CN107747911A - 一种大气颗粒物特殊形貌识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气颗粒物特殊形貌识别装置，包括有激光器、偏振片、孔径光阑、采光双凸透镜、视场光阑、检偏器及探测器，偏振片设于激光器的正前方，孔径光阑设于偏振片的前方，在偏振片与孔径光阑之间设有平凸柱面透镜，在孔径光阑前方设有光陷阱；采光双凸透镜倾斜设置于孔径光阑前方的侧面，视场光阑设于采光双凸透镜形成的光路正前方，在视场光阑的光路前方设有准直平凸透镜，在准直平凸透镜的光路前方设有检偏器；探测器连接检偏器。本发明通过采用激光器作为光源，并设计特殊的光路散射测量结构，在探测器配合下，可以原位无损状态下快速识别大气中的球形、椭球形、柱形等特殊形貌颗粒物，且成本低、操作方便。

Description

一种大气颗粒物特殊形貌识别装置

技术领域

本发明涉及仪器设备技术领域，具体是涉及一种用于大气颗粒物检测的识别装置。

背景技术

颗粒物是大气污染的主要成因，随着大气污染问题日益突出，大气中的颗粒物成为国内外学术界研究的重点。目前，对大气颗粒物的研究主要集中在其理化特征之上，比如颗粒大小、形貌、颜色、表面特征、化学成分、光散射和吸收等。研究人员通过颗粒物的以上特征，研究颗粒物形成、迁移、二次化学反应等过程，并解析不同污染源对污染物的贡献情况。

形貌特征是颗粒物分析的重要组成部分。目前常用的方法是显微成像法，该方法借助光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等设备对颗粒物进行显微观察以获取其形貌特征。当前，研究人员正尝试建立基于污染来源的单颗粒特征谱库，而形貌谱库是其中重要部分。形貌谱库的建立，在很大程度上依赖于对海量样本颗粒物形貌信息的采集，这就对颗粒物形貌信息采集的速率和成本提出了极高的要求。显微成像法能够获取颗粒物的形貌，是当前颗粒物形貌分析的主要手段。但是该方法分析时间较长，费用昂贵，对操作人员技术要求较高，因此受到了很大的制约。显微成像法一般需要使用滤膜手动采集颗粒物样本，大量颗粒物样本沉积在滤膜上，极易发生颗粒物重叠，以及碰撞导致颗粒物形貌发生变化等现象，因此对获取单颗粒物的形貌造成了很大的影响。

近年来，清华大学马辉课题组通过理论研究发现，不同形貌颗粒物，其散射光的偏振特征不同，并提出利用散射偏振指标来表征颗粒物特殊形貌的方法。因此，利用偏振测量方法检测颗粒物的形貌特征成为可能，为此需要有专门的大气颗粒物特殊形貌识别的装置

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种结构简单、操作方便、识别速度快、成本低、利用偏振测量技术实现大气颗粒物特殊形貌识别的装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：包括有激光器、偏振片、孔径光阑、采光双凸透镜、视场光阑、检偏器及探测器，偏振片设于激光器的正前方，孔径光阑设于偏振片的前方，在偏振片与孔径光阑之间设有平凸柱面透镜，在孔径光阑前方设有光陷阱，光陷阱、孔径光阑、平凸柱面透镜及偏振片的中心与激光器的发光中心对齐；采光双凸透镜倾斜设置于孔径光阑前方的侧面，其位于孔径光阑前方因激光照射颗粒物而产生散射光线的光路上，视场光阑设于采光双凸透镜形成的光路正前方，在视场光阑的光路前方设有准直平凸透镜，在准直平凸透镜的光路前方设有检偏器，检偏器、准直平凸透镜、视场光阑及采光双凸透镜的中心相互对齐，形成的中心连接线与光陷阱和采光双凸透镜形成的中心连接线构成一大于0度而小于90度的测量夹角θ，即测量角度为侧向设置；通过采光双凸透镜、视场光阑设计组合，能够有效降低杂散光进入探测器，提升测量信噪比；探测器连接检偏器，且探测器连接有数据采集与处理模块。

进一步地，所述测量夹角θ为侧向85度，为了降低平均效应可能带来的测量误差，采光双凸透镜的接收角为±4度以内。

进一步地，为保证探测灵敏度与一致性，探测器中设有四个同规格的硅光电倍增管，且探测器整体置于具有温度控制功能、可将探测器环境温度控制在0±0.1度范围内的恒温箱中，这是因为硅光电倍增管灵敏度很高，接近真空光电倍增管，其缺点是噪声水平较高，噪声受温度影响较大。因此，测试中需要将硅光电倍增管控制在稳定的低温度范围内，以降低探测器暗噪声，提高颗粒物粒径探测极限；探测器通过传光光纤束连接检偏器。

优选地，所述检偏器为空间四象限检偏器，四象限中安装的都是偏振片，其中，偏振片P₁、P₄是水平线偏振片，偏振片P₂、P₃是垂直线偏振片。

优选地，根据理论计算结果，偏振片采用水平线偏振片。

优选地，所述激光器为532nm的全固态激光器，功率稳定，准直度高。

平凸柱面透镜的凸面朝向激光器一侧，可在竖直方向上对激光进行一维压缩以提高光功率密度。平凸柱面透镜在竖直方向上对激光进行一维压缩，不仅可以提高光敏区的光功率密度，同时可以增强光敏区光功率的均匀度，光敏区中心点位于平凸柱面透镜的焦点位置。

入射激光经过水平线偏振片，实现入射光的水平线偏振起偏，颗粒物快速通过入射光光敏区，发生散射，散射光经过采光双凸透镜组，进入空间四象限检偏器，通过光纤束被探测器模块捕获，数据采集和处理模块将偏振信号进行处理和分析，根据实测值与理论计算值进行对比，从而判断颗粒物的形貌。

步骤如下：

第一步：准直激光经过水平线偏振片后，起偏成为水平线偏振激光；

第二步：颗粒物单个通过线偏振激光束光敏区，产生脉冲散射光；

第三步：探测器的4个硅光电倍增管同时测得信号峰值P₁、P₂、P₃、P₄；

第四步：计算偏振指标K2＝(P₁+P₄-P₂-P₃)/(P₁+P₂+P₃+P₄)，根据K2指标大小判断颗粒物是否圆形、长条形或者其它形状。

本发明通过采用激光器作为光源，并设计特殊的光路散射测量结构，在具有四个同规格硅光电倍增管的探测器配合下，利用偏振测量技术可以原位无损状态下快速识别大气中的球形、椭球形、柱形等特殊形貌颗粒物，粒径检测范围0.5um-10um，而且具有成本低、操作方便等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为四象限检偏器结构示意图，P1和P4为水平线偏振片，P2和P3位垂直线偏振片，每一块偏振片的出射光都通过一根独立的光纤束进入探测器进行检测；

图3为柱形、球形、椭球形颗粒物K2指标理论与实测值对比示意图。

图中，1为激光器，2为偏振片，3为平凸柱面透镜，4为孔径光阑，5为采光双凸透镜，6为视场光阑，7为准直平凸透镜，8为四象限检偏器，9为传光光纤束，10为探测器，11为数据采集与处理模块，12为光陷阱，13为硅光电倍增管，14为颗粒物。

具体实施方式

作为一种实施例，参照图1和图2，所述大气颗粒物特殊形貌识别装置，包括有激光器1、偏振片2、孔径光阑4、采光双凸透镜5、视场光阑6、检偏器及探测器10，偏振片2设于激光器1的正前方，孔径光阑4设于偏振片2的前方，在偏振片2与孔径光阑4之间设有平凸柱面透镜，在孔径光阑4前方设有光陷阱12，光陷阱12、孔径光阑4、平凸柱面透镜及偏振片2的中心与激光器1的发光中心对齐；采光双凸透镜5倾斜设置于孔径光阑4前方的侧面，其位于孔径光阑4前方因激光照1射颗粒物14而产生散射光线的光路上，视场光阑6设于采光双凸透镜5形成的光路正前方，在视场光阑6的光路前方设有准直平凸透镜7，在准直平凸透镜7的光路前方设有检偏器，检偏器、准直平凸透镜7、视场光阑6及采光双凸透镜5的中心相互对齐，形成的中心连接线与光陷阱和采光双凸透镜形成的中心连接线构成一85度的测量夹角θ，即测量角度为侧向设置；通过采光双凸透镜5、视场光阑6、准直平凸透镜7的设计组合，能够有效降低杂散光进入探测器10，提升测量信噪比；探测器10通过传光光纤束9连接检偏器，且探测器10连接有数据采集与处理模块11。

采光双凸透镜5的接收角为±4度以内。

所述探测器10中设有四个同规格的硅光电倍增管13，且探测器10整体置于具有温度控制功能、可将探测器环境温度控制在0±0.1度范围内的恒温箱(未图示)中，以降低探测器10的暗噪声，提高颗粒物探测极限；探测器通过传光光纤束连接检偏器。

所述检偏器为空间四象限检偏器8，四象限中安装的都是偏振片，其中，偏振片P₁、P₄是水平线偏振片，偏振片P₂、P₃是垂直线偏振片。

所述偏振片2为水平线偏振片。

所述激光器1为532nm的全固态激光器，功率稳定。

平凸柱面透镜3的凸面朝向激光器1一侧，可在竖直方向上对激光进行一维压缩以提高光功率密度。平凸柱面透镜3在竖直方向上对激光进行一维压缩，不仅可以提高光敏区的光功率密度，同时可以增强光敏区光功率的均匀度，光敏区中心点位于平凸柱面透镜3的焦点位置。

入射激光经过水平线偏振片2，实现入射光的水平线偏振起偏，颗粒物快速通过入射光光敏区，发生散射，经过采光双凸透镜组，进入空间四象限检偏器8，通过光纤束9被探测器10模块捕获，数据采集和处理模块将偏振信号进行处理和分析，根据实测值与理论计算值进行对比，从而判断颗粒物的形貌。

步骤如下：

第一步：准直激光经过水平线偏振片后，起偏成为水平线偏振激光；

第二步：颗粒物14单个通过线偏振激光束光敏区，产生脉冲散射光；

第三步：探测器10的4个硅光电倍增管13同时测得信号峰值P₁、P₂、P₃、P₄；

第四步：计算偏振指标K2＝(P₁+P₄-P₂-P₃)/(P₁+P₂+P₃+P₄)，根据K2指标大小判断颗粒物是否球形、椭球形、长条形或者其它形状，参照图3。

上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：包括有激光器、偏振片、孔径光阑、采光双凸透镜、视场光阑、检偏器及探测器，偏振片设于激光器的正前方，孔径光阑设于偏振片的前方，在偏振片与孔径光阑之间设有平凸柱面透镜，在孔径光阑前方设有光陷阱，光陷阱、孔径光阑、平凸柱面透镜及偏振片的中心与激光器的发光中心对齐，平凸柱面透镜的凸面朝向激光器一侧；采光双凸透镜倾斜设置于孔径光阑前方的侧面，其位于孔径光阑前方因激光照射颗粒物而产生散射光线的光路上，视场光阑设于采光双凸透镜形成的光路正前方，在视场光阑的光路前方设有准直平凸透镜，在准直平凸透镜的光路前方设有检偏器，检偏器、准直平凸透镜、视场光阑及采光双凸透镜的中心相互对齐，形成的中心连接线与光陷阱和采光双凸透镜形成的中心连接线构成一大于0度而小于90度的测量夹角θ；探测器连接检偏器，且探测器连接有数据采集与处理模块；颗粒物通过激光的区域为光敏区，光敏区位于平凸柱面透镜的焦点处位置；采光双凸透镜的像点位置与准直平凸透镜的焦点重合，视场光阑位于双凸透镜像点与平凸透镜焦点重合位置中心处；

入射激光经过水平线偏振片，实现入射光的水平线偏振起偏，颗粒物快速通过入射光光敏区，发生散射，散射光经过采光双凸透镜组，进入空间四象限检偏器，通过光纤束被探测器模块捕获，数据采集和处理模块将偏振信号进行处理和分析，根据实测值与理论计算值进行对比，从而判断颗粒物的形貌。

2.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：所述测量夹角θ为85度，采光双凸透镜的接收角为±4度以内。

3.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：所述探测器中设有四个同规格的硅光电倍增管，且探测器整体置于具有温度控制功能、可将探测器环境温度控制在0±0.1度范围内的恒温箱中；探测器通过传光光纤束连接检偏器。

4.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：所述检偏器为空间四象限检偏器，四象限中安装的都是偏振片，其中，偏振片P₁、P₄是水平线偏振片，偏振片P₂、P₃是垂直线偏振片。

5.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：所述偏振片为水平线偏振片。

6.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：所述激光器为532nm的全固态激光器。

7.根据权利要求1所述的大气颗粒物特殊形貌识别装置，其特征在于：该装置对于大气颗粒物特殊形貌的识别过程按以下步骤进行，

第一步：准直激光经过水平线偏振片后，起偏成为水平线偏振激光；

第二步：颗粒物单个通过线偏振激光束光敏区，产生脉冲散射光；

第三步：探测器的4个硅光电倍增管同时测得信号峰值P₁、P₂、P₃、P₄；

第四步：计算偏振指标K2＝(P₁+P₄-P₂-P₃)/(P₁+P₂+P₃+P₄)，根据K2指标大小判断颗粒物是否圆形、长条形或者其它形状。