双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，包括单粒子聚焦气路、两个光强度检测单元、两个光场分布检测单元、散射腔体、微机控制单元和电源供电系统。本发明专利技术减少了粒子折射率和环境湿度等条件对光散射法检测粒子光学等效粒径的影响，能够提高粒径检测灵敏度和准确度；采用侧前向散射光场分布检测单元推算粒子折射率，增强粒子粒径检测准确性；可与其他气溶胶粒子检测技术结合，提高检测准确性。

【技术实现步骤摘要】
双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置
本专利涉及单气溶胶粒子粒径实时检测，特别是一种实时性较强的基于光散射法的双波长单气溶胶粒子粒径测量装置，可实现对气溶胶粒子粒径浓度较高准确度地检测。本专利技术可应用于环境检测等领域。
技术介绍
气溶胶是指由固体或液体粒子分散并悬浮在气体介质中形成的混合体系。粒子粒径大小为0.001～100μm，通常粒子的动力学直径在0.01至10μm之间，能在大气中驻留几个小时。习惯上，把悬浮在大气中的固体和液体粒子称为气溶胶。粒度是用来描述气溶胶粒子的重要参数，因为它在很大程度上决定了悬浮在空气中的粒子行为特征。在大气气溶胶的理化特性研究领域，气溶胶物理性质主要包括粒子的大小、形态和粒子谱分布，包括粒子数量浓度粒径分布、体积浓度粒径分布和质量浓度粒径分布等。在气溶胶科学和技术中，粒子粒径度量参数常用的术语是当量直径，是与之有相同物理性质的球形粒子的直径。例如，粗颗粒物(PM10)是指空气动力学直径10μm以下的颗粒物。在相关环境检测和研究领域需要实时、原位的气溶胶粒子检测和分析技术[1]。粒子弹性光散射检测法是气溶胶粒径实时检测常用技术手段之一。当粒子与入射光作用时，产生弹性散射光和非弹性散射光。弹性散射包括折射、反射、衍射，非弹性散射包括拉曼散射、荧光和粒子的吸收等。粒子散射光的总量是粒子形状、粒度、折射指数及仪器参数如光波波长、散射角度的复合函数，通常定义一个“光学当量直径”。如果被测粒子与仪器中测得的校准粒子的散射光的量相同，则校准粒子的直径就是被测粒子的光学当量直径。在实际检测中，粒子光学当量直径与光学等效粒径最直观的联系是粒子散射光强度与粒子粒径的关系。目前对于光学散射的实时测量技术的研究比较成熟，国内也有很多相关的产品。然而，气溶胶粒子来源广泛、构成复杂，预测或抵消不同粒子形状与折射率等因素引起的散射光场差异较为困难。1.粒子形状因素粒径较小的粒子，符合Mie散射或瑞利散射理论。粒径较大的粒子，简单形状的粒子的散射光总量能较精确测量，如已知化学成分的球体、椭球体、杆形粒子。大多数形状不规则的粒子，由于粒径、形状、折射率等因素的综合影响，即使收集较大空间角散射光，其强度差异较大，光学当量直径与粒度之间很难建立起联系。因此，需要采用粒形测量方法获得形状类型、形状因子等可分析的信息和参数，结合其他相关参数建立多参数反演的模型综合分析，减少粒径测量的影响。基于光散射法的气溶胶粒子形状检测法是较有效实时测量手段之一。2.粒子材料折射率等因素粒子折射率代表物质的光学特性。不同种类、不同组成的粒子对同一波长的入射光通常具有不同的折射率；同一种粒子对不同波长的光也具有不同的折射率。大气中粒子的材料折射率跟地域、时间等因素关系都比较大。因此，这些问题易造成相同粒径、不同材料粒子散射光场分布与强度不同，测量仪器结果出现偏差，必须经常校准。3.环境湿度条件与气溶胶粒子吸湿特性大气气溶胶的吸湿性是气溶胶的重要特征之一。研究表明，气溶胶粒子在相对湿度大于35％左右时，便能吸附水汽而凝结增长，当相对湿度超过60％时，气溶胶吸附水汽的能力更为显著，成为影响气溶胶光学性质的主要因素之一。在高相对湿度条件下，气溶胶吸湿增长改变了粒子大小、形态、复折射率、粒子谱分布和光学参数，从而影响了气溶胶粒子在大气环境中的特性和行为。如含有吸湿性组分(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等无机成分和部分吸湿性有机物)的颗粒物吸湿增长使得粒子粒径增大，大气中的细颗粒物(粒径远小于1μm)会迅速吸湿增长到对可见光散射更为有效的粒径范围，使气溶胶散射能力大大增强。因此，基于弹性光散射原理的光学粒子分粒径区间计数器所测量的光学等效粒径通常是近似值。尽管如此，光散射作为一种测量手段仍有其明显的优点，包括检测粒子时迅速、连续、灵敏度高，能实时显示粒子浓度和粒径分布信息，时间分辨率高，相关技术较为成熟，通常成本较低。如果能够在此基础上，结合相关或者其他技术手段减少气溶胶粒子折射率不同的影响，提高粒径检测准确度，具有较好的应用前景。虽然在实验中用已知粒度和折射率的气溶胶粒子来校准光学仪器，开展实验，但理论响应函数可以给出全面的光学系统特征。各种测量光散射的光学装置，其区别在于平均散射角θ、接收器数值孔径ΔΩ和入射条件。单色平面波入射光条件下，通过光学系统接收散射光强度可以用光学系统响应函数积分计算：Pλ可以作为球形粒子直径d的光学系统光强接收函数。i为散射函数空间分布描述，由散射角θ、方位角粒子粒径d、入射光波长λ和粒子折射率m＝n-jk确定，粒子直径d和波长λ通过尺寸参数相联系。I0为照射强度，即单位面积的光能量。关于粒径分级的准确性，必须区别可避免的和不可避免的误差。可避免的误差是在接收散射光强随粒度增长的校准曲线上的非线性增长，可通过改变光电转换器件的相关可操作区间增益系数等因子来校正。但是，在校准曲线存在不明确部分，或称粒径模糊区，或校准标准气溶胶的折射率上不同于待测气溶胶，则会产生不可避免的误差。依据各种光学检测系统条件，基于Mie散射原理可以计算接收散射光强度与不同折射率球形粒子粒径理论响应函数曲线。计算结果表明：1)在单色光测量条件下，某些粒子粒径段与接收光强对应曲线存在波动，即粒径模糊区；2)粒子折射率不同，相同粒径或相近粒径范围内粒子的接收光强幅值不同，波动不同，粒径模糊较多，易造成粒径测量误差。为减少粒子折射率的影响，研究人员在光学粒子计数器中可采用白光光源和不同的光学接收系统方案等2种方法。1)光源光源是光学粒子计数器的关键部件，目前有多色频白炽光源与激光光源2种。由于半导体激光器等激光光源具有单色性好、稳定性高、寿命长、体积小等优点，采用激光光源的尘埃粒子计数器探测灵敏度、信噪比、计数效率、可靠性等技术指标得到了大幅度的提高。因此，现在的光学粒子计数器主要采用激光光源。2)为减少折射率不同的粒子波动引起的粒径测量误差，研究人员对采用不同光学系统方案进行了研究。为得到平缓的光强与粒径标定曲线，需要选用较大散射光场接收方案。已经商业化的光学粒子计数器中的光学系统可以初步分为近前向(衍射波瓣)散射仪器、收集前方散射光的仪器(θ<90°)以及直角散射的仪器(θ＝90°)。谭锟、胡欢陵在“光学粒子计数器测量结果的订正”(光学学报，1986，4(1)：55-60)中介绍，近前向散射式仪器的响应曲线受粒子折射率影响较小，但是其响应曲线也不是单调变化，存在几个粒径无法确定的模糊区和多值部分，直径为0.95μm的PSL球体可被分类为0.77μm的粒子。90°散射式仪器的响应曲线单调改变，但受粒子折射率的影响较大，故测量也不准确。在先技术(参见“双通道实时生物气溶胶监测方法与装置”，中国专利号CN101858847A，专利技术人黄惠杰，周光超，赵永凯，赵永凯,冯春霞,韩杰,黄立华,谢承科,孙征宇,张友宝)中基于生物粒子中不同荧光生色团的紫外光诱导本征荧光特性，采用两种波长紫外激发光分别检测应用传统粒子冲击器快速富集的多气溶胶粒子的荧光信息，实现对生物气溶胶粒子的低误报率判别和实时监测。但该种方法以多个富集到采样板上的气溶胶粒子的荧光信息为检测对象，采用旋转驱动机构驱动粒子采样板分别依次定位实现对粒子富集、两种不同紫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，包括单粒子聚焦气路(1)、两个光强度检测单元(2)、两个光场分布检测单元(3)、散射腔体(4)、微机控制单元(5)和电源供电系统(6)；所述的单粒子聚焦气路(1)由入口管道和出口管道组成，所述的入口管道包括入气喷嘴(13)，分别与该入气喷嘴(13)相连的样气进气口(11)和鞘气进气口(12)，该鞘气进气口(12)与鞘流气泵(15‑2)相连，所述的出口管包括出气口(14)和与该出气口(14)相连的总气泵(16‑2)；所述的两路光强度检测单元(2)包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件、光强接收光路；两个光强接收光路采用反射接收设计方案，包括共用的反射镜和分别对应两路入射光的散射光接收组件；所述的散射腔体(4)呈六边形腔结构，其上表面和下表面分别开有相互相对应的孔，所述的进气喷嘴(13)和出气口(14)分别对应安装在所述的上、下表面的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与所述的散射腔体(4)共线；所述的散射腔体(4)的六个侧表面分别开有孔，每组所述的光强度检测单元(2)的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件分别安装在相互对应的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与该光轴垂直相交；所述的光强度检测单元(2)的光强接收光路的反射镜和光强接收组件分别安装在所述的散射腔体(4)的相互对应的孔中，使该光路光轴与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交，且光路光轴与两路照明光路光轴垂直，光轴位于两路照明光路光轴距离中间平面内；所述的两路光场分布检测单元(3)分别安装在与两路光强度检测单元(2)的照明光路前进方向相对应的散射腔体(4)的两个侧表面上，每路光场分布检测单元(3)的光轴与对应照明光路光轴共面，且两路光轴均与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交；所述的鞘流气泵(15‑2)、总气泵(16‑2)、光强度检测单元(2)、光场分布检测单元(3)、电源供电系统(6)分别与所述的微机控制处理单元(5)相连；所述的鞘流气泵(15‑2)、总气泵(16‑2)、光强度检测单元(2)和光场分布检测单元(3)分别与所述的电源供电系统(6)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，包括单粒子聚焦气路(1)、两个光强度检测单元(2)、两个光场分布检测单元(3)、散射腔体(4)、微机控制单元(5)和电源供电系统(6)；所述的单粒子聚焦气路(1)由入口管道和出口管道组成，所述的入口管道包括进气喷嘴(13)，分别与该进气喷嘴(13)相连的样气进气口(11)和鞘气进气口(12)，该鞘气进气口(12)与鞘流气泵(15-2)相连，所述的出口管包括出气口(14)和与该出气口(14)相连的总气泵(16-2)；所述的两路光强度检测单元(2)包括照明光路、光陷阱与光源强度监测组件、光强接收光路；两个光强接收光路采用反射接收设计方案，包括共用的反射镜和分别对应两路入射光的散射光接收组件；所述的散射腔体(4)呈六边形腔结构，其上表面和下表面分别开有相互相对应的孔，所述的进气喷嘴(13)和出气口(14)分别对应安装在所述的上、下表面的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与所述的散射腔体(4)共线；所述的散射腔体(4)的六个侧表面分别开有孔，每组所述的光强度检测单元(2)的照明光路和光陷阱与光源强度监测组件分别安装在相互对应的孔中，使单粒子聚焦气路(1)的中心轴线与该光轴垂直相交；所述的光强度检测单元(2)的光强接收光路的反射镜和散射光接收组件分别安装在所述的散射腔体(4)的相互对应的孔中，使该光路光轴与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交，且光路光轴与两路照明光路光轴垂直，光轴位于两路照明光路光轴距离中间平面内；所述的两路光场分布检测单元(3)分别安装在与两路光强度检测单元(2)的照明光路前进方向相对应的散射腔体(4)的两个侧表面上，每路光场分布检测单元(3)的光轴与对应照明光路光轴共面，且两路光轴均与单粒子聚焦气路(1)的中心线垂直相交；所述的鞘流气泵(15-2)、总气泵(16-2)、光强度检...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永凯，陈正岩，卜一川，张佩，黄惠杰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31