一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪及其监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪及其监测方法，装置包括激光器、第一1/4波片、平行平板对、气溶胶室、角反射棱镜、调制激光器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜光电检测器件等，方法利用从采样空气滤纸过滤形成含尘滤纸，通过调制激光照射含尘滤纸引起表面空气温度及折射率变化。在假设空气颗粒物成分不变的情况下，通过测量空气折射率变化获得滤纸上颗粒物质量，并通过采样体积等效成空气中颗粒物的质量浓度。
【专利说明】一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪及其监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大气颗粒浓度监测装置及方法领域，具体是一种用于监测大气颗粒物 浓度的光热干涉仪及其监测方法。
【背景技术】
[0002] 大气颗粒物对气候、人类健康都有十分重要的影响，尤其是粒径小于2. 5微米的 颗粒物简称PM2. 5。富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而 对人体健康和大气环境质量的影响很大。PM2. 5是阴霾天气形成的主要原因，PM2. 5是造成 空气环境污染，对人体健康危害最严重的一类大气污染物。目前，国内外对大气颗粒物浓度 的监测主要有称重法、石英微量振荡天平法、Beta射线法。称重法不适合连续观测；震荡天 平安装及运行成本高；Beta射线吸收法可以满足环境监测要求，但是由于计数值需要进行 统计分析，测量时间较长，对于有实时性要求的场合，比如环境污染侦察，响应时间不能满 足测量要求，以及需要智能加热模块克服湿度对测量结果的影响。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是提供一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪及其监测方法， 以解决现有技术存在的问题。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005] -种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：包括有可出射线偏振 光的激光器，激光器右方依次设置有第一 1/4波片、平行平板对、气溶胶室、角反射棱镜，其 中平行平板对由一对相互倾斜平行的前、后玻璃平板构成，前、后玻璃平板在第一 1/4波片 右方呈前后错开分布，其中前玻璃平板的左侧面朝向后玻璃平板的右侧面，且前玻璃平板 的左侧面与第一 1/4波片正对，前、后玻璃平板右侧面分别朝向气溶胶室，前玻璃平板左侧 面从下至上依次附着有增透膜、高反膜，前玻璃平板右侧面附着有偏振分束膜、增透膜，位 于气溶胶室与角反射棱镜之间前方设置有调制激光器，位于前玻璃平板前方设置有消偏振 分光棱镜，消偏振分光棱镜朝向前玻璃平板的后侧面设置有第二1/4波片，紧贴消偏振分 光棱镜前侧面、左侧面分别设置有偏振分光棱镜，且左侧的偏振分光棱镜与消偏振分光棱 镜之间设置有1/2波片，前侧的偏振分光棱镜右方、前方以及左侧的偏振分光棱镜左方、后 方分别设置有光电检测器件；
[0006] 从激光器发出的光为线偏振光，偏振光经过第一 1/4波片后，变成圆偏振光，圆偏 振光射入平行平板对中前玻璃平板上左侧面A点，经过前玻璃平板的偏振分束膜后被分成 P和s光，其中p光在A点透射过前玻璃平板后再穿过气溶胶室射向角反射棱镜，经过角反 射棱镜回射后到达后玻璃平板，再经过后玻璃平板反射后到达前玻璃平板上B点并从B点 透射过前玻璃平板，P光的光路作为测量臂，s光经前玻璃平板反射后经过后玻璃平板的高 反膜再次反射后穿过气溶胶室射向角反射棱镜，经过角反射棱镜回射后到达前玻璃平板上 B点右侧面，此光路作为参考臂，最终s光和p光在平行平板对中前玻璃平板的B点右侧 面重新相遇汇合成相互重合偏振态正交的光信号，相互重合偏振态正交的光信号射入第二 1/4波片，变成两束旋转方向相反的圆偏光，然后经过消偏振分光棱镜分成等强度的两束 光，其中一束光射向前侧的偏振分光棱镜后，P光透射S光反射形成两束相位差180度干涉 信号，另外一束光经过1/2波片后，形成与原来旋转方向相反的两圆偏光，然后再经过左侧 的偏振分光棱镜形成另外两束相位差180度的干涉信号，四束相位差依次相差90度的干涉 信号分别被四个光电检测器件接收后转换为电信号，作为整个光热干涉仪的输出。
[0007] 所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：所述平行平板 对中，前、后玻璃平板材质采用K9玻璃，激光器的测量波长为632. 8nm。
[0008] 所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：位于气溶胶室 与角反射棱镜之间的调制激光器后方、位于气溶胶室与平行平板对之间分别设置有反射棱 镜，位于气溶胶室与平行平板对之间的反射棱镜前方设置有反射镜，反射镜使激光的方向 改变180度。
[0009] 所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：所述第一、第二 1/4波片的快轴与沿左右方向的X轴夹角为45度。
[0010] 所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：所述1/2波片 的快轴与沿左右方向的X轴夹角为22. 5度。
[0011] -种光热干涉仪的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：采用滤纸将含有颗粒 物的空气其中的颗粒物与气体分开来，由于空气分子的粒径远小于滤纸缝隙，而颗粒物的 粒径远大于滤纸的缝隙，故留在滤纸上形成沉积颗粒物；
[0012] 将形成有沉积颗粒物的滤纸置于光热干涉仪中气溶胶室与角反射棱镜之间的测 量臂上，用调制激光器以一定的角度照射滤纸上的颗粒物，颗粒物就会吸收热量，当吸收达 到饱和时滤纸上颗粒物放出热量使周围空气温度改变，空气折射率随之改变，从而光热干 涉仪中四个光电检测器件的输出信号发生改变，从四个光电检测器件的输出信号中选择处 于正交状态的信号作为光热干涉仪输出信号，光热干涉仪输出信号在一定时间后达到动态 平衡，根据调制激光器的照射功率和光热干涉仪输出信号的幅值的比值来确定颗粒物的相 对浓度，并使用三个以上已知浓度的颗粒物滤纸进行测量，通过线性拟合确定标定系数，通 过计算得出大气中颗粒物的质量浓度。
[0013] 所述的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：调制激光器由信号发生器发出的 占空比为50%的方波控制，方波的上升沿时调制激光器开始照射，下降沿时调制激光器停 止照射，调制激光器照射时间与停止照射时间相等。
[0014] 所述的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：对空白滤纸激光照射后，光热干涉 仪输出作为背景，为了排除非颗粒物在激光照射后干涉仪输出对测量结果的影响。
[0015] 本发明通过沉积在滤纸上颗粒物的质量获得大气颗粒物浓度，采用光热干涉仪测 量大气颗粒物吸收引起的光热干涉仪输出变化，获得大气颗粒物质量浓度。采用调制激光 器的激光照射含尘滤纸，大气颗粒物吸收光能，引起采样颗粒物温度升高，导致表面的空气 温度升高，引起表面空气折射率的变化，引起光热干涉仪输出变化，一般在某区域内颗粒物 的成分比较固定，选择不敏感吸收的波长，故可假定颗粒物吸收系数为常数。因此含尘滤纸 上颗粒物的质量变化直接导致光热干涉仪输出的变化。通过光热干涉仪的输出可以确定大 气颗粒物的质量浓度。
[0016] 本发明提出了一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪及其监测方法。本发明 可不受散射和空气湿度影响，测量空气质量浓度准确度较高。光热干涉仪还有在其它领域 当中研究材料薄膜的光学吸收深度等特性，以及悬臂梁的吸收增强特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明光热干涉仪光路结构图。
【具体实施方式】
[0018] 一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，包括有可出射线偏振光的激光器 13,激光器13右方依次设置有第一 1/4波片1、平行平板对2、气溶胶室3、角反射棱镜5,其 中平行平板对2由一对相互倾斜平行的前、后玻璃平板21、22构成,前、后玻璃平板21、22 在第一 1/4波片1右方呈前后错开分布，其中前玻璃平板21的左侧面朝向后玻璃平板22 的右侧面，且前玻璃平板21的左侧面与第一 1/4波片1正对，前、后玻璃平板21、22右侧面 分别朝向气溶胶室3,前玻璃平板左侧面从下至上依次附着有增透膜、高反膜，前玻璃平板 右侧面附着有偏振分束膜、增透膜，位于气溶胶室3与角反射棱镜5之间前方设置有调制激 光器4,位于前玻璃平板21前方设置有消偏振分光棱镜9,消偏振分光棱镜9朝向前玻璃平 板21的后侧面设置有第二1/4波片8,紧贴消偏振分光棱镜9前侧面、左侧面分别设置有偏 振分光棱镜11，且左侧的偏振分光棱镜与消偏振分光棱镜9之间设置有1/2波片10,前侧 的偏振分光棱镜右方、前方以及左侧的偏振分光棱镜左方、后方分别设置有光电检测器件 12 ；
[0019] 从激光器13发出的光为线偏振光，偏振光经过第一 1/4波片1后，变成圆偏振光， 圆偏振光射入平行平板对2中前玻璃平板21上左侧面A点，经过前玻璃平板21的偏振分 束膜后被分成P和s光，其中p光在A点透射过前玻璃平板21后再穿过气溶胶室3射向角 反射棱镜5,经过角反射棱镜5回射后到达后玻璃平板22,再经过后玻璃平板22反射后到 达前玻璃平板21上B点并从B点透射过前玻璃平板21，p光的光路作为测量臂，s光经前 玻璃平板21反射后经过后玻璃平板22的高反膜再次反射后穿过气溶胶室3射向角反射棱 镜5,经过角反射棱镜5回射后到达前玻璃平板21上B点右侧面，此光路作为参考臂，最终 s光和p光在平行平板对2中前玻璃平板21的B点右侧面重新相遇汇合成相互重合偏振 态正交的光信号，相互重合偏振态正交的光信号射入第二1/4波片8,变成两束旋转方向相 反的圆偏光，然后经过消偏振分光棱镜9分成等强度的两束光，其中一束光射向前侧的偏 振分光棱镜后，P光透射s光反射形成两束相位差180度干涉信号，另外一束光经过1/2波 片10后，形成与原来旋转方向相反的两圆偏光，然后再经过左侧的偏振分光棱镜形成另外 两束相位差180度的干涉信号，四束相位差依次相差90度的干涉信号分别被四个光电检测 器件12接收后转换为电信号，作为整个光热干涉仪的输出。
[0020] 平行平板对2中，前、后玻璃平板21、22材质采用K9玻璃，激光器13的测量波长 为 632. 8nm。
[0021] 位于气溶胶室3与角反射棱镜5之间的调制激光器4后方、位于气溶胶室3与平 行平板对2之间分别设置有反射棱镜6,位于气溶胶室3与平行平板对2之间的反射棱镜前 方设置有反射镜7,反射镜7使激光的方向改变180度。。
[0022] 第一、第二1/4波片1、8的快轴与沿左右方向的X轴夹角为45度。
[0023] 1/2波片10的快轴与沿左右方向的X轴夹角为22. 5度。
[0024] -种基于光热干涉仪的大气颗粒物浓度监测方法，采用滤纸将含有颗粒物的空气 其中的颗粒物与气体分开来，由于空气分子的粒径远小于滤纸缝隙，而颗粒物的粒径远大 于滤纸的缝隙，故留在滤纸上形成沉积颗粒物；
[0025] 将形成有沉积颗粒物的滤纸置于光热干涉仪中气溶胶室与角反射棱镜之间的测 量臂上，用调制激光器以一定的角度照射滤纸上的颗粒物，颗粒物就会吸收热量，当吸收达 到饱和时滤纸上颗粒物放出热量使周围空气温度改变，空气折射率随之改变，从而光热干 涉仪中四个光电检测器件的输出信号发生改变，从四个光电检测器件的输出信号中选择处 于正交状态的信号作为光热干涉仪输出信号，光热干涉仪输出信号在一定时间后达到动态 平衡，根据调制激光器的照射功率和光热干涉仪输出信号的幅值的比值来确定颗粒物的相 对浓度，并使用三个以上已知浓度的颗粒物滤纸进行测量，通过线性拟合方式确定标定系 数，通过计算得出大气中颗粒物的质量浓度。
[0026] 调制激光器由信号发生器发出的占空比为50%的方波控制，方波的上升沿时调制 激光器开始照射，下降沿时调制激光器停止照射，调制激光器照射时间与停止照射时间相 等。
[0027] 对空白滤纸激光照射后，光热干涉仪输出作为背景，排除激光照射非颗粒物对测 量结果的影响。
[0028] 本发明测量原理如下：
[0029] 根据S. K Lau等建立了调制激光器照射薄膜一基底的温度变化数学模型：
[0030]
【权利要求】
1. 一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于：包括有可出射线偏振光 的激光器，激光器右方依次设置有第一 1/4波片、平行平板对、气溶胶室、角反射棱镜，其中 平行平板对由一对相互倾斜平行的前、后玻璃平板构成，前、后玻璃平板在第一 1/4波片右 方呈前后错开分布，其中前玻璃平板的左侧面朝向后玻璃平板的右侧面，且前玻璃平板的 左侧面与第一 1/4波片正对，前、后玻璃平板右侧面分别朝向气溶胶室，前玻璃平板左侧面 从下至上依次附着有增透膜、高反膜，前玻璃平板右侧面附着有偏振分束膜、增透膜，位于 气溶胶室与角反射棱镜之间前方设置有调制激光器，位于前玻璃平板前方设置有消偏振分 光棱镜，消偏振分光棱镜朝向前玻璃平板的后侧面设置有第二1/4波片，紧贴消偏振分光 棱镜前侧面、左侧面分别设置有偏振分光棱镜，且左侧的偏振分光棱镜与消偏振分光棱镜 之间设置有1/2波片，前侧的偏振分光棱镜右方、前方以及左侧的偏振分光棱镜左方、后方 分别设置有光电检测器件； 从激光器发出的光为线偏振光，偏振光经过第一 1/4波片后，变成圆偏振光，圆偏振光射 入平行平板对中前玻璃平板上左侧面A点，经过前玻璃平板的偏振分束膜后被分成p和s 光，其中P光在A点透射过前玻璃平板后再穿过气溶胶室射向角反射棱镜，经过角反射棱镜 回射后到达后玻璃平板，再经过后玻璃平板反射后到达前玻璃平板上B点并从B点透射过 前玻璃平板，P光的光路作为测量臂，s光经前玻璃平板反射后经过后玻璃平板的高反膜再 次反射后穿过气溶胶室射向角反射棱镜，经过角反射棱镜回射后到达前玻璃平板上B点右 侧面，此光路作为参考臂，最终s光和P光在平行平板对中前玻璃平板的B点右侧面重新相 遇汇合成相互重合偏振态正交的光信号，相互重合偏振态正交的光信号射入第二1/4波片， 变成两束旋转方向相反的圆偏光，然后经过消偏振分光棱镜分成等强度的两束光，其中一 束光射向前侧的偏振分光棱镜后，P光透射s光反射形成两束相位差180度干涉信号，另外 一束光经过1/2波片后，形成与原来旋转方向相反的两圆偏光，然后再经过左侧的偏振分光 棱镜形成另外两束相位差180度的干涉信号，四束相位差依次相差90度的干涉信号分别被 四个光电检测器件接收后转换为电信号，作为整个光热干涉仪的输出。
2. 根据权利要求1所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于： 所述平行平板对中，前、后玻璃平板材质采用K9玻璃，激光器的测量波长为632. 8nm。
3. 根据权利要求1所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于： 位于气溶胶室与角反射棱镜之间的调制激光器后方、位于气溶胶室与平行平板对之间分别 设置有反射棱镜，位于气溶胶室与平行平板对之间的反射棱镜前方设置有反射镜，反射镜 使激光的方向改变180度。
4. 根据权利要求1所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于： 所述第一、第二1/4波片的快轴与沿左右方向的X轴夹角为45度。
5. 根据权利要求1所述的一种用于监测大气颗粒物浓度的光热干涉仪，其特征在于： 所述1/2波片的快轴与沿左右方向的X轴夹角为22. 5度。
6. -种基于权利要求1所述光热干涉仪的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：采 用滤纸将含有颗粒物的空气其中的颗粒物与气体分开来，由于空气分子的粒径远小于滤纸 缝隙，而颗粒物的粒径远大于滤纸的缝隙，故留在滤纸上形成沉积颗粒物； 将形成有沉积颗粒物的滤纸置于光热干涉仪中气溶胶室与角反射棱镜之间的测量臂 上，用调制激光器以一定的角度照射滤纸上的颗粒物，颗粒物就会吸收热量，当吸收达到饱 和时滤纸上颗粒物放出热量使周围空气温度改变，空气折射率随之改变，从而光热干涉仪 中四个光电检测器件的输出信号发生改变，从四个光电检测器件的输出信号中选择处于正 交状态的信号作为光热干涉仪输出信号，光热干涉仪输出信号在一定时间后达到动态平 衡，根据调制激光器的照射功率和光热干涉仪输出信号的幅值的比值来确定颗粒物的相对 浓度，并使用三个以上已知浓度的颗粒物滤纸进行测量，通过线性拟合确定标定系数，通过 计算得出大气中颗粒物的质量浓度。
7. 根据权利要求6所述的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：调制激光器由信号 发生器发出的占空比为50%的方波控制，方波的上升沿时调制激光器开始照射，下降沿时 调制激光器停止照射，调制激光器照射时间与停止照射时间相等。
8. 根据权利要求6所述的大气颗粒物浓度监测方法，其特征在于：对空白滤纸激光照 射后，光热干涉仪输出作为背景，为了排除非颗粒物在激光照射后干涉仪输出对测量结果 的影响。
【文档编号】G01N15/06GK104237088SQ201410453760
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】李保生, 王易诚, 马飞 申请人:合肥工业大学