[發明專利]一種多角度光學粒子計數和折射率在線測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202011561816.3
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112782121B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 桂華僑;申林;程寅;余同柱;王杰;伍德俠;陳大仁;劉建國;劉文清
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 顧煒

本發明公開了一種多角度光學粒子計數和折射率在線測量裝置及方法。所述裝置包括激光器、準直光路、散射光路、光電探測器及信號處理電路。準直光路包括非球面鏡和柱面鏡。散射光路包括反射鏡、二向色鏡和聚焦透鏡。采用兩路或多路激光器經準直系統準直后通過四個探測器收集前向、后向散射光實現顆粒物粒徑和折射率同步在線測量。本發明測量方法簡單、無需人工操作，可實現更寬粒徑范圍顆粒物粒徑與折射率準確測量，為大氣顆粒物物理化學性質實時在線測量提供了新方法。

技術領域

本發明涉及大氣顆粒物光學探測技術領域，具體涉及一種多角度光學粒子計數與折射率在線測量裝置及方法。

背景技術

大氣顆粒物是影響環境空氣質量的重要污染物之一；是影響地球大氣輻射平衡乃至全球氣候的關鍵所在；也是影響人體健康的主要危害因素之一。因此發展大氣顆粒物監測技術尤為重要。在這其中，顆粒物的粒徑分布是大氣顆粒物的重要特征，特別是數濃度的測量尤為重要，顆粒物濃度譜分布測量也是觀測大氣顆粒物特性的基礎。為了測量顆粒物數濃度譜分布，首先需要對顆粒物數濃度進行準確測量，多采用光學計數方法。其原理是利用光電探測器對顆粒物通過光束產生散射光信號進行測量，反演光信號便得到粒徑大小，同時通過巧妙設計顆粒物噴口，使顆粒物以單顆粒形式依次通過光束，對散射光信號的脈沖進行計數，反演得到顆粒物的數濃度。該方法測量準確、精度高、結構簡單和非接觸快速測量能力，逐漸成為粒子計數器的主流測量方法之一。

在過去三十年，光學粒子計數器技術發展迅速并已日趨成熟，向著微型、更高精度，更高效率、更高濃度的應用發展。美國TSI、Met?one、德國Grimm、日本加野等公司也相繼推出了商業化儀器。如美國Met?one公司通過對進氣口進行改進設計出100LPM大流量光學粒子計數器。進入21世紀以后，特別是2010年以后，無人機的出現推進了光學粒子計數器的發展進程。通過將光學粒子計數器搭載在無人機上，可以提供氣溶膠在整個大氣中更準確的分布信息，并且隨著技術的發展，科研人員開發了各種具有高性能和復雜性設計的光學粒子計數器來滿足大氣探測的需要，如2016年美國國家海洋和大氣管理局地球系統研究實驗室研究出的0.14微米探測下限、2016年法國奧爾蘭大學科研人員實現無透鏡光路粒徑測量的新型光學粒子計數器。這些技術的涌現推動了光學粒子計數在的進一步發展與應用。但目前大氣顆粒物的在線監測方面，光散射技術還存在以下問題與不足：(1)光學粒子計數可以實現大氣顆粒物的粒徑和數濃度測量，但難以實現大氣顆粒粒徑、折射率同步測量；(2)現有的光散射粒徑測量結果容易受到顆粒物折射率、粒子形狀等參數的影響，從而降低了粒徑測量的范圍與準確性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于光散射原理的多角度光學粒子計數和折射率在線測量裝置及方法，該裝置及方法能夠解決現有技術中存在的不足，實現粒徑和折射率的實時、非接觸測量。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：一種多角度光學粒子計數和折射率在線測量裝置，包括激光器、準直系統、散射系統、探測器、信號處理電路和計算機；兩路或多路激光器出射的激光經準直系統準直后入射到顆粒物上，共得到兩組前向10—30°、兩組后向150—170°共四組散射光，并通過反射鏡后經二向色鏡分光入射在四組探測器內；四組探測器將接收到的光信號I₁、I₂、I₃、I₄分別轉化為電信號并輸入到信號處理電路，由信號處理電路將信號變化量放大并將信號峰值P₁、P₂、P₃、P₄分別輸入計算機，計算機將峰值P₁、P₂、P₃、P₄與預先計算的數據庫中的數據進行實時比較，通過最小二乘法找到響應值最接近的四元組，便得到了待測粒子的大小、折射率實部虛部；所述準直系統設置有兩路或多路，包括非球面鏡、柱面鏡和光闌；所述非球面鏡、柱面鏡、和光闌同軸設置；

所述散射系統設置有兩路或多路，包括反射鏡、二向色鏡和聚焦透鏡；所述反射鏡包括前向反射鏡和后向反射鏡；