应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及颗粒物质量浓度的研宄与检测领域，尤其涉及一种应用于大气中悬浮 颗粒物的颗粒物质量浓度检测装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 颗粒物的质量浓度检测伴随着中国日益严峻的大气污染而越来越重要。现有的大 气中微米级悬浮颗粒物质量浓度的测量方法主要包括4种，1)手工称重法，通过大流量采 样器将颗粒物收集在滤膜上，隔数小时用精密天平称量滤膜的重量来得到颗粒物的质量浓 度，该方法采样时间长，精度受环境因素影响大且无法得到实时质量浓度；2) β射线法，同 样是把颗粒收集在滤膜上，然后由放射源的射线穿透滤膜，根据射线的衰减程度判断颗粒 物的重量，该方法采用射线源，维护复杂且昂贵，不利用大规模应用，同时也无法得到颗粒 物的实时质量浓度；3)锥形元件振荡微天平法，将颗粒收集在滤膜上，锥形元件振荡频率 的平方与滤膜上颗粒物的质量成反比，从而根据锥形元件的振荡频率得到颗粒物的质量浓 度；该方法校准十分复杂且受温湿度影响较大，价格昂贵且维护工作繁杂；4)光散射法，根 据颗粒经过光路时的散射光强大小来计算得到颗粒物质量浓度，是目前唯一的原位测量颗 粒物质量浓度的方法，也是实时性最好的颗粒物质量浓度测量方法，但是使用时校准不方 便，不同的应用环境需要重新校准；同时，由米氏理论可知，亚微米颗粒在各方向的散射光 强分布比较均匀但是随着颗粒粒径的增加，散射光逐渐向前向集中，而现有的光散射仪常 为单通道且把传感器布置在90 °方向，虽然有助研提高仪器的动态检测范围，但会造成对 大颗粒散射光的低估，同时也会导致无法有效检测亚微米级的颗粒物。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒 物质量浓度检测装置及其方法。
[0004] 应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测装置包括颗粒切割头、颗粒采样 气泵、气体流量计、第一气体导管、金属毛细管、鞘气装置、采集电源、鞘气气泵、高效气体过 滤器、第二气体导管、多通道颗粒测量部件、高稳定性激光器、光陷阱、第一光学透镜、第一 高性能光电探测器、第二光学透镜、第二高性能光电探测器、第三光学透镜、第三高性能光 电探测器、第四光学透镜、第四高性能光电探测器、信号调理电路、数据采集卡、计算机、信 号电源；多通道颗粒测量部件右侧开孔安装有高稳定性激光器、左侧外部安装有光陷阱，顶 部开孔安装有鞘气装置，鞘气装置包括鞘气接头、鞘气管道、鞘气喷嘴，鞘气管道中心安装 有金属毛细管，颗粒采样气泵和鞘气气泵由采集电源供电，高稳定性激光器、信号调理电路 由信号电源供电，在多通道颗粒测量部件中心处开有四个孔，四个孔的位置是在高稳定性 激光器与光陷阱中心连线的顺时针55°、125°方向和逆时针40°、140°方向上，在顺时 针55°方向上的孔内安装有第二光学透镜和第二高性能光电探测器，在顺时针125°方向 上的孔内安装有第三光学透镜和第三高性能光电探测器，在逆时针40°方向上的孔内安 装有第一光学透镜和第一高性能光电探测器，在逆时针140°方向上的孔内安装有第四光 学透镜和第四高性能光电探测器，四个高性能光电探测器的输出引线依次接入信号调理电 路，信号调理电路输出信号接入数据采集卡，数据采集卡通过USB连接线与计算机相连接， 颗粒切割头、颗粒采样气泵、气体流量计、第一气体导管、金属毛细管顺次相连，鞘气气泵、 高效气体过滤器、第二气体导管、鞘气接头顺次相连。
[0005] 所述多通道颗粒测量部件长度为120mm，宽度为50mm，高度为78mm。所述金属毛 细管长度为100mm，外直径为2_，内直径为1_。所述高稳定性激光器长度为88_，直径为 16mm，功率为150mW。所述的第一高性能光电探测器、第二高性能光电探测器、第三高性能光 电探测器、第四高性能光电探测器采用的是HAMAMATSU公司的S2386-44K硅光二极管。
[0006] 所述的信号调理电路为4通道信号处理电路，每个通道包括：光电信号输入端、电 流电压转换电路、陷波电路、放大电路、二阶低通滤波电路、电压信号输出端；光电信号输入 端与电流电压转换电路中运放的反向信号输入端相连，电流电压转换电路中运放的反向信 号输入端与运放的输出端分布串联电阻Rl和电容Cl，电流电压转换电路中运放的正向信 号输入端接地；陷波电路的VIN引脚与电流电压转换电路中运放的输出端相连，陷波电路 的RQ引脚通过电阻R2接地，陷波电路的RG引脚通过电阻R3接陷波电路的VO引脚相连； 放大电路中运放的正向信号输入端接地，放大电路中运放的反向信号输入端通过电阻R4 与陷波电路的VO引脚相连，放大电路中运放的反向信号输入端通过电阻R5与放大电路中 运放的输出端相连；二阶低通滤波电路中电阻R6的左端与放大电路中运放的输出端相连， 右端通过电容C2接地，二阶低通滤波电路中电阻R7左端与电阻R6右端相连，右端通过电 容C3接地；电压信号输出端与二阶低通滤波电路中电阻R7的右端相连。
[0007] 所述信号调理电路的电流电压转换电路中的运算放大器选用了 LMP7721高性能 运算放大器，陷波电路和放大电路中运算放大器选用了四通道运算放大器0PA4227。
[0008] 应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测方法的步骤如下：
[0009] 1)大气中悬浮颗粒物的采集：首先对颗粒采样气泵的流速进行校准，调节采集电 源对颗粒采样气泵的供电电压，观察气体流量计的读数，使得气体流量与颗粒切割头所需 的流量一致，携有所需粒径范围颗粒的气流通过第一气体导管进入金属毛细管，由于管径 变小，气体流速增加，保证颗粒能够穿越高稳定性激光器所产生的激光光路中心，同时，鞘 气气泵采集的空气通过高效气体过滤器滤除颗粒后得到洁净的气体并通过第二气体导管 与鞘气装置中的鞘气接头连接，洁净气体流过鞘气通道，在鞘气喷嘴处流速增加，包裹在金 属毛细管中含有颗粒的气流的四周，从而保证颗粒气流在流过激光光路中心的时候不会污 染第一光学透镜、第二光学透镜、第三光学透镜、第四光学透镜；
[0010] 2)颗粒光散射信号的采集与处理：高稳定性激光器产生准直激光束，激光束沿着 高稳定性激光器到光陷阱中心连线传播，当颗粒穿越激光光路中心时会在各个方向上产生 散射光，在对应空间的某一点散射光强度表不为
式中：1(1为 入射光强度；λ为激光波长；r是颗粒到观察点之间的距离山和"分别为垂直及平行于散 射平面的散射强度函数分量，二者分别是粒径D、颗粒相对折射率n、散射角Θ和波长λ的 函数，I1= "Φ,η，θ，λ)，"= i2(D，n，θ，λ)，φ则是散射面上任意点在平面上的投影与 轴之间的夹角，于是对于第一高性能光电探测器、第二高性能光电探测器、第三高性能光电 探测器、第四高性能光电探测器中任意一个光电探测器，第一光学透镜、第二光学透镜、第 三光学透镜、第四光学透镜将60°角度区间的光汇聚到对应的高性能光电探测器的中心， 光电探测器将光能转换为电能并形成极其微弱的电流，这些微弱的电流信号分别通过屏蔽 信号线传输到信号调理电路，经过电流电压转换电路，nA级别的电流信号被转换成mV级别 以上的电压信号，电压信号通过陷波电路滤除工频干扰再通过放大电路得到数百mV的电 压信号，这些电压信号再经过二阶低通滤波电路滤除外界以及电路板产生的高频噪声，由 此得到分别对应第一高性能光电探测器、第二高性能光电探测器、第三高性能光电探测器、 第四高性能光电探测器的电压信号Vp V2、V3、V4;
[0011] 3)颗粒物质量浓度的转换与处理：数据采集卡通过IOKHz的采样频率同步采集四 路电压信号％、V2、V3、V4，对应某一段时间采集到的的颗粒物质量浓度P可以表示为：
[0012]
，其中系数K是电 压质量转换系数，由实际实验标定出来，Wpw2、w3、w4为各通道传感器电压信号所占比重，由 光学仿真实验得到，f、巧、巧、&为电压信号￥1、￥2、％、1采样18时间的平均值，￥ 1(|、 V2(l、V3(l、V4tl是当关闭颗粒采样气泵，只通入滤除了颗粒的洁净气体时各光电探测器得到的 本底电压值，Q为颗粒采样气泵中的气体流量。
[0013] 本发明与现有技术相比，有以下突出特点和显著优点：采用四个不同方向布置的 光电探测器，利用前向布置的光电传感器可以有效检测亚微米级颗粒，提高仪器颗粒物质 量浓度的检测下限