CN207408276U - 一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，旨在解决杂散光对悬浮颗粒可测量上下限的存在影响而导致大气悬浮颗粒浓度测量装置的测量范围偏小的问题；本申请通过设置扩束准直滤波系统，将细激光束转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束，以消除杂散光对粒径可测量上下限的影响，消除了双光束差分探测，提供一束参考光，将探测光和参考光同时送入光电差分探测器使二者输出的信号进行差分运算，得到光强的变化，就可以确定被测区域悬浮颗粒浓度的变化，消除光源对测量精度的影响；本申请适用于悬浮颗粒浓度测量领域。

Description

一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置

技术领域

本实用新型涉及属于大气环境质量监测技术领域，具体涉及一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置。

背景技术

近年来，大气污染给我们社会与生活、身体健康等造成了很大的影响和危害，大气环境质量成为了大众的一个日常关注点。悬浮颗粒浓度是大气质量指标中的一项关键性监测对象，因此开展空气中悬浮颗粒浓度的准确测量显得越来越重要。目前，有很多机构和部门正在开发研制大气悬浮颗粒浓度测量设备，为大气环境治理和调控提供技术手段和决策数据支撑。

目前，基于不同的测量原理已研发生产了各种各样的大气悬浮颗粒浓度测量系统，其中包括滤膜称重法、压电振动法、超声衰减法、黑度法、光散射法和光透射法等典型方法。由于光散射法无需对测量对象采样，而可直接实现悬浮颗粒浓度和外部特征的全面监测。与其它方法相比，它具有覆盖悬浮颗粒粒径范围广、偏振光影响误差小、系统响应时间快等优点，而且它也易于实现自动化检测和实时持续测量。因此，光散射法是目前一种主流的悬浮颗粒物浓度测量方法。它的理论依据是米氏光散射理论，它是通过测量颗粒物受光照射后所发出的散射光信号的大小来测量颗粒物的质量浓度。当一束单色光入射到空气中悬浮颗粒物时，它将偏离初始方向而发生散射现象。随着悬浮颗粒物大小、相对折射率等特性及入射光波长不同，入射光产生不同强度的散射光。通过光电探测器采集散射光的强度，可以反演计算悬浮颗粒的粒子数浓度、质量浓度和分布等参数。

然而，现有大气悬浮颗粒浓度测量系统还存在三个方面的主要缺陷：一是没有覆盖大气中主要悬浮颗粒粒径。二是没有消除光源对测量精度的影响；三是光电探测器的散射光强采集角度有限，没有覆盖主要悬浮颗粒物的前向散射角。

首先，大气中悬浮颗粒粒径范围非常广，从10-9mm到10-2mm，其跨度可达7个数量级。然而，现有的基于光散射法的监测系统仅能监测PM2.5、PM10等几种少数粒径的悬浮颗粒物浓度，不能覆盖全粒径范围。有数据表明，0.1～10μm大气悬浮颗粒物对人体健康的影响最为严重，因此监测系统至少应能覆盖0.1～10μm粒径的悬浮颗粒。

其次，现有系统大多采用体积小而重量轻的半导体激光器作为光源，但是它们没有解决其光源输出波长受驱动电流和温度的影响问题，而导致系统本底误差大影响测量精度。另外，现有系统的差分光电检测器仅能固定接收部分散射角的光强信息，而不能根据悬浮颗粒粒径大小调整，也不能覆盖0.1～10μm悬浮颗粒的散射角。理论上，若要获得悬浮颗粒的全部信息，需要探测0～180°范围内的散射光强。但是有文献研究表明：颗粒粒径越大，散射光强度越大，越集中分布在前向小角度内。例如：入射光为波长为650nm，悬浮颗粒粒径大于10μm时，其散射光强集中在前向散射角5°内；悬浮颗粒粒径在2.5～10μm 之间时，其散射光强集中在前向散射角15°内；悬浮颗粒粒径在1～2.5μm之间时，其散射光强集中在前向散射角30°内。因此差分光电检测器的散射光收集角度应覆盖0°～ 160°，尤其要能接收前向散射角30°内的散射光强。

本申请以米氏光散射理论为依据，重点设计光学传感器光路系统、悬浮颗粒散射光强信息检测器，实现一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量系统，以为解决大气污染问题而提供有效的数据支持。

发明内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术中杂散光对悬浮颗粒可测量上下限的存在影响而导致大气悬浮颗粒浓度测量装置的测量范围偏小的问题，本申请提供了一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置,包括光学传感器光路模块、悬浮颗粒采样气路模块、差分光电检测器、中央控制与信号处理模块和显示与报警外围模块,光学传感器光路模块包括可调谐光源单元和用于消除杂散光对粒径可测量上下限的扩束准直测量单元；

所述可调谐光源单元获得测量光束和参考光束；

所述扩束准直测量单元，接收可调谐光源单元发送的测量光束并转换成准直平行光束；

所述悬浮颗粒采样气路模块采集测量区域的颗粒悬浮物；

所述准直平行光束经过悬浮颗粒采样气路模块的颗粒悬浮物形成原始散射光；

所述差分光电检测器，接收散射光并测量得到原始散射光强信号，并差分处理参考光束光强与原始采集散射光强，得到悬浮颗粒真实的散射光强测量数据；

所述中央控制与信号处理模块，接收差分光电检测器输出的真实的散射光强测量数据并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号，并判断悬浮颗粒浓度设否超出阈值，如超出则输出报警信号；

所述显示与报警外围模块，接收中央控制与信号处理模块发送的悬浮颗粒浓度信号并显示悬浮颗粒浓度，接收中央控制与信号处理模块发送的报警信号并发出报警。

本申请为了全覆盖大气中主要悬浮颗粒粒径，设计了一种波长可调谐的扩束准直光源结构，具体技术方案如下：采用C、L波段可调谐的激光器，入射光输出波长可在400～2300nm 范围内可调，以扩大粒径可测量上下限。同时，还设计了一种扩束准直滤波系统，将细激光束转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束，以消除杂散光对粒径可测量上下限的影响。

中央控制与信号数据处理单元依据米氏光散射理论。

具体地，所述扩束准直测量单元包括依次设置的扩束镜、准直镜和光阑，准直透镜前焦点与扩束镜的后焦点重合。

具体地，所述扩束准直测量单元还包括设置在光阑后的傅里叶变换透镜。

应当说明的是扩束准直测量单元的工作原理如下：

参考光束和测量光束的产生：根据待测量悬浮颗粒的粒径范围，调节半导体激光器输出满足测量要求的特定波长激光，然后用半波片调整对其输出的线偏振激光的偏振方向，使之以适当的偏振入射到偏振分束器上，再用偏振分束器将偏振光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，从而得到功率完全相等的两束激光。其中一束作为参考光束，另一束作为测量光束。

测量光束的扩束准直滤波处理：为了改变测量光束的直径和减小发散角，同时扩大光斑尺寸，激光源分束产生的细激光束须经扩束准直滤波处理，转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束。本申请，扩束准直滤波系统由扩束镜、针孔、准直镜及光阑组成。在实际设计中，必须要消除因空气中的微粒和光学元件镜面上的灰尘污渍使激光发生散射而出现的杂散光，因此我们把扩束镜和针孔一体化封装为空间针孔滤波器。其中准直透镜前焦点与扩束镜的后焦点重合，以便将入射的测量激光光束转换为直径合适的平面波。同时，准直透镜的后面放置一个孔径可变化的光阑(可调范围：1nm-12mm)，对经过准直透镜的光束进行限制。

经过具有逆向傅里叶变换的光学结构的傅里叶变换透镜处理，如图2所示。这样处理优势在于：可以减小系统的等效焦距，而且等效焦距连续可调；悬浮颗粒散射光的最大接收角可以不受傅里叶变换透镜口径的限制。换言之，无需更换傅里叶变换透镜就可以有效扩大系统的悬浮颗粒检测下限，提高对细小悬浮颗粒的分辨力。本申请要求将傅里叶变换透镜安装在导轨系统上，使之可以在横截面内进行微调，以保证经傅里叶变换透镜聚焦后的光斑位于多环光电探测器中心圆孔的中心。

具体地，所述可调谐光源单元包括依次设置的半导体激光器、半波片、偏振分束器；

所述半导体激光器，产生测量要求的特定波长激光；

所述半波片，调节半导体激光器产生的特定波长激光的偏振方向得到满足入射要求的激光；

所述偏振分束器，将半波片处理后的激光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，一束即为测量光束，另一束即为参考光束。

进一步地，差分光电检测器包括光电检测器和差分处理器；

所述偏振分束器输出参考光束；

所述光电检测器接收散射光；

所述差分处理器接收偏振分束器发送的参考光束和光电检测器发送的原始散射光并差分运算得到光强变化信号；

所述中央控制与信号处理模块，接收差分光处理器输出的光强变化信号并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号。

双光束的差分处理：本申请，参考光束一方面用来作为测量光束的参考标准，另一方面可以补偿大气环境与光路参数不对称、温度变化对测量精度的影响。在正式测量前，先在质量优良的大气环境下进行校准测量。通过电控衰减器调节参考光束输出光强，使差分处理器在收到多环差分光电检测器输出信号后，其差分输出为零，即散射光强测量数据为零。在系统校准后进行实际测量中，差分处理器对收到的原始散射光强信号和衰减后的参考光束光强信号等两路信号，差分处理后就能得到大气悬浮颗粒真实的散射光强测量数据；消除光源对测量精度的影响。

进一步地，还包括电控衰减器；所述偏振分束器发送的参考光束经过电控衰减器调节后输出参考光。

优选地，所述光电检测器采用32环结构的光电检测器。

优选地，还包括导轨结构，所述光电检测器设置在导轨结构上，傅里叶变换透镜设置在导轨结构上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本申请通过设置扩束准直滤波系统，将细激光束转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束，以消除杂散光对粒径可测量上下限的影响，从而扩大粒径可测量范围，本申请同时引入参考光束，由参考光束去抵消测量光束中携带的光源干扰，以消除散射光强受光源干扰误差的影响；

2.本申请采用多环结构的可调节式差分光电检测器，采用多环结构差分光电检测器的散射光收集角度覆盖范围达0°～160°，最大限度地降低了对散射光强信息漏采集，同时差分光电检测器安装在一个导轨上，动态地调节其有效采集角度，以便最大限度地覆盖主要悬浮颗粒物的前向散射角；

3.本申请双光束差分探测，提供一束参考光，将探测光和参考光同时送入光电差分探测器使二者输出的信号进行差分运算，得到光强的变化，就可以确定被测区域悬浮颗粒浓度的变化，消除光源对测量精度的影响；

4.本申请将傅里叶变换透镜安装在导轨结构上，使之可以在横截面内进行微调，以保证经傅里叶变换透镜聚焦后的光斑位于多环光电探测器中心圆孔的中心。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1是测量装置整体结构框图；

图2是可调谐激光单元与扩束准直测量光路单元实现示意图；

图3是基于多环结构的差分光电检测器阵列结构图；

图4是双光束差分探测法实现原理示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实施例的大气悬浮颗粒浓度测量方法和实现装置，主要由光学传感器光路系统、悬浮颗粒采样气路系统、散射光强信息差分差分光电检测器、中央控制与信号数据处理单元以及显示与报警外围单元等五大部分组成。其中光学传感器光路系统由可调谐光源、扩束准直测量光路子系统和参考光路子系统等三个子系统构成。可调谐光源是为实现装置提供测量光束和参考光束；扩束准直测量光路子系统为实现装置提供一束光束直径合适且光强均匀的准直平行测量光束；参考光路子系统是为消除激光器输出波长和光强波动造成的测量误差而提供参考光束。悬浮颗粒采样气路系统是为装置提供流速恒定、悬浮颗粒分布稳定的待测空气样品室。散射光强信息差分差分光电检测器是差分处理参考光束光强与原始采集散射光强，以获得悬浮颗粒真实的散射光强测量数据。中央控制与信号数据处理单元是根据米氏光散射理论，实现散射光强测量数据与悬浮颗粒浓度数值反演与变换计算。显示与报警外围单元是实现悬浮颗粒浓度数值实时显示，并对悬浮颗粒浓度超门限事件报警。

包括光学传感器光路模块、悬浮颗粒采样气路模块、差分光电检测器、中央控制与信号处理模块和显示与报警外围模块,光学传感器光路模块包括可调谐光源单元和用于消除杂散光对粒径可测量上下限的扩束准直测量单元；

所述可调谐光源单元获得测量光束和参考光束；

所述扩束准直测量单元，接收可调谐光源单元发送的测量光束并转换成准直平行光束；

所述悬浮颗粒采样气路模块采集测量区域的颗粒悬浮物；

所述准直平行光束经过悬浮颗粒采样气路模块的颗粒悬浮物形成原始散射光；

所述差分光电检测器，接收散射光并测量得到原始散射光强信号，并差分处理参考光束光强与原始采集散射光强，得到悬浮颗粒真实的散射光强测量数据；

所述中央控制与信号处理模块，接收扩束准直测量单元发送的准直平行光束以及差分光电检测器发送的真实的散射光强测量数据并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号，并判断浮颗粒浓度设否超出阈值，如超出则输出报警信号；

所述显示与报警外围模块，接收中央控制与信号处理模块发送的悬浮颗粒浓度信号并显示悬浮颗粒浓度，接收中央控制与信号处理模块发送的报警信号并发出报警。

本申请为了全覆盖大气中主要悬浮颗粒粒径，设计了一种波长可调谐的扩束准直光源结构，具体技术方案如下：采用C、L波段可调谐的激光器，入射光输出波长可在400～2300nm 范围内可调，以扩大粒径可测量上下限。同时，还设计了一种扩束准直滤波系统，将细激光束转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束，以消除杂散光对粒径可测量上下限的影响。

中央控制与信号数据处理单元依据米氏光散射理论。

具体地，所述扩束准直测量单元包括依次设置的扩束镜、准直镜和光阑，准直透镜前焦点与扩束镜的后焦点重合。

具体地，所述扩束准直测量单元还包括设置在光阑后的傅里叶变换透镜。

应当说明的是扩束准直测量单元的工作原理如下：

参考光束和测量光束的产生：根据待测量悬浮颗粒的粒径范围，调节半导体激光器输出满足测量要求的特定波长激光，然后用半波片调整对其输出的线偏振激光的偏振方向，使之以适当的偏振入射到偏振分束器上，再用偏振分束器将偏振光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，从而得到功率完全相等的两束激光。其中一束作为参考光束，另一束作为测量光束。

测量光束的扩束准直滤波处理：为了改变测量光束的直径和减小发散角，同时扩大光斑尺寸，激光源分束产生的细激光束须经扩束准直滤波处理，转换成一束光束直径合适且光强均匀的准直平行光束。本申请，扩束准直滤波系统由扩束镜、针孔、准直镜及光阑组成。在实际设计中，必须要消除因空气中的微粒和光学元件镜面上的灰尘污渍使激光发生散射而出现的杂散光，因此我们把扩束镜和针孔一体化封装为空间针孔滤波器。其中准直透镜前焦点与扩束镜的后焦点重合，以便将入射的测量激光光束转换为直径合适的平面波。同时，准直透镜的后面放置一个孔径可变化的光阑(可调范围：1nm-12mm)，对经过准直透镜的光束进行限制。

经过具有逆向傅里叶变换的光学结构的傅里叶变换透镜处理，如图2所示。这样处理优势在于：可以减小系统的等效焦距，而且等效焦距连续可调；悬浮颗粒散射光的最大接收角可以不受傅里叶变换透镜口径的限制。换言之，无需更换傅里叶变换透镜就可以有效扩大系统的悬浮颗粒检测下限，提高对细小悬浮颗粒的分辨力。本申请要求将傅里叶变换透镜安装在导轨系统上，使之可以在横截面内进行微调，以保证经傅里叶变换透镜聚焦后的光斑位于多环光电探测器中心圆孔的中心。

具体地，所述可调谐光源单元包括依次设置的半导体激光器、半波片、偏振分束器；

所述半导体激光器，产生测量要求的特定波长激光；

所述半波片，调节半导体激光器产生的特定波长激光的偏振方向得到满足入射要求的激光；

所述偏振分束器，将半波片处理后的激光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，一束即为测量光束，另一束即为参考光束。

进一步地，差分光电检测器包括光电检测器和差分处理器；

所述偏振分束器输出参考光束；

所述光电检测器接收散射光；

所述差分处理器接收偏振分束器发送的参考光束和光电检测器发送的原始散射光并差分运算得到光强变化信号；

所述中央控制与信号处理模块，接收差分处理器输出的光强变化信号并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号。

双光束的差分处理：本申请参考光束一方面用来作为测量光束的参考标准，另一方面可以补偿大气环境与光路参数不对称、温度变化对测量精度的影响。在正式测量前，先在质量优良的大气环境下进行校准测量。通过电控衰减器调节参考光束输出光强，使差分处理器在收到多环差分光电检测器输出信号后，其差分输出为零，即散射光强测量数据为零。在系统校准后进行实际测量中，差分处理器对收到的原始散射光强信号和衰减后的参考光束光强信号等两路信号，差分处理后就能得到大气悬浮颗粒真实的散射光强测量数据；消除光源对测量精度的影响。

进一步地，还包括电控衰减器；所述偏振分束器发送的参考光束经过电控衰减器调节后输出参考光。

优选地，所述光电检测器采用32环结构的光电检测器。

优选地，还包括导轨结构，所述差分光电检测器设置在导轨结构上，傅里叶变换透镜设置在导轨结构上。

表1.多环结构光电探测器的各环径取值

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置,其特征在于，包括光学传感器光路模块、悬浮颗粒采样气路模块、差分光电检测器、中央控制与信号处理模块和显示与报警外围模块,光学传感器光路模块包括可调谐光源单元和用于消除杂散光对粒径可测量上下限的扩束准直测量单元；

所述可调谐光源单元获得测量光束和参考光束；

所述扩束准直测量单元，接收可调谐光源单元发送的测量光束并转换成准直平行光束；

所述悬浮颗粒采样气路模块采集测量区域的颗粒悬浮物；

所述准直平行光束经过悬浮颗粒采样气路模块的颗粒悬浮物形成原始散射光；

所述差分光电检测器，接收散射光并测量得到原始散射光强信号，并差分处理参考光束光强与原始采集散射光强，得到悬浮颗粒真实的散射光强测量数据；

所述中央控制与信号处理模块，接收差分光电检测器输出的真实的散射光强测量数据并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号，并判断悬浮颗粒浓度设否超出阈值，如超出则输出报警信号；

所述显示与报警外围模块，接收中央控制与信号处理模块发送的悬浮颗粒浓度信号并显示悬浮颗粒浓度，接收中央控制与信号处理模块发送的报警信号并发出报警。

2.如权利要求1所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，所述扩束准直测量单元包括依次设置的扩束镜、准直镜和光阑，准直透镜前焦点与扩束镜的后焦点重合。

3.如权利要求1所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，所述扩束准直测量单元还包括设置在光阑后的傅里叶变换透镜。

4.如权利要求3所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，所述可调谐光源单元包括依次设置的半导体激光器、半波片、偏振分束器；

所述半导体激光器，产生测量要求的特定波长激光；

所述半波片，调节半导体激光器产生的特定波长激光的偏振方向得到满足入射要求的激光；

所述偏振分束器，将半波片处理后的激光分为两偏振方向相互垂直的线偏振激光，一束即为测量光束，另一束即为参考光束。

5.如权利要求4所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，差分光电检测器包括光电检测器和差分处理器；

所述偏振分束器输出参考光束；

所述光电检测器接收散射光；

所述差分处理器接收偏振分束器发送的参考光束和光电检测器发送的原始散射光并差分运算得到光强变化信号；

所述中央控制与信号处理模块，接收差分光处理器输出的光强变化信号并进行处理得到悬浮颗粒浓度信号。

6.如权利要求5所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，还包括电控衰减器；所述偏振分束器发送的参考光束经过电控衰减器调节后输出参考光。

7.如权利要求5所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，所述光电检测器采用32环结构的光电检测器。

8.如权利要求7所述的一种高精度全粒径覆盖的大气悬浮颗粒浓度测量装置，其特征在于，还包括导轨结构，所述光电检测器设置在导轨结构上，傅里叶变换透镜设置在导轨结构上。