大气悬浮颗粒物的激光信号实时连续提取方法

摘要

本发明公开了一种大气颗粒悬浮物的激光信号实时连续提取方法，采用波长范围在650～675nm的红色半导体二极管激光器作为气溶胶粒子的散射光源，经准直透镜、旋光器调节，经柱面透镜A、柱面透镜B，在焦平面上成水平的扁长的光斑，柱面透镜B后放置钒酸钇晶体，得到两束能量相等的o光和e光，在激光探测区形成两个窄条形的光斑；大气气溶胶粒子一个一个先后通过这两个光斑；激光经气溶胶粒子散射，散射光由一半椭面镜收集，而获得两个强的散射峰，雪崩光电二极管收集到的信号传送到电学系统。本发明用于精确测量空气动力学直径0.5到10微米的粒子分布及具有生物特性粒子的含量。

说明书

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种大气悬浮颗粒物的信号采集方法。

背景技术

在环境受到污染的地方，人们呼吸时吸入的不是纯净的空气而是气溶胶，它对人们生活和健康有重要影响。大气气溶胶(Aerosols)是指悬浮在大气中的固体或者液体颗粒，平常所见到的一些现象，如：灰尘、熏烟、烟、雾、霾等都属于气溶胶的范畴。气溶胶对人体的危害强度主要依赖于其成分、浓度、来源和粒径。气溶胶颗粒尺寸的范围从0.001到100μm之间。不同尺寸气溶胶颗粒的性质往往差别很大，例如直径较大的粗颗粒在大气中的漂浮寿命很短，约为几个小时，而直径较小的细颗粒寿命则可达数天，并能飘移到数千公里以外的地方。粒子成分是主要的致病因子，决定是否有害和致何种疾病。一般而言，粒径大于30μm，的颗粒，进入下呼吸道的可能性很小，10-30μm，的颗粒绝大部分沉积在鼻腔，5-10μm，的颗粒可进入气管和支气管，只有小于5μm，的颗粒PM5才能进入到深部呼吸道和散布于肺泡上。显而易见，只有小于10μm，的粒子气溶胶才是最危险的。

已有技术中对粒子测量的气溶胶采样装置，是一种多级冲击器。该仪器主要基于惯性冲击原理对颗粒进行分离采集，可以在不同的收集级上得到不同粒径范围的颗粒。多级冲击器的一个重要参数就是各级的截止直径，它决定了每一级中可收集的颗粒范围。在理想情况下，当气溶胶通过每一级时，可以认为只有直径小于该级截止直径的颗粒才能通过，其它颗粒都将被收集；由于多级冲击器各级的截止直径从上到下是递减的，故每一级中所收集的颗粒范围就位于该级截止直径与上一级的截止直径之间。

采用这种方法很不利于连续数据采样，由于多级冲击器各级截止直径与工作时的气体质量流量有关，因此不同抽速的真空泵，其实验结果均不相同。后期测量数据将很不准确，其检测区间不细，同时测量结果不能实时监测观。

发明内容

本发明目的是提供一种大气悬浮颗粒物的激光信号实时连续提取方法，提取的信号经过处理后，可连续、实时、在线、同时检测、显示大气样品气溶胶粒子的空气动力学直径、各种粒径的粒子数。

本发明的技术实施方案是：

大气颗粒悬浮物的激光信号实时连续提取方法，包括：

(1)、采用波长范围在650～675nm的红色半导体二极管激光器作为气溶胶粒子的散射光源，经准直透镜准直后的激光正入射到旋光器上，通过旋光器调节出射激光的偏振方向，以满足钒酸钇双折射晶体对偏振方向的要求；扩束后的平行光经柱面透镜A后在垂直方向光斑不变，水平方向将压窄，随后柱面透镜B水平放置，光束水平方向不变，垂直方向压窄，将柱面透镜B放置在柱面透镜A的焦点内，在焦平面上成水平的扁长的光斑，垂直方向光斑呈高斯分布，改变柱面透镜A、B之间的距离可改变在焦平面光斑水平大小，调节柱面透镜的位置，可改变光斑的尺寸及其位置；柱面透镜B后放置钒酸钇晶体，利用钒酸钇晶体的偏振特性，调节入射激光的偏振方向，可得到两束能量相等的o光和e光，在激光探测区形成两个窄条形的光斑；

(2)、大气气溶胶粒子一个一个先后通过这两个光斑；

(3)、激光经气溶胶粒子散射，散射光由一半椭面镜收集，而获得两个强的散射峰，雪崩光电二极管收集从椭面镜散射出的散射光，雪崩光电二极管收集到的信号传送到电学系统；

(4)、陷光器用来吸收红色的激光，消除光噪声；

探测区与光学通道和探测器用窗口隔离并密封，避免外界杂散物进入探测区而影响信号。

所述的提取方法，其特征是二极管激光器输出功率不小于28mW，功率起伏小于±2％，用准直透镜准直后，获得光束发散角小于5毫弧度，光斑尺寸大约为3mm，发散角为2mrad的输出激光。

所述的提取方法，其特征是探测区在激光探测区形成两个窄条形的光斑，光斑尺寸约为1.2×0.12mm²，两光斑在焦点处中心间距约为0.1mm。

所述的提取方法，其特征是椭面镜的口径约为50mm。

所述的提取方法，其特征是大气气溶胶粒子一个一个先后通过这两个光斑是通过以下方法实现：设置一个进样管道，进样管道由内外两层同轴的两个管道组成，内外管出口均有一锥形小孔，垂直间距0.75mm，内管通过样品流，内、外管之间通过壳流，壳流为经过过滤的纯净气体，样品流为被测样气，维持壳流的流量与样品流量比恒定，壳流与样品流分别均由泵送气。

所述的提取方法，其特征是总流量保持5±0.1L/min的恒定流量，保持壳流量在5±0.1L/min，样流量在1±0.2L/min，探测区的压力低于环境气体压力约90Torr，进样通道出口处的气体速度约为每秒数百米。

本发明功能先进，适应于进行室内或野外操作。可以用于精确测量空气动力学直径0.5到10微米的粒子分布及具有生物特性粒子的含量。可以连续、实时、在线检测并同时显示、成组记录大气气溶胶粒子的空气动力学直径、粒谱分布和各类粒子的总数。

附图说明

图1为本发明进样通道结构示意图。

图2为本发明光路结构示意图。

图3为本发明散射光收集结构示意图。

图4为本发明进样通道结构图。

图5为本发明装置结构图。

图6为本发明样品流、壳流控制电原理图。

图7为本发明压力传感器电路框图。

图8为本发明真空泵控制框图。

图9为本发明APD检测处理电路。

图10为本发明信号处理电路。

具体实施方式

参见附图。

本发明涉及三个方面的内容：1、进样与流动系统，吸取气溶胶样品，产生准直粒子流；2、光学测量系统，形成适合粒径及测量的聚焦光斑；3、电信号处理系统，处理光电信号，气流控制电路。

本发明的主要完成的技术指标：1、测量粒径范围：0.5~10微米。2、粒子类型：固体和非挥发性的液体粒子。3、最大粒子浓度：0.5微米：在浓度为1500个/cm3粒子重合率小于10％；10.0微米：在浓度为600个/cm3粒子重合率小于10％。4、流量速率：气溶胶样品：1.0±0.2L/Min，壳流：4.0±0.1L/Min，总气流：5.0±0.1L/Min。6、流量控制：通过总流量和壳流的反馈控制内置无刷直流泵。7、工作温度：10~35℃。8、工作湿度：0~95％RH。8、激光光源：二极管激光器(红色)：30mW，675nm、UV激光光源：2kHz，30μJ/脉冲。9、光学检测器：雪崩光电检测器(APD)，10、仪器电源：220VAC，50Hz，最大6A。

进样与气流系统：

空气经过空气动力学10μm采样切割头采样，进入采样通道。样品分为两股，一部分样品流(样流)经过内管而进入散射光收集腔进行飞行时间的测量，另外一部分(壳流)则经壳流泵从外管流过，两股气体再经总流泵抽出仪器。确保了大气悬浮颗粒物样品在动力学上是相等的。壳流部分流量由壳流泵控制，系统软件通过读取压力传感器的值对壳流进行闭环控制，控制其流速保持均衡。样流的样品离开喷嘴后，就进入散射光收集腔进行粒子运动速度和散射光强度测量。壳流泵和样流泵的进气出气口均有过滤装置，进气端过滤装置用以保护泵体免受污染，而出气端过滤装置可以防止泵内不洁物污染气流。通过软件控制以达到腔体气压低于环境气压约90Torr，确保空气中的气溶胶粒子一个一个进入喷嘴区，软件同时控制系统总流量为保持5±0.1L/min的恒定流量，同时控制壳流泵以保持壳流在5±0.1L/min，使得样流稳定在1±0.2L/min的流量，确保测量的准确性。

单个气溶胶粒子通过喷嘴加速区，进入测量区。粒子一离开喷嘴，就进入两束有部分重叠的红色激光束中。这两束激光与粒子作用，就会产生一个与每个粒子飞行时间有关的散射双峰信号。通过测量双峰信号的峰峰时间，可得到每个气溶胶粒子的空气动力学直径，而散射双峰的强度值也可用来粒子的其他性质。散射光用雪崩光电二极管来探测。

上端是气溶胶进样管道，供含有气溶胶粒子的气体(通常为大气)进入，或与气溶胶发生器等系统连接。该进样管道由内外两层同轴的两个管道组成，内外管出口均有一锥形小孔，垂直间距0.75mm(设计将采用导电材料制造，以减少静电造成的粒子损失)。此结构内层为样品流(Sample Flow)，外部为壳流(Sheath Flow)。外管上端侧面由一无刷直流泵抽取，经过两个过滤器，将气流中携带的气溶胶粒子全部去除，最终形成无颗粒的纯净气体(即壳流)，再送回外管的下端，上下两部分由O圈隔离。在壳流流经的管道中置一小孔，由一压力传感器监测其两端的压差，并据此控制壳流泵的抽速，以校正气压(在400mbar和1030mbar之间自动校正，也可以手动校正)。工作时，维持壳气流的流量占总流量的80％左右，通常为4L/Min，其他的20％由内管道中流动的样品流供给，通常为1L/Min。

散射光收集腔底部正对进气口处的输出导管，其后接有过滤器(防止泵运转时产生的油蒸汽污染腔体及管道)及另一无刷直流泵(总流泵)，配合另外两个压力传感器(总压力差及绝对压力)，确保系统的总流量为5L/Min，并保持检测腔中的压力低于环境气体压力约90Torr，这时进样管出口处的气体速度约为每秒数百米。

绝对压力传感器则用来修正因外界环境压力变化(如因海拔高度改变导致的大气压的变化)对测量带来的影响。

在以上的设计条件下，当采样的气溶胶气体由喷口刚进入检测腔时，呈稳定加速状态的。气溶胶粒子随气体分子加速，由于其质量不同而具备的惯性不同，小粒子得到较大的速度，而较大的粒子却得到较小的速度。根据粒子飞行一定距离所用的时间，就可测出其粒径。

在加速气流中得到的气溶胶粒径即是空气动力学粒径。空气动力学粒径信息是很重要的，因为它直接与人类呼吸系统中气溶胶行为有关。

壳气流的另一个重要作用是将气溶胶粒子限定在气流中心(聚焦作用)，对后面粒径探测非常有利。

粒径测量区在进样系统喷口正下方，约0.5mm距离，太大的距离会减小粒子检测效率，太小则会在腔内产生过多的杂散光。

光学测量系统：

光学元件的设计分述如下：

1、激光器光源

系统采用波长范围在650～675nm的红色半导体二极管激光器作为气溶胶粒子的散射光源，采用自行设计的高精度恒流恒功率电流源驱动，以保证单横模半导体二极管激光器的功率稳定，激光器输出功率不小于28mW，功率起伏小于±2％，二极管激光器先用准直透镜准直，光束发散角小于5毫弧度，光斑尺寸大约为3mm。

2、准直透镜

选择适当的准直透镜以获得光斑直径为3mm，发散角为2mrad的输出激光。

3、旋光器

准直后的激光正入射到旋光器上，通过旋光器调节出射激光的偏振方向，以满足方解石双折射晶体对偏振方向的要求。

4、柱面透镜A、B

扩束后的平行光经柱面透镜A后在垂直方向光斑不变，水平方向将压窄，随后柱面透镜B水平放置，光束水平方向不变，垂直方向压窄，由于柱面透镜B放置在柱面透镜A的焦点内，因此在焦平面上成水平的扁长的光斑，垂直方向光斑呈高斯分布，改变柱面透镜A、B之间的距离可改变在焦平面光斑水平大小，调节柱面透镜的位置，可改变光斑的尺寸及其位置。

5、钒酸钇晶体

利用钒酸钇晶体的偏振特性，调节入射激光的偏振方向，可得到两束能量相等的o光和e光。选用不同厚度的钒酸钇晶体，可以调整两束光斑之间的距离。

6、探测区

红色半导体二极管激光经光学系统整形后，在探测区形成两个窄条形的光斑，光斑尺寸约为1.2×0.12mm²，两光斑在焦点处中心间距约为0.1mm，气溶胶粒子将先后通过这两个光斑而获得两个强的散射峰，由此测量出粒子的飞行时间，计算出粒子的粒径。探测区与光学通道和探测器用窗口隔离并密封，避免外界杂散物进入探测区而影响信号。

7、光陷阱

陷光器用来吸收红色的激光，消除光噪声。

8、探测区

二极管激光经气溶胶粒子散射，散射光由一半椭面镜收集，其口径约为50mm。雪崩光电二极管(APD)设在椭面镜的反射光的焦点处或附近，粒子流与红光在交汇处发生散射，散射到椭面镜上，椭面镜的反射光由雪崩光电二极管接收。

电信号处理系统：

飞行时间散射光强度接收电路

光电探测器采用快速雪崩光电二极管(APD)，它具有响应速度快，噪声低的优点，其输出电信号经两路不同量值的取样电阻取样，取样后的信号经两路不同增益的放大器进行放大，缓冲后获得两路不同增益的信号送往后续飞行时间和散射光强度处理电路。两路不同增益的信号分别对应于不同粒径的粒子散射光。信号产生后进入前置放大、信号处理延时等电路。

通过处理系统对其APD检测双峰信号进行连续实时处理显示，故而可实时显示粒径大小、数量、浓度的曲线图。

进样与气流控制电路

气流控制电路主要是通过压力传感器获取壳流和总流量的动态压强而得到气溶胶粒子和壳流气体的流速。微控制器在通过获得总流量、壳流流量及绝对流量后，采取闭环控制壳流泵和总流量泵的流速来达到控制通过喷嘴流出并穿过激光检测腔的气溶胶粒子的流速。气溶胶样本气流：1.0±0.22L/min，壳流(气套气流)：4.0±0.1L/min，总气流为：5.0±0.1L/min。当气溶胶粒子粒径为0.5μm时，最大检测浓度为1500个/cm³，粒径为10.0μm时，最大检测浓度为600个/cm³，要求粒子重合率小于10％，

压力传感器接成电桥形式，其输出接入差分放大器，这种处理方式有利于减小环境温度、湿度和噪声的影响。传感器采用高精度稳压器输出DC10V供电。参见图。

真空泵的控制框图参见图8。

微机送出的数字电路经D/A转换器后形成模拟信号，该信号经缓冲隔离放大后送入功率推动器去推动真空泵，其排气速度与微机送出的数字信号成正比。