一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法
【专利摘要】本发明涉及核空气净化及其他气溶胶浓度的测试技术，具体涉及一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法。该方法采用LED发光二极管作为光源，通过控制LED的驱动电源，对光源进行斩波，使入射光携带一定的调制信号；用入射光照射气流中气溶胶粒子使之发生光散射，散射光也具有相同的调制信号；散射光信号经光电转换后，携带调制特征的电信号通过前置放大器进行放大，再经锁相放大器进行解调放大后，由A/D转换装置将数字量传送给单片机控制系统，经运算分析后，得到气溶胶的浓度值。本发明将光散射法和光的调制技术很好的结合起来，能够很大程度地提高气溶胶浓度的探测灵敏度和测量范围。
【专利说明】一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核空气净化及其他气溶胶浓度的测试技术，具体涉及一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法。
【背景技术】
[0002]近三十年来光电技术与气溶胶测试技术越来越紧密地结合在一起，随着光学技术及微电子技术的快速发展，气溶胶测试技术在我国环境科学、生物、微电子、核工业医学等诸多领域也得到了快速发展和广泛的应用。许多应用领域对气溶胶测量技术提出了更高的要求，尤其对气溶胶实现远距离、实时、在线和连续测量，以及浓度测量范围宽、测量灵敏度高的实现方法要求更加迫切。
[0003]在核空气净化领域中，依据ASME N510和EJ/T791标准，DOP法是核级高效过滤器现场泄漏率试验标准方法之一，该方法要求采用DOP气溶胶在高效过滤器上游端注入，通过实时在线地检测上下游DOP气溶胶的浓度，来判定其泄漏率是否满足标准要求的(0.05%。即上、下游气溶胶的浓度比大于2000。因此要求DOP气溶胶浓度的检测技术必须达到实时在线测量、测量范围宽至少达到105，测量灵敏度达到10_3μ g/1。
[0004]目前国内尚无很完善的方法来解决该问题，针对以上需求，需要研究一种提高气溶胶浓度的探测灵敏度的测量技术，将使气溶胶测试技术更好的应用于核空气净化与其它领域。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种先进的气溶胶质量浓度光学检测方法，能够很大程度地提高气溶胶浓度的探测灵敏度和测量范围。
[0006]本发明的技术方案如下:一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，该方法采用LED发光二极管作为光源，通过控制LED的驱动电源，对光源进行斩波，使入射光携带一定的调制信号；用入射光照射气流中气溶胶粒子使之发生光散射，散射光也具有相同的调制信号；散射光信号经光电转换后，携带调制特征的电信号通过前置放大器进行放大，再经锁相放大器进行解调放大后，由A/D转换装置将数字量传送给单片机控制系统，经运算分析后，得到气溶胶的浓度值。
[0007]进一步，如上所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其中，所述的LED发光二极管为白色光源，最佳调制频率355Hz，幅值5V。
[0008]进一步，如上所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其中，通过与标准仪器的对比实验对气溶胶浓度与散射光强度之间的关系进行标定，单片机控制系统根据获得的散射光强度值，换算得到气溶胶的浓度值。
[0009]进一步，如上所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其中，气流中气溶胶粒子为球形液滴，粒径98%以上在0.3-0.5微米之间。
[0010]本发明的有益效果如下:本发明所提供的检测方法将光散射法和光的调制技术很好的结合起来，实现了微弱散射光信号的检测，从而提高了气溶胶浓度的探测灵敏度，实现了宽量程浓度的测试；同时抑制了零点漂移，提高了测量系统的稳定性。本方法实现了宽测量范围(浓度跨度105)、高灵敏度(0.0Ol μ g/1)、良好线性(1:1O5)及稳定性好的实时在线连续地检测气溶胶质量浓度。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为气溶胶浓度光学检测方法的原理框图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施过程对本发明进行详细的描述。
[0013]本发明所提供的气溶胶浓度光学检测方法通过控制LED驱动电源，对光源进行斩波，使得入射光携带一定频率的调制信号，被测气溶胶产生的散射光信号也具有相同的特征信号，散射光信号经光电转换后，通过前置放大器放大，采用锁相放大技术进行解调后，经A/D转换、单片机运算处理后将浓度值输出显示。
[0014]该方法的主要特点是光学测量系统中采用近前向散射光测量系统测量气溶胶浓度；光源采用LED发光二极管，并应用了光的调制技术；电路中电信号处理单元采用了锁相放大技术。
[0015]实施例
[0016]图1是本发明一个应用实例的原理框图。实例中采用白色LED作光源(10W，12V，9001m)，最佳调制频率355Hz，幅值5V。测试的气溶胶为球形液滴，粒径98%以上在0.3-0.5微米之间。检测系统包括与真空泵连接的光学测量腔，光学测量腔设置散射光收集系统，散射光收集系统与光电转换器连接，光电转换器经前置放大器、锁相放大器、A/D转换器与单片机处理控制系统连接。方波发生器经光源恒流驱动电路控制LED光源的驱动电源，实现光源斩波。
[0017]检测系统主要工作过程如下:当真空泵(采样流量28.31/min)将气溶胶采样至光学测量腔室时，气流中的气溶胶粒子在入射光束的作用下发生光散射，散射光由散射光收集系统将其收集汇聚到光电转换器的光电二极管光敏面上，光电二极管将光信号转换成电流信号(纳安级)，实现光电转换，电流信号通过前置放大器实现ΙΛ转换，锁相放大器进行解调放大后，由A/D转换器将数字量传送给单片机控制系统，经微处理器运算分析后，输出显示气溶胶的浓度值。气溶胶浓度与散射光强度的关系通过与标准仪器的对比实验进行标定。
[0018]其中，入射光的光源采用LED发光二极管，有效地抑制了零点漂移。对光源采用了光的调制技术(通过试验确定最佳调制频率和幅值)，通过调制信号直接控制LED光源的驱动电源，实现光源的斩波，使入射光携带一定的特征信号，从而使得散射光也携带同样的特征，通过光电转换器后电信号也携带同样特征信号，再通过锁相放大技术进行解调，将微弱的散射光信号A/D转换经运算后输出显示。光的调制技术的应用最大程度地抑制了背景杂散光以及电磁干扰和其他噪声的影响，实现了微弱信号的检测，克服了零点漂移问题，提高了气溶胶浓度的探测灵敏度和稳定性。
[0019]该方法应用实例采用近前光散射法结合光的调制技术，实现了宽测量范围(浓度跨度105)、高灵敏度(0.0Ol μ g/1)、稳定性和线性良好的实时在线连续地检测气溶胶质量浓度。
[0020]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其特征在于:该方法采用LED发光二极管作为光源，通过控制LED的驱动电源，对光源进行斩波，使入射光携带一定的调制信号；用入射光照射气流中气溶胶粒子使之发生光散射，散射光也具有相同的调制信号；散射光信号经光电转换后，携带调制特征的电信号通过前置放大器进行放大，再经锁相放大器进行解调放大后，由A/D转换装置将数字量传送给单片机控制系统，经运算分析后，得到气溶胶的浓度值。
2.如权利要求1所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其特征在于:所述的LED发光二极管为白色光源，最佳调制频率355Hz，幅值5V。
3.如权利要求1所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其特征在于:通过与标准仪器的对比实验对气溶胶浓度与散射光强度之间的关系进行标定，单片机控制系统根据获得的散射光强度值，换算得到气溶胶的浓度值。
4.如权利要求1所述的高灵敏度与宽测量范围气溶胶浓度的光学检测方法，其特征在于:气流中气溶胶粒子为球形液滴，粒径98%以上在0.3-0.5微米之间。
【文档编号】G01N21/49GK103852449SQ201210520680
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月5日 优先权日:2012年12月5日
【发明者】马英, 刘群, 尹王保, 史英霞, 丘丹圭, 侯建荣, 沈大鹏, 俞杰, 李永国, 张计荣, 韩丽红 申请人:中国辐射防护研究院