單氣溶膠粒子形狀實(shí)時(shí)檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣溶膠實(shí)時(shí)檢測，特別是實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的單氣溶膠粒子形狀快速檢測方法和裝置，能夠?qū)崟r(shí)檢測大氣中較小粒徑的單個(gè)粒子光學(xué)散射圖像并進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對粒子形狀的區(qū)分和判別。本發(fā)明可應(yīng)用于環(huán)境檢測等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氣溶膠是指由固體或液體粒子分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的多項(xiàng)混合體系。粒子或顆粒大小為0.001?100 μm。習(xí)慣上，把這些粒子稱為氣溶膠。直徑小于10 μm的粒子可在大氣中長時(shí)間漂浮，稱為飄塵。
[0003]氣溶膠粒子對地氣輻射平衡、成云致雨、水循環(huán)、能見度改變等諸多物理化學(xué)過程和人體健康重要影響?？諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑\小于10 μm的氣溶膠粒子為可吸入顆粒物，又稱粗顆粒物PMlO (Particle Matter 10)。dp小于2.5 μ m的為細(xì)顆粒物ΡΜ2.5等。PMlO可以進(jìn)入人體氣管；ΡΜ2.5可以進(jìn)入人體肺部。PM本身既是一種污染物，又是多種有毒物質(zhì)的載體。ΡΜ2.5比PMlO更易吸附有毒害的物質(zhì)，從而造成嚴(yán)重危害。
[0004]大氣氣溶膠粒子種類與組分來源多相、構(gòu)成復(fù)雜，研宄人員需要根據(jù)氣溶膠粒子的物理、光學(xué)或化學(xué)特征等識別粒子及其來源。其中，粒徑和形狀是用來描述氣溶膠粒子大小和形態(tài)等物理特征的表征參數(shù)。不同種類氣溶膠粒子一般具有不同形狀，較為簡單的形狀包括球體(水滴或油滴)或圓柱體(玻璃纖維)等。許多粒子具有較為復(fù)雜的形狀，如石棉的纖維、片狀、雪花狀、規(guī)則或不規(guī)則的晶體等。在不同的工作或生活環(huán)境中，氣溶膠粒子的形狀可以為研宄其種類和來源提供線索，并且對研宄粒子特征有重要幫助，是其它粒子測量技術(shù)的有力輔助。
[0005]對于測量粒形的方法，在先技術(shù)包括顯微鏡法等。顯微鏡法需要首先將氣溶膠進(jìn)行富集，再送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，花費(fèi)時(shí)間長，實(shí)時(shí)性低，檢測成本較高。在通常的測量散粒物料顆粒形狀參數(shù)的方法中，如人工觀察記錄方式，比較繁瑣并且不精確。戈振揚(yáng)、郭潔在“一種測量散粒物料顆粒形狀參數(shù)的方法”中公開了應(yīng)用數(shù)碼顯微鏡和計(jì)算機(jī)測量散粒物料顆粒形狀參數(shù)的方法。該方法采用圖像處理軟件對需測量顆粒形狀做相應(yīng)的特殊處理和優(yōu)化，便于高效測量散粒物料顆粒形狀相關(guān)的各種參數(shù)信息，精簡測量過程，提高測量精確度。
[0006]在相關(guān)環(huán)境檢測和研宄領(lǐng)域需要實(shí)時(shí)、原位的氣溶膠粒子檢測和分析技術(shù)。基于光散射原理的粒子彈性光散射檢測法具有快速、靈敏和成本較低等特點(diǎn)，是常用技術(shù)手段之一。當(dāng)粒子與入射光光場作用時(shí)，產(chǎn)生彈性散射光和非彈性散射光。彈性散射包括折射、反射、衍射，非彈性散射包括拉曼散射、熒光和粒子吸收等。粒子散射光場分布是粒子粒徑、形狀、折射率等參數(shù)和檢測系統(tǒng)參數(shù)如入射光波長、偏振狀態(tài)、散射角度的復(fù)合函數(shù)?；诖嗽硌兄频墓鈱W(xué)粒子計(jì)數(shù)器已被廣泛用于測量單個(gè)粒子散射光場強(qiáng)度分布從而獲取氣溶膠粒子粒徑尺度分布。在上述光散射研宄與應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展的實(shí)時(shí)氣溶膠粒子形狀識別技術(shù)，為獲取粒子的形狀以及表面形貌特征等物理性質(zhì)提供了可行手段。目前對于粒徑的實(shí)時(shí)測量技術(shù)的研宄已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)也有很多自主研制的相關(guān)產(chǎn)品。相對來說，對于粒形的實(shí)時(shí)檢測在國內(nèi)相關(guān)研宄較少。
[0007]由于氣溶膠粒子形狀檢測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度要求，這種技術(shù)一般需要依據(jù)散射光場等信息測量相關(guān)參數(shù)，逐步區(qū)分球形與非球形、軸對稱和非軸對稱、規(guī)則與不規(guī)則形狀粒子，判斷粒子形狀類別。通過氣溶膠粒子的前向2維散射光場圖樣推斷粒子形狀對稱性等信息，可以采用直接接收光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)布局與設(shè)計(jì)較方便。常規(guī)前向接收系統(tǒng)孔徑角范圍為±2.5-±25°，如庫爾特儀、ROYCO粒子計(jì)數(shù)器。依據(jù)Mie散射理論計(jì)算結(jié)果，在此范圍內(nèi)散射光角度信息可以判斷粒子形狀的對稱性，但尚不足以用來獲得粒徑小于2.5 μπι粒子的直觀散射圖樣和粒徑信息，從而較準(zhǔn)確地判別粒子形狀。
[0008]在先技術(shù)(參見“雙通道實(shí)時(shí)生物氣溶膠監(jiān)測方法與裝置”，中國專利號CN101858847A，發(fā)明人黃惠杰，周光超，趙永凱，馮春霞，韓杰，黃立華，謝承科，孫征宇，張友寶)中基于生物粒子中不同熒光生色團(tuán)的紫外光誘導(dǎo)本征熒光特性，采用兩種波長紫外激發(fā)光分別檢測應(yīng)用傳統(tǒng)粒子沖擊器快速富集的多氣溶膠粒子的熒光信息，實(shí)現(xiàn)對生物氣溶膠粒子的低誤報(bào)率判別和實(shí)時(shí)監(jiān)測。但該種方法基于生物熒光分析技術(shù)原理，以富集的多個(gè)生物氣溶膠粒子的熒光光譜強(qiáng)度為檢測對象，且需要多氣溶膠粒子富集時(shí)間、相對實(shí)時(shí)性較低，不適合基于彈性散射光原理的單氣溶膠粒子形狀的實(shí)時(shí)檢測的應(yīng)用目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種單氣溶膠粒子實(shí)時(shí)檢測方法與檢測裝置，通過同步采集大氣中單個(gè)氣溶膠粒子的前向和側(cè)向散射圖樣進(jìn)行分析處理，能夠判別粒徑小于2.5 μ m的粒子形狀。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0011]一種單氣溶膠粒子形狀實(shí)時(shí)檢測裝置，包括單粒子聚焦氣路、散射腔體、電源供電系統(tǒng)、兩路定位觸發(fā)單元、散射圖樣檢測單元和微機(jī)控制處理單元；
[0012]所述的單粒子聚焦氣路由入口管道和出口管道組成，所述的入口管道包括進(jìn)氣噴嘴，分別與該進(jìn)氣噴嘴相連的樣氣進(jìn)氣口和鞘氣進(jìn)氣口，該鞘氣進(jìn)氣口與鞘流氣泵相連，所述的出口管包括出氣口和與該出氣口相連的總氣泵；
[0013]所述的兩路定位觸發(fā)單元分別包括定位照明光路、光陷阱與光源強(qiáng)度監(jiān)測組件和共用的定位光強(qiáng)接收光路；
[0014]所述的散射圖樣檢測單元包括圖樣照明光路、前向圖樣接收光路和側(cè)向圖樣接收光路，三路光路的光軸共面；
[0015]所述的散射腔體呈八邊形腔結(jié)構(gòu)，其上表面和下表面分別開有相互相對應(yīng)的孔，所述的進(jìn)氣噴嘴和出氣口分別對應(yīng)安裝在所述的上、下表面的孔中，使單粒子聚焦氣路的中心軸線與所述的散射腔體圓柱形內(nèi)中心軸線共線；所述的散射腔體的八個(gè)側(cè)表面分別開有相互相對應(yīng)的孔；
[0016]每個(gè)所述的定位觸發(fā)單元的定位照明光路和光陷阱與光源強(qiáng)度監(jiān)測組件分別安裝在相互對應(yīng)的孔中，定位照明光路和光陷阱與光源強(qiáng)度監(jiān)測組件共光路，并使該光軸與單粒子聚焦氣路的中心軸線垂直；所述的兩路定位觸發(fā)單元光軸所在平面之間存在空隙，構(gòu)成雙路定位觸發(fā)光敏感區(qū)；所述的散射圖樣檢測單元的圖樣照明光路和前向圖樣接收光路分別安裝在相互對應(yīng)的孔中，使單粒子聚焦氣路的中心軸線與該光軸垂直且相交；所述的散射圖樣檢測單元的側(cè)向圖樣接收光路安裝在余下孔中，使該光軸與單粒子聚焦氣路的中心軸線垂直，且與前向圖樣接收光路的光軸垂直相交；
[0017]所述的鞘流氣泵、總氣泵、電源供電系統(tǒng)、定位觸發(fā)單元和散射圖樣檢測單元分別與所述的微機(jī)控制處理單元相連；
[0018]所述的鞘流氣泵、總氣泵、定位觸發(fā)單元和散射圖樣檢測單元分別與所述的電源供電系統(tǒng)相連。
[0019]所述的散射腔體的每個(gè)側(cè)平面與各自所安裝的兩路定位觸發(fā)單元的定位照明光路、光陷阱與光源強(qiáng)度監(jiān)測組件和共用的定位光強(qiáng)接收光路，以及所述的散射圖樣檢測單元的圖樣照明光路、前向圖樣接收光路和側(cè)向圖樣接收光路的光軸分別垂直；
[0020]供所述的散射圖樣檢測單元的圖樣照明光路安裝的側(cè)平面和前向圖樣接收光路安裝的側(cè)平面平行，且兩個(gè)側(cè)平面與供所述的散射圖樣檢測單元的側(cè)向圖樣接收光路安裝的側(cè)平面垂直。
[0021]本發(fā)明利用前向與側(cè)向散射光場圖樣判別粒子的形狀。當(dāng)照明光束入射到一定粒徑范圍內(nèi)不同形狀粒子時(shí)，粒子的前向與側(cè)向方位各取2維散射圖像。通過分析散射圖像可以對粒子形狀進(jìn)行辨別。
[0022]基于光散射原理，粒子散射光場分布與粒子粒徑、形狀、折射率，檢測系統(tǒng)入射光波長、偏振方向等條件有關(guān)系。因此，采用光電圖像接收器采集散射光場強(qiáng)度分布的量化信息，并依據(jù)散射光場的實(shí)際條件和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷。在實(shí)際檢測中，散射光場接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、光電接收器件響應(yīng)特性決定了可接收散射光場角度和強(qiáng)度分布；同時(shí)，粒子朝向與位置誤差、系統(tǒng)測量誤差等因素也使得采集到的粒子散射光場圖樣需要進(jìn)行進(jìn)一步處理與分析，提高測量準(zhǔn)確度。
[0023]球形粒子沿入射光軸散射光場在前向接收2維圖樣為對稱同心亮暗圓環(huán)，便于通過散射光場相對光軸的光強(qiáng)分布的對稱性區(qū)分球形與非球形粒子。如果需要獲得具有暗、亮同心圓環(huán)的散射位置或圖樣信息，理論上存在粒子粒徑下限。
[0024]球形粒子的側(cè)向散射光場圖樣為豎直的明暗條紋。非球形粒子的散射圖樣、局部信息不同。因此依據(jù)側(cè)向光學(xué)接收系統(tǒng)接收范圍內(nèi)和某區(qū)域內(nèi)的散射光場信息，結(jié)合前向散射圖樣和具體檢測系統(tǒng)條件，可以反演較小粒徑粒子形狀相關(guān)參數(shù)，減少測量誤差影響，提高檢測準(zhǔn)確度。
[0025]在實(shí)際中，由于大部分氣溶膠粒子是非球形的，其側(cè)面散射圖樣不再是豎直條紋分布，因此，較易進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。
[0026]裝置各部分功能如下:
[0027]1、單粒子聚焦氣路:基于空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的聚焦氣路，可以將待測粒子壓縮在較細(xì)的樣氣流路范圍內(nèi)經(jīng)過光敏感區(qū)，在要求氣溶膠粒子濃度檢測范圍內(nèi)有效減少重疊誤差。同時(shí)，包裹樣氣的潔凈鞘氣能夠減少其它外部粒子的干擾。氣路中有2組氣泵分別控制裝置總體氣路和鞘氣氣路流量和流速，同時(shí)在氣泵進(jìn)氣和出氣位置放置有濾膜，用于預(yù)防氣泵污染，一起得到潔凈的氣流。氣路通過氣管、連接件與結(jié)構(gòu)件密封連接；