单气溶胶粒子形状实时检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气溶胶实时检测，特别是实时性较强的单气溶胶粒子形状快速检测方法和装置，能够实时检测大气中较小粒径的单个粒子光学散射图像并进行分析处理，实现对粒子形状的区分和判别。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多项混合体系。粒子或颗粒大小为0.001?100 μm。习惯上，把这些粒子称为气溶胶。直径小于10 μm的粒子可在大气中长时间漂浮，称为飘尘。
[0003]气溶胶粒子对地气辐射平衡、成云致雨、水循环、能见度改变等诸多物理化学过程和人体健康重要影响。空气动力学粒径\小于10 μm的气溶胶粒子为可吸入颗粒物，又称粗颗粒物PMlO (Particle Matter 10)。dp小于2.5 μ m的为细颗粒物ΡΜ2.5等。PMlO可以进入人体气管；ΡΜ2.5可以进入人体肺部。PM本身既是一种污染物，又是多种有毒物质的载体。ΡΜ2.5比PMlO更易吸附有毒害的物质，从而造成严重危害。
[0004]大气气溶胶粒子种类与组分来源多相、构成复杂，研宄人员需要根据气溶胶粒子的物理、光学或化学特征等识别粒子及其来源。其中，粒径和形状是用来描述气溶胶粒子大小和形态等物理特征的表征参数。不同种类气溶胶粒子一般具有不同形状，较为简单的形状包括球体(水滴或油滴)或圆柱体(玻璃纤维)等。许多粒子具有较为复杂的形状，如石棉的纤维、片状、雪花状、规则或不规则的晶体等。在不同的工作或生活环境中，气溶胶粒子的形状可以为研宄其种类和来源提供线索，并且对研宄粒子特征有重要帮助，是其它粒子测量技术的有力辅助。
[0005]对于测量粒形的方法，在先技术包括显微镜法等。显微镜法需要首先将气溶胶进行富集，再送至实验室进行检测，花费时间长，实时性低，检测成本较高。在通常的测量散粒物料颗粒形状参数的方法中，如人工观察记录方式，比较繁琐并且不精确。戈振扬、郭洁在“一种测量散粒物料颗粒形状参数的方法”中公开了应用数码显微镜和计算机测量散粒物料颗粒形状参数的方法。该方法采用图像处理软件对需测量颗粒形状做相应的特殊处理和优化，便于高效测量散粒物料颗粒形状相关的各种参数信息，精简测量过程，提高测量精确度。
[0006]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。基于光散射原理的粒子弹性光散射检测法具有快速、灵敏和成本较低等特点，是常用技术手段之一。当粒子与入射光光场作用时，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、荧光和粒子吸收等。粒子散射光场分布是粒子粒径、形状、折射率等参数和检测系统参数如入射光波长、偏振状态、散射角度的复合函数。基于此原理研制的光学粒子计数器已被广泛用于测量单个粒子散射光场强度分布从而获取气溶胶粒子粒径尺度分布。在上述光散射研宄与应用基础上发展的实时气溶胶粒子形状识别技术，为获取粒子的形状以及表面形貌特征等物理性质提供了可行手段。目前对于粒径的实时测量技术的研宄已经比较成熟，国内也有很多自主研制的相关产品。相对来说，对于粒形的实时检测在国内相关研宄较少。
[0007]由于气溶胶粒子形状检测的实时性和准确度要求，这种技术一般需要依据散射光场等信息测量相关参数，逐步区分球形与非球形、轴对称和非轴对称、规则与不规则形状粒子，判断粒子形状类别。通过气溶胶粒子的前向2维散射光场图样推断粒子形状对称性等信息，可以采用直接接收光学系统，结构布局与设计较方便。常规前向接收系统孔径角范围为±2.5-±25°，如库尔特仪、ROYCO粒子计数器。依据Mie散射理论计算结果，在此范围内散射光角度信息可以判断粒子形状的对称性，但尚不足以用来获得粒径小于2.5 μπι粒子的直观散射图样和粒径信息，从而较准确地判别粒子形状。
[0008]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，发明人黄惠杰，周光超，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。但该种方法基于生物荧光分析技术原理，以富集的多个生物气溶胶粒子的荧光光谱强度为检测对象，且需要多气溶胶粒子富集时间、相对实时性较低，不适合基于弹性散射光原理的单气溶胶粒子形状的实时检测的应用目的。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种单气溶胶粒子实时检测方法与检测装置，通过同步采集大气中单个气溶胶粒子的前向和侧向散射图样进行分析处理，能够判别粒径小于2.5 μ m的粒子形状。
[0010]本发明的技术解决方案如下:
[0011]一种单气溶胶粒子形状实时检测装置，包括单粒子聚焦气路、散射腔体、电源供电系统、两路定位触发单元、散射图样检测单元和微机控制处理单元；
[0012]所述的单粒子聚焦气路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，分别与该进气喷嘴相连的样气进气口和鞘气进气口，该鞘气进气口与鞘流气泵相连，所述的出口管包括出气口和与该出气口相连的总气泵；
[0013]所述的两路定位触发单元分别包括定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路；
[0014]所述的散射图样检测单元包括图样照明光路、前向图样接收光路和侧向图样接收光路，三路光路的光轴共面；
[0015]所述的散射腔体呈八边形腔结构，其上表面和下表面分别开有相互相对应的孔，所述的进气喷嘴和出气口分别对应安装在所述的上、下表面的孔中，使单粒子聚焦气路的中心轴线与所述的散射腔体圆柱形内中心轴线共线；所述的散射腔体的八个侧表面分别开有相互相对应的孔；
[0016]每个所述的定位触发单元的定位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，定位照明光路和光陷阱与光源强度监测组件共光路，并使该光轴与单粒子聚焦气路的中心轴线垂直；所述的两路定位触发单元光轴所在平面之间存在空隙，构成双路定位触发光敏感区；所述的散射图样检测单元的图样照明光路和前向图样接收光路分别安装在相互对应的孔中，使单粒子聚焦气路的中心轴线与该光轴垂直且相交；所述的散射图样检测单元的侧向图样接收光路安装在余下孔中，使该光轴与单粒子聚焦气路的中心轴线垂直，且与前向图样接收光路的光轴垂直相交；
[0017]所述的鞘流气泵、总气泵、电源供电系统、定位触发单元和散射图样检测单元分别与所述的微机控制处理单元相连；
[0018]所述的鞘流气泵、总气泵、定位触发单元和散射图样检测单元分别与所述的电源供电系统相连。
[0019]所述的散射腔体的每个侧平面与各自所安装的两路定位触发单元的定位照明光路、光陷阱与光源强度监测组件和共用的定位光强接收光路，以及所述的散射图样检测单元的图样照明光路、前向图样接收光路和侧向图样接收光路的光轴分别垂直；
[0020]供所述的散射图样检测单元的图样照明光路安装的侧平面和前向图样接收光路安装的侧平面平行，且两个侧平面与供所述的散射图样检测单元的侧向图样接收光路安装的侧平面垂直。
[0021]本发明利用前向与侧向散射光场图样判别粒子的形状。当照明光束入射到一定粒径范围内不同形状粒子时，粒子的前向与侧向方位各取2维散射图像。通过分析散射图像可以对粒子形状进行辨别。
[0022]基于光散射原理，粒子散射光场分布与粒子粒径、形状、折射率，检测系统入射光波长、偏振方向等条件有关系。因此，采用光电图像接收器采集散射光场强度分布的量化信息，并依据散射光场的实际条件和计算结果进行判断。在实际检测中，散射光场接收系统的设计方案、光电接收器件响应特性决定了可接收散射光场角度和强度分布；同时，粒子朝向与位置误差、系统测量误差等因素也使得采集到的粒子散射光场图样需要进行进一步处理与分析，提高测量准确度。
[0023]球形粒子沿入射光轴散射光场在前向接收2维图样为对称同心亮暗圆环，便于通过散射光场相对光轴的光强分布的对称性区分球形与非球形粒子。如果需要获得具有暗、亮同心圆环的散射位置或图样信息，理论上存在粒子粒径下限。
[0024]球形粒子的侧向散射光场图样为竖直的明暗条纹。非球形粒子的散射图样、局部信息不同。因此依据侧向光学接收系统接收范围内和某区域内的散射光场信息，结合前向散射图样和具体检测系统条件，可以反演较小粒径粒子形状相关参数，减少测量误差影响，提高检测准确度。
[0025]在实际中，由于大部分气溶胶粒子是非球形的，其侧面散射图样不再是竖直条纹分布，因此，较易进行数据处理与分析。
[0026]装置各部分功能如下:
[0027]1、单粒子聚焦气路:基于空气动力学原理设计的聚焦气路，可以将待测粒子压缩在较细的样气流路范围内经过光敏感区，在要求气溶胶粒子浓度检测范围内有效减少重叠误差。同时，包裹样气的洁净鞘气能够减少其它外部粒子的干扰。气路中有2组气泵分别控制装置总体气路和鞘气气路流量和流速，同时在气泵进气和出气位置放置有滤膜，用于预防气泵污染，一起得到洁净的气流。气路通过气管、连接件与结构件密封连接；