一种适用于高压工况的光学传感器配置方法及装置与流程

本发明涉及气溶胶检测技术领域，特别涉及一种适用于高压工况的光学传感器配置方法及装置。

背景技术：

现应用于实际中的单个气溶胶(包括某种气体或者气体混合物)粒子检测技术可适用于几个或十几个大气压力以下工况。为了实现更高压力下的气溶胶在线检测，有学者在高压环境下采用耐高压气溶胶导管进行气溶胶检测，如申请号为201010597597.4中提到的耐高压气溶胶导管。虽然耐高压气溶胶导管保证了检测的安全性，但是获得的气溶胶测量结果与真实情况差别很大，主要表现为大粒径气溶胶检测粒径偏小，粒子数偏少。造成高压下测量结果可靠性低的主要原因是：检测中的光学传感器仍采用常压工况下的固定光路，而忽略了气体压力对光学传感器的影响。

单粒子气溶胶检测系统的光学传感器由两部分组成：入射光路和散射光接收光路。两者采用相同或相近的光学系统，夹角成不同的角度。将入射光路和散射光接收光路汇聚焦点的重合区域定义为光学测量体。在高压工况下，在入射光的入射角和散射光接收角固定时，随着气体压力的变化光学测量体的位置、大小会发生变化，从而导致测量体横截面单位面积上的光强变弱，因此若在高压工况下采用常压工况下的光学传感器会导致测量结果不准确。

为了提高高压工况下气溶胶检测的精度，就需要在该工况下使用对应的光学传感器，但是目前在高压环境中调整或重建光学传感器的方法可行性差，难以实现。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种适用于高压工况的光学传感器配置方法，通过对光学测量体随气体压力的变化进行研究，可以在常压工况下配置适用于高压工况的光学传感器，克服了目前在高压环境中调整或重建光学传感器的方法可行性差难以实现的技术问题。该适用于高压工况的光学传感器配置方法包括：

建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型；所述光学测量体为单粒子气溶胶检测系统的光学传感器中的入射光路和散射光接收光路聚焦点的重合区域；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数；所述光学测量体的动态参数包括高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量和高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量；

在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器；

所述建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，包括：

建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型；

建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数，包括：

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，确定光学测量体的动态参数的理论值；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型，确定光学测量体的动态参数的实验值；

确定光学测量体的动态参数的实验值相对理论值的误差，若误差小于预设误差，则选择光学测量体的动态参数的实验值作为光学测量体的动态参数；若误差大于预设误差，取光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的平均值，作为光学测量体的动态参数。

在一个实施例中，所述建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，包括：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；所述基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数、常压工况下气体介质的折射率和高压工况下气体介质的折射率，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型。

在一个实施例中，所述随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型按如下公式建立：

ΔX＝X2-X1；

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

X1为常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

X2为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中的光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中的光线发散角半角β按如下公式确定：

n0sinα＝nsinβ；

其中，n0为常压工况下空气的折射率；

2α为常压工况下空气中光线发散角，°；

n为高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率。

在一个实施例中，所述建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型，包括：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；所述基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。

在一个实施例中，所述随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型按如下公式建立：

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

y为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

x为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，μm；

k为第一高压镜片内侧到第二高压镜片内侧的距离，为常数，k＝x+y，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中光线发散角半角β按如下公式确定：

其中，2H0为空气中光线焦点处的光斑大小，μm；

2H为入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小，μm；

2h为入射光在耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的光斑大小，μm。

在一个实施例中，该适用于高压工况的光学传感器配置方法还包括：

确定光学传感器中光学系统中的光学元件的放置位置；

所述在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器，具体包括：

在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置配置适用于高压工况的光学传感器。

在一个实施例中，所述在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置配置适用于高压工况的光学传感器，具体包括：

在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，对单粒子气溶胶检测系统中的光学传感器进行调整；或在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，重建适用于高压工况的光学传感器。

本发明实施例还提供了一种适用于高压工况的光学传感器配置装置，通过对光学测量体随气体压力的变化进行研究，可以在常压工况下配置适用于高压工况的光学传感器，克服了目前在高压环境中调整或重建光学传感器的方法可行性差难以实现的技术问题。该适用于高压工况的光学传感器配置装置包括：

动态参数计算模型建立模块，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型；所述光学测量体为单粒子气溶胶检测系统的光学传感器中的入射光路和散射光接收光路聚焦点的重合区域；

参数确定模块，用于利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数；所述光学测量体的动态参数包括高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量和高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量；

配置模块，用于在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器；

所述动态参数计算模型建立模块包括：

动态参数理论计算模型建立单元，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型；

动态参数实验计算模型建立单元，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型；

所述参数确定模块具体用于：

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，确定光学测量体的动态参数的理论值；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型，确定光学测量体的动态参数的实验值；

确定光学测量体的动态参数的实验值相对理论值的误差，若误差小于预设误差，则选择光学测量体的动态参数的实验值作为光学测量体的动态参数；若误差大于预设误差，取光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的平均值，作为光学测量体的动态参数。

在一个实施例中，所述动态参数理论计算模型建立单元具体用于：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；所述基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数、常压工况下气体介质的折射率和高压工况下气体介质的折射率，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型。

在一个实施例中，所述动态参数理论计算模型建立单元具体用于：

按如下公式建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型：

ΔX＝X2-X1；

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

X1为常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

X2为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中的光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中的光线发散角半角β按如下公式确定：

n0sinα＝nsinβ；

其中，n0为常压工况下空气的折射率；

2α为常压工况下空气中光线发散角，°；

n为高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率。

在一个实施例中，所述动态参数实验计算模型建立单元具体用于：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；所述基本参数包括空气光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。

在一个实施例中，所述动态参数实验计算模型建立单元具体用于：

按如下公式建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型：

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

y为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

x为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，μm；

k为第一高压镜片内侧到第二高压镜片内侧的距离，为常数，k＝x+y，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中光线发散角半角β按如下公式确定：

其中，2H0为空气中光线焦点处的光斑大小，μm；

2H为入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小，μm；

2h为入射光在耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的光斑大小，μm。

在一个实施例中，该适用于高压工况的光学传感器配置装置还包括：

光学元件位置确定模块，用于确定光学传感器中光学系统中的光学元件的放置位置；

所述配置模块具体用于：

在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置配置适用于高压工况的光学传感器。

在一个实施例中，所述配置模块包括：

调整单元，用于在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，对单粒子气溶胶检测系统中的光学传感器进行调整；

或重建单元，用于在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，重建适用于高压工况的光学传感器。

在本发明实施例中，通过对光学测量体随气体压力变化的研究，建立了随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，可以确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数，然后在常压工况下，可以根据光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器，从而克服了目前在高压环境中调整或重建光学传感器的方法可行性差难以实现的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种适用于高压工况的光学传感器配置方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种光学系统的基本参数测量原理图；

图3是本发明实施例提供的一种理论计算模型几何关系原理图。

图4是本发明实施例提供的一种光学测量参数测量原理图；

图5是本发明实施例提供的一种实验计算模型几何关系原理图；

图6是本发明实施例提供的一种光学测量体的动态参数确定流程图；

图7是本发明实施例提供的一种光学系统焦点偏离方向示意图；

图8是本发明实施例提供的一种高压工况下光学系统焦点偏移重合示意图；

图9是本发明实施例提供的不同光学传感器在不同工况下对某一粉尘进行检测的结果示意图；

图10是本发明实施例提供的一种适用于高压工况的光学传感器配置装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中，利用单粒子气溶胶检测系统(包含常压工况下的光学传感器)对高压工况下的气溶胶进行检测，由于在光学传感器中入射光路的入射光的入射角和散射光接收光路的散射光接收角固定时，随着气体压力的变化光学测量体的位置、大小会发生变化，因此高压工况下采用常压工况下的光学传感器会导致测量结果不准确，而目前在高压环境中调整或重建光学传感器的方法可行性差，难以实现。基于此，本发明提出一种适用于高压工况的光学传感器配置方法及装置。

图1是本发明实施例提供的一种适用于高压工况的光学传感器配置方法流程图，由图1所示的流程可知，在本发明实施例中，该配置方法包括：

步骤101：建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型；光学测量体为单粒子气溶胶检测系统的光学传感器中的入射光路和散射光接收光路聚焦点的重合区域；

步骤102：利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数；光学测量体的动态参数包括高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量和高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量；

步骤103：在常压工况下，根据光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器。

具体实施时，在本例中，步骤101中建立的随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型有两种：一种是随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，另一种是随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。其中，随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型的建立步骤如下：

1)如图2所示，根据光学传感器的形式，利用光学仪器(具有测量光束光斑，光强等功能的仪器)测量光学传感器中光学系统的基本参数；其中，基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小2H0、常压工况下空气中光线发散角2α和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小2H等等；

当光学仪器不具有直接测量光线发散角功能时，光线发散角2α大小的计算方法具体如下：

测量光线焦点与聚焦透镜之间的任意两位置(距离为d)的光斑大小即2H1和2H2，由三角关系求得光线发散角半角α，公式如下：

当光学仪器具有直接测量光线发散角功能时，光线发散角大小采用光学仪器的测量结果。

2)根据光学传感器中光学系统的基本参数、常压工况下气体介质的折射率和高压工况下气体介质的折射率，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

具体实施时，该步骤包括：

21)根据常压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的温度、压力、密度等，高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的温度、压力、密度等，以及耐高压气溶胶导管内气体介质的临界压力，临界温度等，利用气体状态方程或者可靠经验公式求解高压工况下气溶胶导管内气体介质的状态参数，例如耐高压气溶胶导管内气体介质压缩因子Z和密度ρ等；

22)根据高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的状态参数以及常压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的光学参数(例如常压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率n1)，利用气体状态参数与折射率的关系求解高压工况下气溶胶导管内气体介质的光学参数，例如耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率n；

23)利用折射定律计算出高压工况下气溶胶导管内气体介质的光学参数变化量，如耐高压气溶胶导管内气体介质中光线发散角半角β，公式如下：

n0sinα＝nsinβ (3)

其中，n0为常压工况下空气的折射率；

2α为常压工况下空气中光线发散角，°；

n为高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率。

3)根据高压工况下气体介质中光线发散角半角β、常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型。

具体的，如图3所示，利用几何数学关系求解出不同高压工况下光学测量体相对于常压工况的位置的变化量ΔX和光斑大小的变化量ΔD，具体公式如下：

ΔX＝X2-X1 (4)

ΔD＝2ΔX·tanβ (5)

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

X1为常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片(玻璃视窗1)内侧的距离，μm；

X2为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°。

注：2H为入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片(玻璃视窗1)内侧的光斑大小；耐高压气溶胶导管中第二高压镜片即为玻璃视窗2。

其中，公式(4)和公式(5)即为建立的随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型。

其中，随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型的建立步骤如下：

1)如图2所示，根据光学传感器的形式，利用光学仪器(具有测量光束光斑，光强等功能的仪器)测量光学传感器中光学系统的基本参数；其中，基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小2H0、常压工况下空气中光线发散角2α和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小2H等等；

当光学仪器不具有直接测量光线发散角功能时，光线发散角2α大小的计算方法具体如下：

测量光线焦点与聚焦透镜之间的任意两位置(距离为d)的光斑大小即2H1和2H2，由三角关系求得光线发散角半角α，公式同样采用公式(1)和公式(2)。

当光学仪器具有直接测量光线发散角功能时，光线发散角大小采用光学仪器的测量结果。

2)根据光学传感器中光学系统的基本参数，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

具体实施时，该步骤包括：

21)如图4所示，将光学仪器固定在耐高压气溶胶导管中的玻璃视窗2的外侧，调整其与耐高压气溶胶导管的距离，使其能探测到完整的光斑；

22)利用光学仪器测量常压工况下玻璃视窗2外侧的光斑大小并记录；

23)改变耐高压气溶胶导管内部的气体压力，利用光学仪器(光斑测量仪器)测量该压力工况下玻璃视窗2外侧的光斑大小，并记录；

24)利用步骤22)和步骤23)的测量结果得到该步骤中该压力工况下玻璃视窗2内侧的光斑大小变化量ΔH；

24)如图5所示，利用几何数学关系求解出高压工况下气体介质中光线发散角半角β，其计算公式如下：

其中，2H0为空气中光线焦点处的光斑大小，μm；

2H为入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片(玻璃视窗1)内侧的光斑大小，μm；

2h为入射光在耐高压气溶胶导管中第二高压镜片(玻璃视窗2)内侧的光斑大小，h＝H-ΔH，μm。

3)根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。

具体的，如图5所示，根据图5中的三角形1和三角形2，利用几何数学关系求解出不同高压工况下光学测量体相对于常压工况的位置的变化量ΔX和光斑大小的变化量ΔD，具体公式如下：

或

或

ΔD＝2ΔX·tanβ (10)

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

y为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片(玻璃视窗1)内侧的距离，μm；

x为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片(玻璃视窗2)内侧的距离，μm；

k为第一高压镜片(玻璃视窗1)内侧到第二高压镜片(玻璃视窗2)内侧的距离，为常数，k＝x+y，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°。

其中，公式(7)至公式(10)即为建立的随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。

具体实施时，因为包括随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型和实验计算模型，所以步骤102中利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数，包括：

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，确定光学测量体的动态参数的理论值；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型，确定光学测量体的动态参数的实验值。

具体的，将理论值和实验值中的坏点剔除，所说的坏点是当采用分段公式计算时交接压力点处计算结果不吻合的理论值，或者是实验时由于压力波动或者其他不确定因素导致的不准确的实验值。

采用曲线拟合等拟合法获得光学测量体随压力变化的理论和实验关系曲线，并构造不同压力下光学测量体变化的实验和理论插值表；

利用上步插值表根据工况压力获得理论和实验动态模型计算值，确定光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的误差范围，误差计算公式如下所示：

其中，δ—理论值与实验值得计算误差，％。

若误差小于预设误差(比如10％)，则选择光学测量体的动态参数的实验值作为光学测量体的动态参数；若误差大于预设误差，取光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的平均值，作为光学测量体的动态参数，如图6所示。

具体实施时，在获得了光学测量体的动态参数之后，还需要根据几何光学理论，确定光学传感器中光学系统中的光学元件(可以包括聚焦透镜和光阑等等)的放置位置，然后进行步骤103，即在常压工况下，根据光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置配置适用于高压工况的光学传感器。根据实际情况，配置适用于高压工况的光学传感器包括两种情况，一种情况是光学传感器已经存在，只是不适用于高压工况，此时需要在常压工况下，根据光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，对单粒子气溶胶检测系统中的光学传感器进行调整。另一种情况是直接在常压工况下，根据光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，重建适用于高压工况的光学传感器。

具体的，在本例中，调整和重建光学传感器分为以下三种情况：

第一种：对常压工况下的异轴采光光学传感器中的入射光路和散射光接收光路整体进行调整，将两者的焦点偏离耐高压气溶胶导管中心ΔX距离，过程中光学系统的光学元件之间的放置位置固定不变。

第二种：在常压工况下对原光学传感器中的光学系统中的某个或者多个光学元件(聚焦透镜、光阑等)进行调整或更换。根据动态计算模型输出结果，利用空间成像原理以及几何光学理论获得所需光阑孔径大小以及光阑和聚焦透镜的放置位置，使得常压工况下入射光和散射光接收系统光路焦点偏离耐高压气溶胶导管中心ΔX距离。

第三种：在常压工况下重建入射光路和散射光接收光路并将两者进行组装。根据动态计算模型输出结果，利用几何光学理论获得光学系统的光学元件组合方式以及其放置位置，分别组建入射光路和散射光接收光路，并在常压工况下将两者的焦点偏离耐高压气溶胶导管中心ΔX距离。

现在以工况压力为5.87MPa，气体介质为氮气，异轴侧向采光角为90°为例进行说明：

1、利用动态计算模型计算高压工况下光学测量体位置变化量及光斑大小变化量。

11、建立理论动态计算模型：

a)测量光路基础参数。入射光焦点处的光斑大小为2H0＝235.6μm；入射光在玻璃视窗1内侧的光斑大小为2H＝566.9μm；测量入射光焦点与聚焦透镜之间的多个任意两位置入射光(距离为d)的光斑大小，利用三角关系求解出光线发散角半角并取平均值得α＝3.55°。

b)气体的常压工况与高压工况状态参数分别为：常压工况气体压力P0＝1.01×10⁵Pa，常压工况气体温度T0＝288.15k，高压工况气体压力P1＝5.87MPa，高压工况气体温度T1＝288.15k，临界气体压力Pc＝3.394MPa。利用气体状态方程或者可靠经验公式求解得高压工况气体压缩因子为Z＝0.58。

c)利用气体的状态参数以及常压工况下气体的光学参数，解得5.87MPa下气体的折射率n＝1.029417。

d)利用折射定律解得5.87MPa下光线发射角半角β＝3.45°；

e)利用几何数学关系及公式(4)和(5)解得ΔX＝179.5μm和ΔD＝21.3μm。

12、建立实验动态计算模型；

a)测量光路基础参数。入射光焦点处的光斑大小为2H0＝235.6μm；入射光在玻璃视窗1内侧的光斑大小为2H＝566.9μm；测量入射光焦点与聚焦透镜之间的多个任意两位置入射光(距离为d)的光斑大小，利用三角关系求解出光线发散角半角并取平均值得α＝3.55°。

b)常压工况与工况压力下光学测量仪器测量光斑变化量ΔH＝26.4μm；

c)利用三角关系求解工况压力下测量体到玻璃视窗1和玻璃视窗2的距离，即x和y。玻璃视窗1和2间距k＝x+y＝14.42mm，利用三角关系解得x＝7.01495mm；y＝7.40505mm。

d)利用公式(6)解得5.87MPa下光线发射角半角β＝2.96°；

e)利用公式或(7)或(8)和(9)或(10)解得ΔX＝195.1μm和ΔD＝20.2μm。

13、确定最终要用到的ΔX和ΔD的数值：

将理论和实验结果进行对比，利用公式(11)解得光学测量体偏移量误差δ(ΔX)＝7.99％，光学测量体光斑大小变化量误差δ(ΔD)＝7.09％。理论和实验计算结果误差范围在10％以内，因此取实验值(ΔX＝195.1μm和ΔD＝20.2μm)作为最终要用到的ΔX和ΔD。

2、适用于工况的光学传感器的调整：

根据光学测量体动态计算模型的计算结果ΔX＝195.1μm，将入射光路和散射光接收光路的焦点位置偏离耐高压气溶胶导管中心195.1μm，偏离方向为光学系统中聚焦透镜所在的方向(如图7所示)。这样在5.87MPa工况下，入射光路和散射光接收光路的焦点位置发生偏移并使光斑重合(如图8所示)，重合部分组成光学测量体。将调整或重装好的光学系统进行封装，安装耐高压气溶胶导管后可用于高压工况下气溶胶的检测。

在5.87MPa工况压力下分别采用装有耐高压气溶胶导管的适用于常压工况下光学传感器和本发明调整或重建的适用于高压工况的光学传感器对某一粉尘进行在线检测，以及在常压工况下采用适用于常压工况的光学传感器对该粉尘进行在线检测，三者的测量结果对比如图9所示。其中，1表示在常压工况下采用适用于常压工况的光学传感器对某一粉尘的检测结果；2表示高压工况下采用适用于常压工况的光学传感器对该粉尘的检测结果；3表示高压工况下采用调整后的适用于高压工况的光学传感器对该粉尘的检测结果。横坐标表示粒径大小(μm)，纵坐标表示每个粒径对应的粉尘个数占总粉尘个数的比例(粒径分级个数比dN/N)。从图9中可以发现，在高压工况下采用适用于常压工况的光学传感器检测结果表现出粉尘小粒径比例偏高大粒径比例偏少的特点，这与常压工况下检测的真实结果具有很大偏差。而在高压工况下采用调整后的适用于高压工况的光学传感器与常压工况下检测的真实结果吻合的很好，证明了测量体随气体压力变化的动态计算模型的准确性和可靠性，同时证明了这一通过此模型调整和重建适用于高压工况的光学传感器方法的可行性与可靠性。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种适用于高压工况的光学传感器配置装置，如下面的实施例所述。由于适用于高压工况的光学传感器配置装置解决问题的原理与适用于高压工况的光学传感器配置方法相似，因此适用于高压工况的光学传感器配置装置的实施可以参见适用于高压工况的光学传感器配置方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图10是本发明实施例的适用于高压工况的光学传感器配置装置的一种结构框图，如图10所示，包括：

动态参数计算模型建立模块1001，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型；光学测量体为单粒子气溶胶检测系统的光学传感器中的入射光路和散射光接收光路聚焦点的重合区域；

参数确定模块1002，用于利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数计算模型，确定高压工况下配置光学传感器所需的光学测量体的动态参数；光学测量体的动态参数包括高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量和高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量；

配置模块1003，用于在常压工况下，根据光学测量体的动态参数配置适用于高压工况的光学传感器。

下面对该结构进行说明。

具体实施时，动态参数计算模型建立模块1001包括：

动态参数理论计算模型建立单元10011，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型；

动态参数理论计算模型建立单元10011具体用于：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数、常压工况下气体折射率和高压工况下气体折射率，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型。

动态参数理论计算模型建立单元10011具体用于：

按如下公式建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型：

ΔX＝X2-X1；

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

X1为常压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

X2为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中光线发散角半角β按如下公式确定：

n0sinα＝nsinβ；

其中，n0为常压工况下空气的折射率；

2α为常压工况下光线空气中光线发散角，°；

n为高压工况下耐高压气溶胶导管内气体介质的折射率。

动态参数实验计算模型建立单元10012，用于建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型；

动态参数实验计算模型建立单元10012具体用于：

确定光学传感器中光学系统的基本参数；基本参数包括空气中光线焦点处光斑大小、常压工况下空气中光线发散角和入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小；

根据光学传感器中光学系统的基本参数，确定高压工况下气体介质中光线发散角半角；

根据高压工况下气体介质中光线发散角半角、高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离和高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型。

动态参数实验计算模型建立单元10012具体用于：

按如下公式建立随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型：

ΔD＝2ΔX·tanβ；

其中，ΔX为高压工况下光学测量体的位置相对于常压工况下光学测量体的位置的变化量，μm；

y为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的距离，μm；

x为高压工况下光学测量体距离耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的距离，μm；

k为第一高压镜片内侧到第二高压镜片内侧的距离，为常数，k＝x+y，μm；

ΔD为高压工况下光学测量体处的光斑大小相对于常压工况下光学测量体处的光斑大小的变化量，μm；

β为高压工况下气体介质中光线发散角半角，°；

高压工况下气体介质中光线发散角半角β按如下公式确定：

其中，2H0为空气中光线焦点处的光斑大小；

2H为入射光在耐高压气溶胶导管中第一高压镜片内侧的光斑大小，μm；

2h为入射光在耐高压气溶胶导管中第二高压镜片内侧的光斑大小，μm。

具体的，参数确定模块1002具体用于：

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数理论计算模型，确定光学测量体的动态参数的理论值；

利用随气体压力变化的光学测量体的动态参数实验计算模型，确定光学测量体的动态参数的实验值；

确定光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的误差，若误差小于预设误差，则选择光学测量体的动态参数的实验值作为光学测量体的动态参数；若误差大于预设误差，取光学测量体的动态参数的理论值和光学测量体的动态参数的实验值的平均值，作为光学测量体的动态参数。

具体实施时，该适用于高压工况的光学传感器配置装置还包括：

光学元件位置确定模块，用于确定光学传感器中光学系统中的光学元件的放置位置；

配置模块1003具体用于：

在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置配置适用于高压工况的光学传感器。

具体实施时，配置模块1003包括：

调整单元10031，用于在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，对单粒子气溶胶检测系统中的光学传感器进行调整；

或重建单元10032，用于在常压工况下，根据所述光学测量体的动态参数和光学元件的放置位置，重建适用于高压工况的光学传感器。

综上所述，本发明采用以上技术方案比现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明中提出的理论计算方法，能清楚地解释光学测量体随气体压力产生变化的原因，并建立了光学测量体随气体压力的动态理论计算模型。

2)本发明提出的实验测量方法，可实现在不同气体介质(氮气，空气，天然气等)压力下光学测量体变化量的测量，并建立了光学测量体随气体压力变化的动态实验计算模型。

3)通过理论计算和实验测量相结合，可验证光学测量体随气体压力变化的动态模型的准确性，通过判断两者计算值的误差大小择优选择模型的输出结果作为光学传感器调整或重建的参考依据。

4)根据理论和实验建立的动态计算模型和几何光学理论，可对常压工况下的异轴采光光学传感器入射光路和散射光接收光路整体进行调整，或在常压工况下重新组合光学元件或调整某一光学元件(聚焦透镜、光阑)来调整或重建适用于高压工况的光学传感器。采用适用于对应工况的光学传感器，有利于提高工况下气溶胶检测的精度，解决了由于光学测量体随气体压力变化产生的测量误差问题

5)该动态模型适用性广，在常压工况下，该方法可适用于光线发散角为0-90°范围内任意角度，散射光接收角为0-180°范围内任意固定角度，气体压力为12MPa以下任意工况的光学传感器的调整或重建。调整或重建后的光学传感器使用在高压工况环境下，入射光路和散射光接收光路的焦点将重合形成光学测量体，光学测量体大小最小为50×50×50μm³，可适用于气溶胶最大浓度为10⁶p/cm³时的检测需求。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。