[发明专利]单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置及方法，属于碳烟颗粒的粒径测量技术，测量装置包括火焰发生单元、对火焰的碳烟颗粒进行加热的激光器、用于捕获火焰中白炽光信号的捕获单元、显示并记录所捕获的白炽光信号与时间的关系的示波器以及与示波器通信连接的处理单元；处理单元包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：定义碳烟颗粒的激光诱导炽光信号强度降低到其峰值的1/e所需时间为信号特征时间，基于包含碳烟粒径与信号特征时间关系的粒径计算模型得出火焰中碳烟颗粒的粒径，并用标定物性参数的方法获得更加准确的粒径值，从而方便快捷地获得碳烟的二维粒径分布。

技术领域

本发明涉及碳烟颗粒的粒径测量技术，具体地说，涉及一种单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置及方法。

背景技术

近些年来，大气中微粒的危害受到人们的广泛关注，而碳烟对人体的危害大小与粒径有很大的关系，碳烟粒径越小，进入人体肺部停滞的比例越大，对人体危害也就也越大，因此研究纳米级碳烟的粒径测量更有实际意义。而激光诱导白炽光技术具有高时间和空间分辨率，对碳烟测试是一种很有发展前景的技术。

目前的激光诱导白炽光技术通常为双色激光诱导技术，需要建立双色激光诱导白炽光系统，基于激光加热颗粒的温度衰减公式准确计算碳烟粒径。然而，在实验条件下双色激光诱导白炽光系统需要同时检测和严格校准，而且因为大颗粒的冷却速度比小颗粒慢，多分散颗粒的测量温度通常只能视为颗粒温度的有效值，不能准确反映每个颗粒的温度，所以双色激光诱导白炽光操作困难且准确率低。

发明内容

本发明的目的为提供一种单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置以及单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量方法。该测量装置和测量方法准确率高，操作简单，易于推广。

为了实现上述目的，本发明提供的单色激光诱导白炽光纳米级碳烟粒径测量装置包括火焰发生单元、对火焰的碳烟颗粒进行加热的激光器、用于捕获火焰中白炽光信号的捕获单元、显示并记录所捕获的白炽光信号与时间的关系的示波器以及与示波器通信连接的处理单元；捕获单元包括放置在火焰一侧的光电倍增管以及放置在光电倍增管前用于阻止火焰中除白炽光信号之外的光信号通过的窄带通滤光片；处理单元包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时能实现以下步骤：

建立火焰中碳烟颗粒的白炽光信号强度与时间的关系，定义白炽光信号强度降低到其峰值的1/e时所需时间为信号特征时间τ_λ，基于包含碳烟粒径与信号特征时间τ_λ关系的粒径计算模型得出火焰中碳烟颗粒的粒径。

上述测量装置中，通过获取碳烟颗粒的信号特征时间，并通过粒径计算模型得出火焰中碳烟颗粒的粒径，与现有技术相比，能有效简化测量过程，提高了测量效率。

具体的方案为纳米级碳烟颗粒粒径计算模型是

其中，C是由聚集体的屏蔽效应参数以及碳烟颗粒与周围气体的热力学参数组成的系数，T_g碳烟颗粒周围气体的温度，T_h-max表示碳烟颗粒冷却过程中的最高温度，λ是光电倍增管的设定探测波长，h表示普朗克常数，c表示光速，k表示玻尔兹曼常数。

C的表达式是

其中，α_T表示热调节系数，p_g表示碳烟颗粒周围气体的压力，N_p表示聚集体中基元体颗粒的数量，ρ_s是碳烟的密度，c_s是碳烟的比热，R是通用气体常数，W_g是碳烟颗粒周围气体的平均摩尔质量，γ是周围气体的比热比，k_h和D_h均为碳烟颗粒的缩放系数。