双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 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。 本发明可应用于环境检测等领域。
【背景技术】
[0002] 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~IOOym，通常粒子的动力学直径在0.01至IOym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。
[0003] 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宄领域，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。
[0004] 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（PMlO)是指空气动力学直径IOym以下的 颗粒物。
[0005] 在相关环境检测和研宄领域需要实时、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。
[0006] 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宄比较成熟，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。
[0007] 1.粒子形状因素
[0008] 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。
[0009] 2?粒子材料折射率等因素
[0010] 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。
[0011] 3.环境湿度条件与气溶胶粒子吸湿特性
[0012] 大气气溶胶的吸湿性是气溶胶的重要特征之一。研宄表明，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Iym)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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015]各种测量光散射的光学装置，其区别在于平均散射角0、接收器数值孔径△D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：
[0016]
【主权项】
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。
2. 根据权利要求1所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，所 述的第2路光强度检测单元的照明光路（22-1)光轴O1O1'与散射腔体⑷的中心线QQ'的 交点CU立于所述的第1路光场强度检测单元的照明光路（21-1)光轴O2O2'与散射腔体（4) 的中心线QQ'的交点〇2。的正下方，且每路照明光路的光轴与散射腔体（4)的中心线QQ'垂 直。
3. 根据权利要求1所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于，所 述的散射腔体（4)上供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 件的两个安装侧表面互相平行，供光强度检测单元（2)的光强接收光路的反射镜和光强接 收组件的两个安装侧表面互相平行，该两组平行的平面互相垂直。
4. 根据权利要求1或2所述的双波长光学实时气溶胶粒子粒径测量装置，其特征在于， 所述的照明光路是依次由光源、准直镜、光阑、整形镜和整形光阑组成。
5. 根据权利要求1或2所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的光 强接收光路是依次由反射镜、接收光阑、滤光片和光强探测器组成。
6. 根据权利要求1或2所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的光 场分布检测单元（3)是依次由准直镜组（311)、滤光片（312)、聚焦镜组（313)、光阑（314) 和一维光电探测器（315)组成。
7.根据权利要求3所述的单气溶胶粒子形状实时检测装置，其特征在于，所述的第1路 照明光路的光源波长X1的波谷范围在350-500nm，第2路照明光路的光源波长A2的波谷 范围在 720-800nm或 950-1000nm之间。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01N15-02
【公开号】CN104764680
【申请号】CN201510130227
【发明人】赵永凯, 陈正岩, 卜一川, 张佩, 黄惠杰
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月24日