一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法，针对现有技术中散射积分法在颗粒粒径小于10微米时不再适用的缺点，利用阶梯式中性密度滤光片将透射光和散射光衰减至同一光强数量级别，实现了在单一数字面阵相机的测量系统中对透射光和散射光同时拍摄，具有灵敏度高、响应快、光路系统简单紧凑等优点，通过获得的散射光和透射光信息可以得知粒径分布，在已知粒径分布的情况下，利用散射光结合散射积分法可以测量微米级的粉尘浓度，利用透射光结合消光法可以实现亚微米和纳米级的粉尘浓度测量，成功实现了对微米级、亚微米级和纳米级粉尘浓度的测量，涵盖的粒径范围大，具有极大的市场优势。
【专利说明】-种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种粉尘浓度测量装置及方法，具体涉及一种大粒径范围的粉尘浓度 测量装置及方法，实现了在一个测量装置中同时对透射光和前向小角散射光进行测量，测 量范围广，涵盖纳米级和微米级的粉尘颗粒。
【背景技术】
[0002] 粉尘主要危害之一是大气环境污染，其二是爆炸危害，有些场合，粉尘还会影响生 产，比如粉尘会降低太阳能电池板的发电效率，导致我国太阳能光伏发电项目每年间接损 失达数亿元，因此，粉尘浓度测量在能源研究、环境保护、大气科学等领域都有重要的意义。 目前已经发展了多种粉尘浓度测量技术，如机械法、电感电容法、超声波法、光学法等，近几 十年来由于激光技术、计算机技术和光纤技术的发展，光学法因其非接触性、实时性，得到 了迅速的发展应用。
[0003] 光学法测量颗粒浓度方法，根据测量散射光和透射光可分为两种：一种是散射积 分法，主要利用前向小角内的散射光，对散射光强进行角度积分，光强积分值与粉尘浓度 呈正比关系，即通过测量粉尘散射光就可以得出粉尘浓度。另一种是消光法，根据著名的 Beer-Lambert定理，透射光与入射光的的比值是颗粒平均粒径与颗粒浓度的函数，通过对 多个波长的透射光强和入射光强的测量就可以求解粒径与浓度参数。散射积分法的优点在 于无需预知粒径即可求解颗粒浓度，但是散射积分法法测量颗粒浓度基于Fraunhofer衍 射理论，在可见光范围内，当颗粒粒径小于10 U m时，Fraunhofer衍射理论在前向小角范围 内不能精确表示光强分布，故粒径小于IOum时散射积分法不再适用。消光法在光学原理 上和光学测量装置上都比其他光学方法更为简单，粒径适用范围下限可到几个纳米，上限 可达微米级别，但缺点也很明显，需事先知道颗粒物的平均粒径，而单波长下光全散射法无 法同时求解两个未知数：平均粒径和颗粒数，而且浓度测量对平均粒径的依赖性比较大，因 而平均粒径的误差可导致较大的浓度测量误差。
[0004] 此外，在现有粉尘浓度测量系统中，由于颗粒的透射光光强和散射光光强值相差 较大，导致光电探测器的动态探测范围内难以同时合理曝光采集，故光学测量装置需多个 探测器对分离的散射光和透射光分别进行测量，因此系统较为复杂。鉴于上述缺陷，迫切需 要一种更加可靠精确、结构简单的粉尘浓度测量装置和方法。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大粒径范围的粉尘浓度测量 装置及方法，针对现有技术中散射积分法在颗粒粒径小于10 y m时不再适用的缺点，提出 了一种基于单一数字面阵相机的粉尘浓度测量装置，在粒径小于10 U m时可以利用透射光 进行消光法测量颗粒浓度，拓宽了颗粒浓度测量装置的粒径适用范围下限至纳米级，在预 知粒径的前提下，浓度测量的粒径适用范围下限可到几个纳米。
[0006] 本发明的基本原理为：通过采用透射光和散射光的不同光密度的滤光片衰减达到 同一光强数量级，则数字面阵相机可同时测量透射光和散射光。经数据处理得到不同角度 的散射光强测量值，依据Mie理论反演粒径分布，从而得到颗粒群平均粒径。当粒径属于纳 米级别或者亚微米级别时，采用Beer - Lambert定理求解颗粒浓度，当粒径属于微米级别 时采用散射积分法求解颗粒浓度。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，包括：按光路方向依次设置的激光光源、空 间滤波器、样品池、收集透镜、阶梯式中性密度滤光片及面阵数字相机；光路经样品池后形 成双光路结构，其中一路是样品池中透射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆内进行光 强衰减，然后经面阵数字相机的镜头聚焦在面阵数字相机的感光面上；另一路是样品池中 散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆外进行光强衰减，然后经面阵数字相机的镜头 聚焦在面阵数字相机的感光面上；得到的透射光和散射光的光学信号均被输送至一计算机 中。
[0009] 优选地，前述中性密度滤光片中心小圆的半径为R，R至少为激光光源所发生的激 光束束腰半径的2倍，这样一来，则入射光照射至中心小圆时，可将全部入射光进行光强衰 减，并不会产生多余衍射光，而当小圆半径小于2倍光束束腰半径时，光路调整较为困难， 易产生杂散光。
[0010] 优选地，前述中性密度滤光片位于收集透镜的焦平面处。
[0011] 具体地，前述面阵数字相机为(XD或CMOS数字相机。
[0012] 进一步地，前述空间滤波器由两个透镜和一个不透光平面上构成，所述不透光平 面上形成有一小孔，两个透镜平行放置以对光束进行汇聚准直，所述小孔位于两个透镜之 间的焦平面中心。
[0013] 为了解决单一面阵相机同时测量透射光强与散射光强时，因透射光光强和散射光 强数量级差距太大而难以同时合理曝光的缺点，采用入射光和散射光进行不同光密度的中 性密度滤光片的光强衰减的方法，使得透射光和散射光以同等数量级进入面阵相机。阶梯 式中性密度滤光片的中心小圆内采用大光密度，接收透射光，其它部分采用小光密度，接收 散射光。
[0014] 激光光束照射测量区域的颗粒，产生散射光。散射光和透射光透过散射光收集透 镜后聚焦在透镜焦平面上，中性密度滤光片放置在焦平面上，则经由阶梯式中性密度滤光 片的透射光和散射光达到同一光强数量级进入面阵数字相机。
[0015] 此外，本发明还公开了一种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，包括以下步骤：
[0016] 1)、基于前述的粉尘浓度测量装置，透射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆 内的高光密度区域进行光强衰减，散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆外的低光密 度区域进行光强衰减，数字面阵相机接收经过衰减后的散射光和透射光，同时进行合理曝 光，获得光强角分布图；
[0017] 2)、根据Mie理论计算不同粒径颗粒的散射光强值：
[0018] '(0- D) = + i2(0)cos2(fj] (1)
[0019] 式⑴中，i(e，D)是不同角度0下不同粒径D的球形颗粒的散射光强值，入为 激光波长，Itl为入射光光强，r为散射光强探测点与散射颗粒之间的距离，^、i2为散射强度 函数，由Bessel函数和Legendre函数求得，9为入射光振动面与散射面之间的夹角；
[0020] 3)、计算颗粒粒度分布，构造矩阵T，
[0021]
【权利要求】
1. 一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，包括：按光路方向依次设置的 激光光源、空间滤波器、样品池、收集透镜、阶梯式中性密度滤光片及面阵数字相机；光路经 样品池后形成双光路结构，其中一路是样品池中透射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小 圆内进行光强衰减，然后经面阵数字相机的镜头聚焦在面阵数字相机的感光面上；另一路 是样品池中散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆外进行光强衰减，然后经面阵数字 相机的镜头聚焦在面阵数字相机的感光面上；得到的透射光和散射光的光学信号均被输送 至一计算机中。
2. 根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述中 性密度滤光片中心小圆的半径为R，R至少为激光光源所发生的激光束束腰半径的2倍。
3. 根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述中 性密度滤光片位于收集透镜的焦平面处。
4. 根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述面 阵数字相机为CCD或CMOS数字相机。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在 于，所述空间滤波器由两个透镜和一个不透光平面上构成，所述不透光平面上形成有一小 孔，两个透镜平行放置以对光束进行汇聚准直，所述小孔位于两个透镜之间的焦平面中心。
6. -种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、基于权利要求1-5任一项所述的粉尘浓度测量装置，透射光进入阶梯式中性密度 滤光片中心小圆内的高光密度区域进行光强衰减，散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心 小圆外的低光密度区域进行光强衰减，数字面阵相机接收经过衰减后的散射光和透射光， 同时进行合理曝光，获得光强角分布图； 2) 、根据Mie理论计算不同粒径颗粒的散射光强值：
式（1)中，I(0，D)是不同角度Θ下不同粒径D的球形颗粒的散射光强值，λ为激光 波长，Itl为入射光光强，r为散射光强探测点与散射颗粒之间的距离，ii、i2为散射强度函 数，由Bessel函数和Legendre函数求得，φ为入射光振动面与散射面之间的夹角； 3) 、计算颗粒粒度分布，构造矩阵Τ，
式（2)中，i、j分别为角度Θ下标和粒径D下标，表示不同的散射角度和颗粒粒度， 利用装置测量的不同角度下的散射光强Ιεχ ( Θ J构造向量E，
对于粒径分布F = f (D)求解归结为线性方程组的求解，E = TF，对于该线性方程组按 照优化方法求解，F代表颗粒粒度分布，离散后可表示为：
4) 、根据颗粒粒度分布求解平均粒径D32 :
式（5)中，f⑶为颗粒粒径分布函数，Dmax、Dmin分别为粒径分布函数中粒径最大值和最 小值，d为积分公式中微分表达式，根据所得平均粒径选择颗粒浓度求解方法； 5) 、当颗粒粒径小于10 μ m时，根据Beer - Lambert定理求解颗粒浓度：
式（6)中，Itl为入射光光强，Irai(O)为透射光光强，Krart为消光系数，L为测量区域的长 度； 6) 、当颗粒粒径大于等于10 μ m时，由Fraunhofer圆孔衍射理论近似前向小角内的光 强分布，采用散射积分法测量颗粒浓度：
式（7)中，Vp为入射光照射的颗粒群总体积，K = f是波矢量，U Θ )为Θ散射角的 散射光强实验测量值，A为入射光横截面面积。
7. 根据权利要求6所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，其特征在于，所述步 骤（3)中，优化算法包括：最优正则化方法、Chahine迭代算法、最小均方算法及数据平滑处 理方法。
8. 根据权利要求7所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，其特征在于，所述步 骤（3)中，优化算法为最优正则化方法，首先构造一个新的方程组： F= (TTi +γΗ)_1Τ/ E (8) 式（8)中，Τ'表示对矩阵T做转置运算，式中H是一个光顺矩阵，具有以下形式：
而光顺因子Y可以对下式求极小值确定：
式（10)中，Trace表示求迹运算，上标-1表示矩阵求逆，I为单位矩阵，确 定光顺因子和光顺矩阵后，通过非负最小二乘法就可以获得颗粒粒径分布。
9. 根据权利要求6所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，其特征在于，所述步 骤（5)中，消光系数Kext根据Mie理论推算：
式（11)中，ap Id1为Mie理论系数，是折射率m和粒径无因次参量α = JI D/λ的函 数。
【文档编号】G01N15/06GK104374677SQ201410529853
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】林学勇, 李舒, 张宸瑜, 许传龙 申请人:南京市计量监督检测院