[发明专利]应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测装置及其方法

摘要

本发明公开了应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测装置及其方法。装置由颗粒物采样装置、颗粒物测量传感器及信号处理装置组成。颗粒物采样装置包括气泵、颗粒切割头、高效气体过滤器、气体流量计、气体导管和采集电源。颗粒物测量传感器包括多通道颗粒测量部件、高稳定性激光器、光陷阱、鞘气装置、金属毛细管、光学透镜和高性能光电探测器。信号处理装置包括信号调理电路、数据采集卡、计算机和信号电源。本发明设计合理，制造安装简便且不存在颗粒物污染测量光路的问题。信号处理装置结构简单、性能优异、数据处理及读取十分方便。测量得到的颗粒物质量浓度动态性能好，精度高，线性度好。

主权项

一种应用于大气中悬浮颗粒物的颗粒物质量浓度检测方法，其采用的颗粒物质量浓度检测装置包括颗粒切割头(1)、颗粒采样气泵(2)、气体流量计(3)、第一气体导管(4)、金属毛细管(6)、鞘气装置(7)、采集电源(10)、鞘气气泵(11)、高效气体过滤器(12)、第二气体导管(13)、多通道颗粒测量部件(14)、高稳定性激光器(15)、光陷阱(16)、第一光学透镜(17)、第一高性能光电探测器(18)、第二光学透镜(19)、第二高性能光电探测器(20)、第三光学透镜(21)、第三高性能光电探测器(22)、第四光学透镜(23)、第四高性能光电探测器(24)、信号调理电路(25)、数据采集卡(26)、计算机(27)、信号电源(28)；多通道颗粒测量部件(14)右侧开孔安装有高稳定性激光器(15)、左侧外部安装有光陷阱(16)，顶部开孔安装有鞘气装置(7)，鞘气装置包括鞘气接头(5)、鞘气管道(8)、鞘气喷嘴(9)，鞘气管道(8)中心安装有金属毛细管(6)，颗粒采样气泵(2)和鞘气气泵(11)由采集电源(10)供电，高稳定性激光器(15)、信号调理电路(25)由信号电源(28)供电，在多通道颗粒测量部件(14)中心处开有四个孔，四个孔的位置是在高稳定性激光器(15)与光陷阱(16)中心连线的顺时针55°、125°方向和逆时针40°、140°方向上，在顺时针55°方向上的孔内安装有第二光学透镜(19)和第二高性能光电探测器(20)，在顺时针125°方向上的孔内安装有第三光学透镜(21)和第三高性能光电探测器(22)，在逆时针40°方向上的孔内安装有第一光学透镜(17)和第一高性能光电探测器(18)，在逆时针140°方向上的孔内安装有第四光学透镜(23)和第四高性能光电探测器(24)，四个高性能光电探测器的输出引线依次接入信号调理电路(25)，信号调理电路(25)输出信号接入数据采集卡(26)，数据采集卡(26)通过USB连接线与计算机(27)相连接，颗粒切割头(1)、颗粒采样气泵(2)、气体流量计(3)、第一气体导管(4)、金属毛细管(6)顺次相连，鞘气气泵(11)、高效气体过滤器(12)、第二气体导管(13)、鞘气接头(5)顺次相连；所述的信号调理电路(25)为4通道信号处理电路，每个通道包括：光电信号输入端(29)、电流电压转换电路(30)、陷波电路(31)、放大电路(32)、二阶低通滤波电路(33)、电压信号输出端(34)；光电信号输入端(29)与电流电压转换电路(30)中运放的反向信号输入端相连，电流电压转换电路(30)中运放的反向信号输入端与运放的输出端分布串联电阻R1和电容C1，电流电压转换电路(30)中运放的正向信号输入端接地；陷波电路(31)的VIN引脚与电流电压转换电路(30)中运放的输出端相连，陷波电路的RQ引脚通过电阻R2接地，陷波电路的RG引脚通过电阻R3接陷波电路的VO引脚相连；放大电路(32)中运放的正向信号输入端接地，放大电路中运放的反向信号输入端通过电阻R4与陷波电路的VO引脚相连，放大电路中运放的反向信号输入端通过电阻R5与放大电路中运放的输出端相连；二阶低通滤波电路(33)中电阻R6的左端与放大电路中运放的输出端相连，右端通过电容C2接地，二阶低通滤波电路(33)中电阻R7左端与电阻R6右端相连，右端通过电容C3接地；电压信号输出端(34)与二阶低通滤波电路(33)中电阻R7的右端相连；所述信号调理电路(25)的电流电压转换电路(30)中的运算放大器选用了LMP7721高性能运算放大器，陷波电路(31)和放大电路(32)中运算放大器选用了四通道运算放大器OPA4227；其特征在于它的步骤如下：1)大气中悬浮颗粒物的采集：首先对颗粒采样气泵(2)的流速进行校准，调节采集电源(10)对颗粒采样气泵(2)的供电电压，观察气体流量计(3)的读数，使得气体流量与颗粒切割头(1)所需的流量一致，携有所需粒径范围颗粒的气流通过第一气体导管(4)进入金属毛细管(6)，由于管径变小，气体流速增加，保证颗粒能够穿越高稳定性激光器(15)所产生的激光光路中心，同时，鞘气气泵(11)采集的空气通过高效气体过滤器(12)滤除颗粒后得到洁净的气体并通过第二气体导管(13)与鞘气装置(7)中的鞘气接头(5)连接，洁净气体流过鞘气管道(8)，在鞘气喷嘴(9)处流速增加，包裹在金属毛细管(6)中含有颗粒的气流的四周，从而保证颗粒气流在流过激光光路中心的时候不会污染第一光学透镜(17)、第二光学透镜(19)、第三光学透镜(21)、第四光学透镜(23)；2)颗粒光散射信号的采集与处理：高稳定性激光器(15)产生准直激光束，激光束沿着高稳定性激光器(15)到光陷阱(16)中心连线传播，当颗粒穿越激光光路中心时会在各个方向上产生散射光，在对应空间的某一点散射光强度表示为式中：I0为入射光强度；λ为激光波长；r是颗粒到观察点之间的距离；i1和i2分别为垂直及平行于散射平面的散射强度函数分量，二者分别是粒径D、颗粒相对折射率n、散射角θ和波长λ的函数，i1＝i1(D,n,θ,λ)，i2＝i2(D,n,θ,λ)，则是散射面上任意点在平面上的投影与轴之间的夹角，于是对于第一高性能光电探测器(18)、第二高性能光电探测器(20)、第三高性能光电探测器(22)、第四高性能光电探测器(24)中任意一个光电探测器，第一光学透镜(17)、第二光学透镜(19)、第三光学透镜(21)、第四光学透镜(23)将60°角度区间的光汇聚到对应的高性能光电探测器的中心，光电探测器将光能转换为电能并形成极其微弱的电流，这些微弱的电流信号分别通过屏蔽信号线传输到信号调理电路(25)，经过电流电压转换电路(30)，nA级别的电流信号被转换成mV级别以上的电压信号，电压信号通过陷波电路(31)滤除工频干扰再通过放大电路(32)得到数百mV的电压信号，这些电压信号再经过二阶低通滤波电路(33)滤除外界以及电路板产生的高频噪声，由此得到分别对应第一高性能光电探测器(18)、第二高性能光电探测器(20)、第三高性能光电探测器(22)、第四高性能光电探测器(24)的电压信号V1、V2、V3、V4；3)颗粒物质量浓度的转换与处理：数据采集卡(26)通过10KHz的采样频率同步采集四路电压信号V1、V2、V3、V4，对应某一段时间采集到的的颗粒物质量浓度P可以表示为：其中系数K是电压质量转换系数，由实际实验标定出来，w1、w2、w3、w4为各通道传感器电压信号所占比重，由光学仿真实验得到，为电压信号V1、V2、V3、V4采样1s时间的平均值，V10、V20、V30、V40是当关闭颗粒采样气泵(2)，只通入滤除了颗粒的洁净气体时各光电探测器得到的本底电压值，Q为颗粒采样气泵(2)中的气体流量。