基于粒子衍射和散射的气溶胶折射率测量装置

摘要

本发明公开了一种基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量装置，包括散射腔，所述散射腔设有空气入/出射口、光束入/出射口，空气入/出射口的轴心连线位于散射腔的垂直面上，空气出射口设有抽气装置；光束入射口位于散射腔的水平直径上，并设置有光源，光束出射口设有一个衍射光信息测量口及至少两个散射光信息测量口，分别安装有光电探测器；所述光电探测器接收衍射光和散射光信息并转化为相应的电信号，不同角度的散射光电信号与粒子衍射信息经处理后，同时输入数据处理计算机。本发明利用粒子光衍射和散射信息同时测量粒子浓度和折射率，从而对空气中气溶胶颗粒物粒子进行实时在线测量，具有原理简单，操作方便，检测速度快的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及大气测量领域，特别是涉及一种基于粒子衍射和散射的气溶胶折射率测量装置。

背景技术

大气气溶胶粒子尤其是污染颗粒物是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气颗粒物粒子的存在直接影响了光在大气中的传播，造成光在大气中的衰减。近几十年来随着工业经济的迅速发展，大气污染问题变得越来越严重，气候变得也越来越复杂，空气中的颗粒物给人们的身体健康带来了严重的危害。颗粒物的浓度直接反映了大气的污染程度，颗粒物污染造成低能见度，细粒子进入肺部损害健康，颗粒物微物理参数的测量是认识其污染变化特点直至制定治理措施的基础。因此，研究气溶胶颗粒物粒子大小和折射率的测量新方法有着重要的科学意义，对大气污染物的监测和治理有着重要的实际应用价值。

大气中的污染颗粒物主要集中在近地面边界层内，由于地理位置、环境和气象条件的变化，气溶胶的化学成分较为复杂，由于除含有沙尘、矿物质、烟灰、沥青和煤烟等成分外，还常含有硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐和碳酸盐等。不同地区颗粒物微物理参数时空变化差异很大，因此，许多研究人员对颗粒物浓度和折射率的测量方法进行了研究。目前直接测量颗粒物浓度特性的方法有很多，例如显微镜法、质谱法，但是可以同时测量粒子浓度和折射率的方法和测量装置还未见报道，因此研究同时测量粒子浓度和折射率的测量方法是一项很有意义和迫切需要的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量装置，利用粒子光衍射和散射信息同时测量粒子浓度和折射率，从而对空气中气溶胶颗粒物粒子进行测量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量装置，包括散射腔，所述散射腔设有空气入/出射口、光束入/出射口，空气入/出射口的轴心连线位于散射腔的垂直面上，空气出射口设有抽气装置；光束入射口位于散射腔的水平直径上，并设置有光源，光束出射口设有一个衍射光信息测量口及至少两个散射光信息测量口，分别安装有光电探测器；

所述光电探测器接收衍射光和散射光信息并转化为相应的电信号，所述衍射光反映气溶胶粒子的粒径分布信息，散射光反映气溶胶粒子的散射信息，不同角度气溶胶粒子的散射光反映了粒子的散射和吸收特性；不同角度的散射光电信号和粒子衍射信息经处理后同时输入数据处理计算机。

在本发明一个较佳实施例中，所述光源与散射腔之间设有照明透镜。

进一步的，所述光源采用激光器。

在本发明一个较佳实施例中，所述衍射光信息测量口处安装的光电探测器为环形探测器。

在本发明一个较佳实施例中，所述散射光信号测量口与光电探测器之间设有接收透镜。

进一步的，所述接收透镜与散射腔的光轴之间的夹角范围为30—90°。

在本发明一个较佳实施例中，所述数据处理计算机输出的信息包括大气气溶胶粒子的谱分布、折射率实部和虚部、气溶胶的项函数、单次散射反照率、大气能见度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用粒子光衍射和散射信息同时测量粒子浓度和折射率，从而对空气中气溶胶颗粒物粒子进行测量，基于光与粒子相互作用，通过检测气溶胶粒子的衍射光和多角度散射光信息，得到粒子的粒径大小和折射率参数；

(2)本发明直接测量粒子对光的衍射和散射效应，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，可以同时对粒子大小浓度和折射率进行连续地实时在线测量，并且气溶胶粒子折射率探测灵敏度高，检测速度快；

(3)本发明原位测量，最大限度地反映了空气中颗粒物的原有状态；

(4)本发明同时测量粒子衍射光和不同角度的散射光，得到大气气溶胶粒子的谱分布，折射率实部和虚部；还可以根据用户需要扩展功能，例如可以输出气溶胶的散射项函数、单次散射反照率以及大气能见度等参数；

(5)本发明具有原理简单，操作方便，检测速度快的特点，为环保部门对大气气溶胶粒子特征的定量化监测，展示了很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量装置一较佳实施例的测量原理图。

附图中各部件的标记如下：1、光源，2、散射腔，3、衍射光信息测量口，4、散射光信息测量口，5、空气入射口，6、空气出射口，7、光束入射口，8、光束出射口，9、光电探测器，10、照明透镜，11、接收透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量装置，包括散射腔2，所述散射腔2设有空气入/出射口、光束入/出射口。空气入/出射口的轴心连线位于散射腔2的垂直面上，空气出射口6设有抽气装置；光束入射口7位于散射腔2的水平直径上，并设置有光源1，光束出射口8设有一个衍射光信息测量口及至少两个散射光信息测量口，分别安装有光电探测器9；所述光电探测器9接收衍射光和散射光信息并转化为相应的电信号，所述衍射光反映气溶胶粒子的粒径分布信息，散射光反映气溶胶粒子的散射信息，不同角度气溶胶粒子的散射光反映了粒子的散射和吸收特性；不同角度的散射光电信号与粒子衍射信息经处理(利用米散射程序计算)后，同时输入数据处理计算机(图中未示出)。该测量装置能够同时测量粒子的衍射信息和不同散射角的散射光信息，采用衍射光信息来确定粒子的大小，采用散射光信息来确定粒子的折射率。整个装置可以采用市电供电，也可以采用电池供电，要求电源稳定输出。

在一个实施例中，所述散射腔2选用空心圆柱形腔的铸铝制作，由两个半圆柱腔组成，通过密封圈和一系列螺丝固定在一起，两个半圆柱接合面与水平方向垂直。腔内哑光处理，本示例中选用化学发黑处理。进一步的，用螺丝固定两个圆柱形散射腔2保证其相对密封，将散射腔2固定在高度和承重量合适的稳定支架上，使得所测空气样品出口处的气阀和气流管道方便调节，保证样品入、出口的轴心连线垂直于水平面。优选的，散射腔2安装在无遮挡的区域，使得空气入/出射口处气流方便进入和排出，保证空气中的粒子入、出口的轴心连线垂直于散射腔2水平面；调整散射腔2的空气入射口5，不要对着空调、烟囱等出风口，空气出射口6不要被物体遮挡，严禁使用物体堵塞进气口。

优选的，所述光源1采用激光器，光源1与散射腔2之间设有照明透镜10。所述衍射光信息测量口处安装的光电探测器9为环形探测器。

所述散射光信号测量口与光电探测器9之间设有接收透镜11，接收透镜11与散射腔2的光轴之间的夹角范围为30—90°。采用多角度探测散射光信息，可以尽可能多地获取粒子的光学特征；采用垂直角度接收和前后向接收散射光的方式，有效较小杂散光的干扰。

该装置利用粒子光衍射和散射信息测量同时测量粒子浓度和折射率，从而对空气中气溶胶颗粒物粒子进行测量，因而建立了基于粒子光衍射和散射的气溶胶折射率测量新方法，基于光与粒子相互作用，通过检测气溶胶粒子的衍射光和多角度散射光信息，得到粒子的粒径大小和折射率参数，如下：

(1)建立了某一波段气溶胶粒子大小和衍射信息之间的定量关系公式：

式中，θ为p点(p点为环形探测器上的某一点)处的散射角，r为粒子到衍射环的直线距离，J

(2)建立了某一波段气溶胶粒子的散射信息、粒子直径(d)和折射率(m)和i

式中，λ光源发光波长，γ和β分别是照明透镜和接收透镜张角的一半，ψ是照明透镜和接受透镜光轴的交角，θ是散射角变量，

本发明直接测量粒子对光的衍射和散射效应，测量数据反映了真实的大气状况，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，可以同时对粒子大小浓度和折射率进行连续的实时在线测量；同时本发明还是原位测量，最大限度地反映了空气中颗粒物的原有状态，气溶胶粒子折射率探测灵敏度高，检测速度快。数据处理计算机可以同时输出大气气溶胶粒子的谱分布、折射率(m)实部和虚部，可以输出气溶胶的项函数、单次散射反照率以及大气能见度等参数(项函数、反照率和能见度可采用米散射软件计算得到的)。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。