专利名称：一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统及方法
技术领域：
本发明涉及环境检测技术与分析及光学领域，具体指一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统及方法。
背景技术：
生物气溶胶通常是指粒径在IOOnm 100 μ m之间，悬浮在气体中具有活性的生物物质，包括病毒、细菌、真菌、花粉及其附产物等。在已有的分析方法中，生物气溶胶的测量对采样过程要求较高。传统的物理气溶胶采样过程难以保持生物气溶胶的生物活性，脱水、 紫外辐射、温度变化等因素也使得生物气溶胶的采样分析存在困难目前已有的一些生物气溶胶采样方式，需经过撞击、碰撞、过滤等过程，存在重现性较差，只能采集到少量生命活性物质，菌落重叠引致计数误差等缺陷。因此，传统采样的测量方式，实际上难以应用于生物气溶胶的实时在线监测。
随着光学技术的日益进步，傅里叶变换红外光谱(FTIR)遥测技术已成为一种优良的非接触实时测量方法，目前已在气体遥测中发挥了巨大的作用。它具有高灵敏和高分辨的特点，可进行实时的多组分同时探测等独特优势，其在环境、化学、材料等方面都有广泛的应用，近年来在大气污染的定性定量监测的应用方面。大部分生物气溶胶在红外波段均存在特征光谱，使用红外技术遥测生物气溶胶云团，理论上不仅可以避免采样过程带来的活性损失问题，而且可以大幅度提高分析速度，使得对生物气溶胶云团的实时在线监测和突发性污染事故的应急遥测成为可能。但是，由于生物气溶胶云团在红外波段的单次散射反照率较大，遥测系统接收到的信号不仅包含测量路径上的吸收消光，还包括天空和地面辐射在测量路径上的散射贡献，会直接导致遥测系统接收信号背景基线波动，而且生物气溶胶云团通常浓度较低，其吸收截面相对较小。受测量条件的限制，无法实现野外条件下的生物气溶胶红外消光和粒径参数的同步测量，难以全面获得气溶胶的光学特性，因此为建立其专用遥测方法带来了困难，从而限制了当前红外光谱方法遥测生物气溶胶的应用。发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种生物气溶胶仿真遥测的系统和方法，该发明实现了在仿真的地物远红外地物背景辐射下，对生物气溶胶进行非破坏、多组分、多光学参量的同步实时测量，在实验条件可控的条件下，提高了测量数据的完备性。
本发明的技术方案如下一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，包括气溶胶发生器、样品池、粒径谱仪、大面源黑体辐射源、接收望远镜和傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于所述气溶胶发生器的出样口通过气管与样品池的进样口相连，所述样品池的出样口通过气管与粒径谱仪相连，所述的样品池内设有风扇，从气溶胶发生器的出样口喷出的生物气溶胶样品经气管进入样品池，在所述风扇的吹扫作用下，生物气溶胶样品在样品池内扩散，并经样品池的出样口和气管进入粒径谱仪，来分析和测量生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度；所述样品池的两端分别设有入、出光孔，所述的大面源黑体辐射源、样品池的入、出光孔、接收望远镜和傅里叶变换红外光谱仪位于同一光路上，所述傅里叶变换红外光谱仪和粒径谱仪共接入计算机，所述的大面源黑体辐射源发出红外辐射光，经样品池入光孔进入样品池内，并穿过样品池内的生物气溶胶样品，再经样品池出光孔出射，然后由接收望远镜接收后，进入所述的傅里叶变换红外光谱仪，最后由计算机控制傅里叶变换红外光谱仪采集、分析和存储红外光谱辐射数据。
—种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于其具体包括以下步骤生物气溶胶样品从气溶胶发生器的出样口喷出，并通过气管经样品池的进样口充入样品池内，在风扇产生的微风的吹扫下，生物气溶胶样品在样品池内扩散，并经样品池的出样口扩散出，通过气管进入粒径谱仪，粒径谱仪进行快速实时分析，得到生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度变化情况；同时，从大面源黑体辐射源出射的红外辐射光，经样品池入光孔进入样品池内，并穿过样品池内的生物气溶胶样品，再经样品池出光孔出射，然后由接收望远镜接收后，被傅里叶变换红外光谱仪探测，最后计算机根据傅里叶变换红外光谱仪测量得到的红外光谱辐射数据和生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度进行定性和定量分析。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的样品池采用透明亚克力或有机玻璃材质。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述样品池的进样口位于样品池侧壁的中部，且样品池进样口的高度距离样品池下底面内侧5cm。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的气溶胶发生器用于将生物气溶胶样品扩散为气溶胶，并通过在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。
所述的一种测量生物气溶胶红外光谱消光和粒径分布的仿真遥测系统，其特征在于所述大面源黑体辐射源的表面采用高发射率(>98%)材料，大面源黑体辐射源工作的黑体温度在-5 V 45 V之间，且为可调。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的粒径谱仪用于在气溶胶在发生的同时进行实时动态采样，在分析气溶胶粒径分布和粒子数浓度的同时，从其采样得到的粒子数浓度变化趋势，判断样品池内生物气溶胶样品颗粒物的扩散情况是否达到稳定状态。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于所述傅里叶变换红外光谱测量到的是红外辐射经生物气溶胶样品吸收和散射作用后得到的总消光光谱。
所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于计算机在进行定量和定性分析的过程中，同时完成气溶胶粒径分布和粒子数浓度的采样和测量。
红外遥测方法理论上可实现对较大粒径的生物气溶胶成分进行多组分非破坏被动测量，但受到测量手段的限制，由于无法实现野外条件下的气溶胶红外消光和粒径参数的同步测量，难以全面获得气溶胶的光学特性，因此为建立其专用遥测方法带来了困难，从而限制了当前红外光谱方法遥测生物气溶胶的应用。而本发明提供了一种便捷有效的途径，为生物气溶胶的红外遥测技术提供便利的实验平台和仿真方法。此系统结构简单，操作方便，不仅可以避免采样过程带来的活性损失问题，而且可以大幅度提高分析速度。该装置和方法通过实现对生物气溶胶光学特性的多参量同步和实时测量，用于遥测系统和算法的验证及测试，进一步拓宽了现有红外遥测技术的应用领域，为生物气溶胶等新类型污染的实时监测和突发性事件的应急遥测奠定了基础。
本发明的有益效果1、本发明利用光学方法直接测量生物气溶胶的消光光谱、粒径分布和数浓度等多参量信息，测量方法简单快捷；2、本发明可以同时无损检测混合生物气溶胶；3、本发明使用黑体辐射仿真SOO-UOOcnr1的地物辐射光谱特性，方便快捷，降低了外场实验的实施成本，提高了实验效率。
图1为本发明的结构原理图。
具体实施方式
参见图1，一种测量生物气溶胶红外光谱消光和粒径分布的仿真遥测系统，包括气溶胶发生器3、样品池6、粒径谱仪4、大面源黑体辐射源5、接收望远镜2和傅里叶变换红外光谱仪1，气溶胶发生器3的出样口通过气管与样品池6的进样8 口相连，样品池6的出样口 9通过气管与粒径谱仪4相连，样品池6内设有风扇7，从气溶胶发生器3的出样口喷出的生物气溶胶样品经气管进入样品池6，在风扇7的吹扫作用下，生物气溶胶样品在样品池 6内扩散，并经样品池6的出样口 9和气管进入粒径谱仪4，来分析和测量生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度；样品池6的两端分别设有入、出光孔，大面源黑体辐射源5、样品池6的入、出光孔、接收望远镜2和傅里叶变换红外光谱1仪位于同一光路上，傅里叶变换红外光谱仪1和粒径谱仪4共接入计算机，大面源黑体辐射源5发出红外辐射光，经样品池6入光孔进入样品池 6内，并穿过样品池6内的生物气溶胶样品，再经样品池6出光孔出射，然后由接收望远镜2 接收后，进入傅里叶变换红外光谱仪1，最后由计算机控制傅里叶变换红外光谱仪1采集、 分析和存储红外光谱辐射数据。
一种测量生物气溶胶红外光谱消光和粒径分布的仿真遥测方法，具体包括以下步骤生物气溶胶样品从气溶胶发生器的出样口喷出，并通过气管经样品池的进样口充入样品池内，在风扇产生的微风的吹扫下，生物气溶胶样品在样品池内扩散，并经样品池的出样口扩散出，通过气管进入粒径谱仪，粒径谱仪进行快速实时分析，得到生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度变化情况；同时，从大面源黑体辐射源出射的红外辐射光，经样品池入光孔进入样品池内，并穿过样品池内的生物气溶胶样品，再经样品池出光孔出射，然后由接收望远镜接收后，被傅里叶变换红外光谱仪探测，最后计算机根据傅里叶变换红外光谱仪测量得到的红外光谱辐射数据和生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度进行定性和定量分析°
样品池6采用透明亚克力或有机玻璃材质。
样品池6的进样口 8位于样品池6侧壁的中部，且样品池6进样口 8的高度距离样品池底面内侧5cm。
气溶胶发生器3用于将生物气溶胶样品扩散为气溶胶，并通过在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。
大面源黑体辐射源5的表面采用高发射率(>98%)材料，大面源黑体辐射源5工作的黑体温度在_5°C 45°C之间，且为可调。
粒径谱仪4用于在气溶胶在发生的同时进行实时动态采样，在分析气溶胶粒径分布和粒子数浓度的同时，从其采样得到的粒子数浓度变化趋势，判断样品池6内生物气溶胶样品颗粒物的扩散情况是否达到稳定状态。
傅里叶变换红外光谱1测量到的是红外辐射经生物气溶胶样品吸收和散射作用后得到的总消光光谱。
计算机在进行定量和定性分析的过程中，同时完成气溶胶粒径分布和粒子数浓度的采样和测量。
在本发明中，样品池6的体积是8L，因此选取真空泵抽取气体时间是2分钟，流速是32L/min，平衡1分钟，保证多次反射池内气体稳定，测量次数是16次，测量光谱时间是 3分钟。接收望远镜2的视场角为^mrad，孔径为57mm。大面源黑体辐射源5可稳定工作于各种环境温度下，面积为300*300mm。气溶胶发生器3的接口根据实验需要，可接驳多分散气溶胶发生器。粒径谱仪4的分析范围为0. 5-20 μ m。
本发明基于傅里叶变换红外光谱仪的高精度、多波段、不破坏样品等优点，结合粒径分布和数浓度测量装置，设计了一种生物气溶胶红外遥测仿真测试系统和方法，专门用于生物气溶胶的光学特性测量、遥测仿真实验和算法验证等工作。本发明有利于拓展现有红外遥测技术的应用领域，为生物气溶胶污染的实时监测和突发性事件的应急遥测提供测试系统和方法。
权利要求
1.一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，包括气溶胶发生器、样品池、粒径谱仪、大面源黑体辐射源、接收望远镜和傅里叶变换红外光谱仪，其特征在于所述气溶胶发生器的出样口通过气管与样品池的进样口相连，所述样品池的出样口通过气管与粒径谱仪相连，所述的样品池内设有风扇，从气溶胶发生器的出样口喷出的生物气溶胶样品经气管进入样品池，在所述风扇的吹扫作用下，生物气溶胶样品在样品池内扩散，并经样品池的出样口和气管进入粒径谱仪，来分析和测量生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度；所述样品池的两端分别设有入、出光孔，所述的大面源黑体辐射源、样品池的入、出光孔、接收望远镜和傅里叶变换红外光谱仪位于同一光路上，所述傅里叶变换红外光谱仪和粒径谱仪共接入计算机，所述的大面源黑体辐射源发出红外辐射光，经样品池入光孔进入样品池内，并穿过样品池内的生物气溶胶样品，再经样品池出光孔出射，然后由接收望远镜接收后，进入所述的傅里叶变换红外光谱仪，最后由计算机控制傅里叶变换红外光谱仪采集、分析和存储红外光谱辐射数据。
2.一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于其具体包括以下步骤生物气溶胶样品从气溶胶发生器的出样口喷出，并通过气管经样品池的进样口充入样品池内，在风扇产生的微风的吹扫下，生物气溶胶样品在样品池内扩散，并经样品池的出样口扩散出，通过气管进入粒径谱仪，粒径谱仪进行快速实时分析，得到生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度变化情况；同时，从大面源黑体辐射源出射的红外辐射光，经样品池入光孔进入样品池内，并穿过样品池内的生物气溶胶样品，再经样品池出光孔出射，然后由接收望远镜接收后，被傅里叶变换红外光谱仪探测，最后计算机根据傅里叶变换红外光谱仪测量得到的红外光谱辐射数据和生物气溶胶样品的粒径分布和粒子数浓度进行定性和定量分析。
3.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的样品池采用透明亚克力或有机玻璃材质。
4.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述样品池的进样口位于样品池侧壁的中部，且样品池进样口的高度距离样品池底面内侧5cm。
5.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的气溶胶发生器用于将生物气溶胶样品扩散为气溶胶，并通过在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。
6.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述大面源黑体辐射源的表面采用高发射率(>98%)材料，大面源黑体辐射源工作的黑体温度在_5°C 45°C之间，且为可调。
7.根据权利要求1所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统，其特征在于所述的粒径谱仪用于在气溶胶在发生的同时进行实时动态采样，在分析气溶胶粒径分布和粒子数浓度的同时，从其采样得到的粒子数浓度变化趋势，判断样品池内生物气溶胶样品颗粒物的扩散情况是否达到稳定状态。
8.根据权利要求2所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于所述傅里叶变换红外光谱测量到的是红外辐射经生物气溶胶样品吸收和散射作用后得到的总消光光谱。
9.根据权利要求2所述的一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测方法，其特征在于计算机在进行定量和定性分析的过程中，同时完成气溶胶粒径分布和粒子数浓度的采样和测量。
全文摘要
本发明公开了一种生物气溶胶红外消光和粒径的仿真遥测系统及方法，系统通过气溶胶发生器将样本粉末充入样品池内，并使用风扇进行充分扩散形成生物气溶胶云团，由粒径谱仪实现颗粒物粒径分布的测量，位于样品池入光口处的大面源黑体辐射源产生的黑体辐射用于仿真地物长波辐射，经过样品池衰减后，由位于样品池出光口处的中视场接收望远镜和傅里叶变换红外光谱仪接收，实现生物气溶胶云团的红外消光测量和典型地物背景条件下的遥测仿真。本发明结构简单，用于在实验室条件下开展气溶胶光谱消光和粒径分布的遥测仿真，实现了对生物气溶胶红外遥测技术的验证，且操作便捷，稳定可靠，可同时实现多成分和多光学参数测量。
文档编号G01N15/02GK102507401SQ201110349088
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者冯明春, 刘建国, 徐亮, 李胜, 焦洋, 童晶晶, 高闽光, 魏秀丽 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所