CN214503264U - 一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，包括半导体激光器、He‑Ne激光器、第一光学衰减片、第一分光棱镜、第一偏振片、第二光学衰减片、显微物镜、针孔、准直镜、第二偏振片、平面反射镜、第二分光棱镜、第一凸透镜、第一光阑、第一CCD图像传感器、样品、第二凸透镜、第二光阑、第二CCD图像传感器、计算机。本实用新型基于消光法原理，根据细颗粒物的粒径选取特定波长的激光器，并采用双波长交替测量法，无需估计平均粒径，即可通过光强变化得到颗粒物浓度。通过针孔显微镜扩束，再利用平面反射镜选取小而均匀的光束，使反射光与入射光成θ角反射，避免图像曝光，简化复杂透镜组合的激光整形系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电检测技术，尤其涉及一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置。
背景技术
细颗粒物又称PM2.5，是环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物。
消光法是一种基于Mie氏散射理论，是近似地通过散射光的变化实现对待测物精确测量的方法，具有重复性好、测量结果准确的优点。在现有的消光方法基础上，又出现了许多颗粒物粒径和浓度测量的方法，如光阻法、单波长法、双波长法、多波长法等，这些方法为颗粒物在线、实时测量提供了方向。但这些方法多数都存在消光系数测量计算不准确，需要对多种未知数进行估计，计算困难的问题。
目前，主流的单波长法需要对粒子个数和颗粒浓度做估计，实际计算过程中误差较大。双波长测量法可以更加快速准确的计算颗粒物消光系数，并且在针对PM2.5粒度范围的颗粒进行测量时，可以有效地改善多值问题。
发明内容
一方面为了解决单波长法要在消光方程中对两个未知数进行估计，无法求解的问题；另一方面为了在实验中保持激光好的单色性，解决激光中心光束过强导致CCD图像中心区域曝光严重的问题。本实用新型提出了一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置。
一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，该装置包括半导体激光器(1)、He-Ne激光器(2)、第一光学衰减片(3)、第一分光棱镜(4)、第一偏振片(5)、第二光学衰减片(6)、显微物镜(7)、针孔(8)、准直镜(9)、第二偏振片(10)、平面反射镜(11)、第二分光棱镜(12)、第一凸透镜(13)、第一光阑(14)、第一CCD图像传感器(15)、样品(16)、第二凸透镜(17)、第二光阑(18)、第二CCD图像传感器(19)、计算机(20)。
第一光路半导体激光器(1)发出激光光束入射到第一光学衰减片(3)，第二光路He-Ne激光器(2)发出激光，两个光路通过第一分光棱镜(4)入射到第一偏振片(5)，将光束变为线偏振光，再通过第二光学衰减片(6)，进入由显微透镜(7)、针孔(8)和准直镜(9)构成的望远镜扩束准直系统，经过扩束准直系统的光线通过起检偏作用的第二偏振片(10)，入射至平面反射镜(11)，反射光入射到第二分光棱镜(12)中，经过第二分光棱镜(12)的光束被分为水平光和垂直光，通过第二分光棱镜(12)分光的垂直光入射至第一成像系统，其中：所述第一成像系统由第一凸透镜(13)和第一光阑(14)组成。光束通过第一成像系统入射至第一CCD图像传感器(15)。通过第二分光棱镜(12)分光的水平光入射至样品(16)，样品(16)的透射光入射至第二成像系统，其中：所述第二成像系统由第二凸透镜(17)、第二光阑(18)组成。从第二成像系统出射的光束入射至第二CCD图像传感器(19)，计算机(20)处理第一CCD图像传感器(15)和第二CCD图像传感器(19)采集的结果。
第一光路用半导体激光器(1)做光源，波长为λ1＝532nm，激光光束入射到第一光学衰减片(3)调整光强。第二光路用He-Ne激光器(2)做光源，波长为λ2＝632.8nm，第一光源和第二光源通过第一分光棱镜入射到同一光路中。半导体激光器(1)和氦氖激光器(2)所发出的波长为的激光，在实验中对颗粒的散射和透射效果最好，同时有很好的稳定性。实验中应用第一光学衰减片(3)很好的解决了两束光源的光强偏差不稳定，使初始光强差值可以稳定在可控制的范围内，方便做对照。
双波长法是通过选取两条适当的光束λ1、λ2，使这两条光束分别交替照射到同一颗粒系。由消光法原理可以得到(1)、(2)式：
其中，衰减值衰减值I/I0中携带着颗粒物粒径和浓度的信息，L为光程，λ1,λ2分别为两个激光器的波长，N(D)为颗粒物尺寸分布函数，D为颗粒粒径，K为消光L为光程，λ1,λ2分别为两个激光器的波长，N(D)为颗粒物尺寸分布函数，D为颗粒粒径，K为消光系数。
双波长激光器照射同一测量系统，所以对于消光法来说，颗粒粒径D和颗粒物尺寸分布函数N(D)理论上是不变的，通过比值法可以化简得到(3)式：
光强的比值可以由本实验装置测量得到，消光系数K的比值只与颗粒粒径D和分辨率m有关。在确定颗粒分辨率m后，就可以求出颗粒粒径D，进而求出颗粒物浓度与颗粒个数。
激光是高斯光束，为了防止高斯光束中间光强过高导致CCD拍摄的图像曝光。如图2所示，本装置采用了针孔滤波器即用显微物镜(7)、针孔(8)与准直透镜(9)的组合实现激光特定光强与特定光斑大小的扩束与准直。
扩束准直系统将激光光束大面积扩大，此时激光光束依然是高斯光束，形成的光斑的中间光强较强，边缘光强较弱。利用平面反射镜(11)避开中间光强过高的部分，把激光光斑边缘部分光强相对较弱、分布相对均匀的线偏振光成一定角度θ反射到第二分光棱镜(2)中。θ角由针孔大小、距平面反射镜(11)距离以及CCD图像传感器前的凸透镜、光阑等共同决定。
用针孔滤波器做扩束准直系统可以在激光光斑扩大的同时保证激光形状与光强的均匀性，寻找高斯光束光强较弱且均匀的部分通过平面反射镜(11)反射就可以得到相对均匀的单色光束，从而改变激光高斯光束的形状，避免CCD图像传感器采集的图像曝光。
实验中我们所用的样品是粒径范围在0.1-100μm的碳酸钙，由氧化钙溶于水很容易产生。由于消光法用于浓度稍大的环境中效果最好，所以用粒径范围在0.1-100μm的碳酸钙做样品非常合适。
本实用新型的优点：本实用新型利用一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，建立了一种非接触性、算法快速简便、测量精度高、可反复测量的空气中PM2.5浓度的测量装置。一方面，用双波长法对颗粒测量过程进一步优化；另一方面，通过液晶反射角度的选取，得到较为均匀的激光光源，代替了激光整形简化了系统，防止激光中心光束过量导致图像中心曝光影响颗粒粒径的计算。这种利用双波长法在PM2.5小范围内测量空气中颗粒浓度的装置能够在一定程度上弥补了国内现有颗粒浓度测量系统的不足。
附图说明
图1是本实用新型所述一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置结构示意图。
图2是平面反射镜反射均匀光束的原理图。
具体实施方式
下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，该装置包括半导体激光器(1)、He-Ne激光器(2)、第一光学衰减片(3)、第一分光棱镜(4)、第一偏振片(5)、第二光学衰减片(6)、显微物镜(7)、针孔(8)、准直镜(9)、第二偏振片(10)、平面反射镜(11)、第二分光棱镜(12)、第一凸透镜(13)、第一光阑(14)、第一CCD图像传感器(15)、样品(16)、第二凸透镜(17)、第二光阑(18)、第二CCD图像传感器(19)、计算机(20)，其中：所述样品(16)采用粒径范围在0.1-100μm的碳酸钙。
第一光路用半导体激光器(1)做光源，波长为λ1＝532nm，激光光束入射到第一光学衰减片(3)调节半导体激光器(1)的初始光强I0，λ1使其按照实验要求与He-Ne激光器(2)的初始光强I0，λ2相同或者成一定的光程差。第二光路用He-Ne激光器(2)做光源，波长为λ2＝632.8nm，第一光源和第二光源通过第一分光棱镜(4)入射到同一光路中，保证其它变量半导体激光器(1)的初始光强I0，λ1使其按照实验要求与He-Ne激光器(2)的初始光强I0，λ2相同或者成一定的光程差。第二光路用He-Ne激光器(2)做光源，波长为λ2＝632.8nm，第一光源和第二光源通过第一分光棱镜(4)入射到同一光路中，保证其它变量不变。
光束通过第一偏振片(5)入射到第二光学衰减片(6)，第一偏振片(5)作起偏器使光线变为线偏振光，进入扩束准直系统。扩束准直系统由显微透镜(7)、针孔(8)和准直镜(9)构通过第一偏振片(5)入射到第二光学衰减片(6)，第一偏振片(5)作起偏器使光线变为线偏振光，进入扩束准直系统。扩束准直系统由显微透镜(7)、针孔(8)和准直镜(9)构成。光束先通过显微透镜(7)、针孔(8)进行扩束，再入射到准直镜(9)上进行准直。实验中，准直后光强不小于10μm，光斑直径不大于10cm，效果最好。成。光束先通过显微透镜(7)、针孔(8)进行扩束，再入射到准直镜(9)上进行准直。实验中，准直后光强不小于10μm，光斑直径不大于10cm，效果最好。
扩束准直系统采用针孔滤波器，将激光光束面积扩展。利用平面反射镜(11)避开中间光强过高的部分，把激光光斑边缘部分光强相对较弱、分布相对均匀的线偏振光成一定角度θ反射到第二分光棱镜(2)中。实验中，平面反射镜(11)半径在0.5-1cm，θ角在50°-90°的范围内，效果最好。
若设准直后的光斑面积为S0，平面反射镜(11)的面积为S1。此时光强衰减为(半导体激光器(1)为例)，
经过扩束准直系统的光线入射到第二偏振片(10)，第二偏振片起检偏作用，经过第二偏振片(10)的光通过平面反射镜(11)反射入射到第二分光棱镜(12)中，经过第二分光棱镜(12)的光束被分为水平光和垂直光；
通过第二分光棱镜(12)分光的垂直光入射至第一成像系统，第一成像系统由第一凸透镜(13)和第一光阑(14)组成，光束通过第一成像系统入射至第一CCD图像传感器(15)。
通过第二分光棱镜(12)分光的水平光入射至样品(16)。通过样品(16)的透射光入射至第二成像系统。第二成像系统由第二凸透镜(17)和第二光阑(18)组成，其结构与第一成像系统完全相同，光束通过第二成像系统入射至第二CCD图像传感器(19)；
最后第一CCD图像传感器(15)与第二CCD图像传感器(19)所采集的图像通过计算机(20)，进行图像处理。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，其特征在于，装置包括：半导体激光器(1)、He-Ne激光器(2)、第一光学衰减片(3)、第一分光棱镜(4)、第一偏振片(5)、第二光学衰减片(6)、显微物镜(7)、针孔(8)、准直镜(9)、第二偏振片(10)、平面反射镜(11)、第二分光棱镜(12)、第一凸透镜(13)、第一光阑(14)、第一CCD图像传感器(15)、样品(16)、第二凸透镜(17)、第二光阑(18)、第二CCD图像传感器(19)、计算机(20)；第一光路半导体激光器(1)发出激光光束入射到第一光学衰减片(3)，第二光路He-Ne激光器(2)发出激光，两个光路通过第一分光棱镜(4)入射到第一偏振片(5)，将光束变为线偏振光，再通过第二光学衰减片(6)，进入由显微物镜(7)、针孔(8)和准直镜(9)构成的望远镜扩束准直系统，经过扩束准直系统的光线通过起检偏作用的第二偏振片(10)，入射至平面反射镜(11)，反射光入射到第二分光棱镜(12)中，经过第二分光棱镜(12)的光束被分为水平光和垂直光，通过第二分光棱镜(12)分光的垂直光入射至第一成像系统，其中：所述第一成像系统由第一凸透镜(13)和第一光阑(14)组成；光束通过第一成像系统入射至第一CCD图像传感器(15)；通过第二分光棱镜(12)分光的水平光入射至样品(16)，样品(16)的散射光入射至第二成像系统，其中：所述第二成像系统由第二凸透镜(17)、第二光阑(18)组成；从第二成像系统出射的光束入射至第二CCD图像传感器(19)，计算机(20)处理第一CCD图像传感器(15)和第二CCD图像传感器(19)采集的结果。
2.根据权利要求1所述的基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述的半导体激光器(1)和He-Ne激光器(2)是针对细颗粒物的粒径信息选取特定的波长λ1＝532nm，λ2＝632.8nm的激光器；所述的第一光学衰减片(3)用来调制系统的初始光强。
3.根据权利要求1所述的基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述的显微物镜(7)、针孔(8)和准直镜(9)组合实现激光特定光强与特定光斑大小的扩束与准直；其特定的光强不小于10μw，特定的光斑直径不大于10cm。
4.根据权利要求1所述的基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述的平面反射镜(11)半径在0.5-1cm范围内，用来选取半径在0.5-1cm范围内的光斑并与入射光成夹角θ反射，所成夹角θ在50°-90°之间。
5.根据权利要求1所述的基于双波长激光调制的细颗粒物测量装置，其特征在于，所述的样品(16)由碳酸钙组成，其粒径在0.1-100μm范围内。
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| CN116973337A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-10-31 | 成都曙创大能科技有限公司 | 一种微细金刚线表面粒子数量密度测量系统 |
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