品流交汇。
上述光学装置的工作过程为：待测气体样品如图1中从光学密封腔2上端的进气孔进入，按照箭头所示方向在气泵的作用下流进光学密封腔2，此时激光光源1持续发射激光，当待测气体样品中的微纳粒子经过激光束传输区域后发生散射，散射光分布于各个方向，如图2所示，一部分散射光直接由光纤准直器4采集，经由多模光纤5进入到光纤光谱仪6内部，另一部分散射光在凹面反射镜3的反射作用下聚焦于光纤准直4入瞳面上，完成单个粒子信号光采集，此时采集到的所有光信号在光纤光谱仪6的作用下转换为电信号，并由上位机7进行处理分析，在光谱分析软件中设置有散射光强阈值，在阈值范围内的散射光信号经过分析处理，输出对应粒子的粒径大小和数量，经过一段时间的采集，形成该待测气体样品的粒径谱线分布，经过散射区域后的待测样品气体将从如图1中所示气体测试腔2下端的出气孔流出，不会滞留于气体测试腔内影响测量结果。
本发明还提供了基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量方法，采用上述基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，具体包括如下步骤：
进气口连通气体注入装置，启动气体注入装置向气体测试腔2中注入待测气体，确保出气口打开；
打开激光光源1，打开光纤光谱仪6，打开上位机7及内置光谱分析软件；
持续向气体测试腔2中注入待测气体，直至获得待测气体中的微纳粒子的粒径大小和数量；
待测气体检测完毕后关闭激光光源1和光纤光谱仪6和上位机7。
本发明的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，提出了光纤光谱仪6作为探测单元，实现了背景光噪声对散射光信号的有效抑制；散射光不仅一部分直接入射到光纤准直器4，通过设置凹面反射镜3配合光纤准直器4，使得更多的散射光被光纤光谱仪6探测到，提高了测量精度，大大降低了误差，将测量误差从50%可以有效降低至15%。
通过将光学密封腔2内壁设为黑体和密闭结构，以及凹面反射镜3的高反射率，进一步的提高了本发明光学装置的精准度。
本发明的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量方法简单易操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，包括：
设有待测气体进气口和出气口的气体测试腔；
用于向气体测试腔中发射激光光束的激光光源；
设置在气体测试腔中的凹面反射镜；
入瞳面位于凹面反射镜焦点的光纤准直器；
连接光纤准直器的光纤光谱仪，光纤光谱仪用于探测散射光得到散射光光谱信号；
以及连接光纤光谱仪的处理分析单元，所述处理分析单元能够处理分析散射光光谱信号得到待测气体样品中微纳粒子的粒径和数量。
2.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，当所述进气口和出气口均关闭时，所述气体测试腔为密封结构。
3.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述气体测试腔内壁涂覆有黑体吸光材料。
4.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述进气口和出气口正对应设置。
5.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述激光光源发出激光光束的光轴与凹面反射镜的主光轴垂直且交汇。
6.如权利要求5所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述进气口和出气口的连线所在直线与所述激光光束光轴、以及与所述主光轴均垂直且交汇。
7.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述处理分析单元通过光谱信号的强度和光谱实时响应数量通过反演得到待测气体样品中微纳粒子的粒径和数量。
8.如权利要求1所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置，其特征在于，所述进气口处设有进气单向阀，出气口处设有出气单向阀。
9.基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任意一项所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量装置。
10.如权利要求9所述的基于散射光谱法的大气环境微纳颗粒物粒径测量方法，其特征在于，包括：
S1、通过气体注入装置和进气口将待测气体注入气体测试腔中，同时出气口打开；
S2、打开激光光源、光纤光谱仪和处理分析单元；
S3、处理分析单元获得待测气体中微纳粒子的粒径大小和数量，测试完成。
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| Title |
|---|
| 肖林等: "PM2.5气溶胶光学特性研究", 《光学与光电技术》 * |
| 赵延军等: "矿尘粒径分布测量入射光源系统改进研究", 《煤矿安全》 * |
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