專利名稱：一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境檢測技術(shù)與分析及光學(xué)領(lǐng)域，具體指一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
生物氣溶膠通常是指粒徑在IOOnm 100 μ m之間，懸浮在氣體中具有活性的生物物質(zhì)，包括病毒、細(xì)菌、真菌、花粉及其附產(chǎn)物等。在已有的分析方法中，生物氣溶膠的測量對采樣過程要求較高。傳統(tǒng)的物理氣溶膠采樣過程難以保持生物氣溶膠的生物活性，脫水、 紫外輻射、溫度變化等因素也使得生物氣溶膠的采樣分析存在困難目前已有的一些生物氣溶膠采樣方式，需經(jīng)過撞擊、碰撞、過濾等過程，存在重現(xiàn)性較差，只能采集到少量生命活性物質(zhì)，菌落重疊引致計(jì)數(shù)誤差等缺陷。因此，傳統(tǒng)采樣的測量方式，實(shí)際上難以應(yīng)用于生物氣溶膠的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
隨著光學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)遙測技術(shù)已成為一種優(yōu)良的非接觸實(shí)時(shí)測量方法，目前已在氣體遙測中發(fā)揮了巨大的作用。它具有高靈敏和高分辨的特點(diǎn)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)的多組分同時(shí)探測等獨(dú)特優(yōu)勢，其在環(huán)境、化學(xué)、材料等方面都有廣泛的應(yīng)用，近年來在大氣污染的定性定量監(jiān)測的應(yīng)用方面。大部分生物氣溶膠在紅外波段均存在特征光譜，使用紅外技術(shù)遙測生物氣溶膠云團(tuán)，理論上不僅可以避免采樣過程帶來的活性損失問題，而且可以大幅度提高分析速度，使得對生物氣溶膠云團(tuán)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和突發(fā)性污染事故的應(yīng)急遙測成為可能。但是，由于生物氣溶膠云團(tuán)在紅外波段的單次散射反照率較大，遙測系統(tǒng)接收到的信號不僅包含測量路徑上的吸收消光，還包括天空和地面輻射在測量路徑上的散射貢獻(xiàn)，會直接導(dǎo)致遙測系統(tǒng)接收信號背景基線波動，而且生物氣溶膠云團(tuán)通常濃度較低，其吸收截面相對較小。受測量條件的限制，無法實(shí)現(xiàn)野外條件下的生物氣溶膠紅外消光和粒徑參數(shù)的同步測量，難以全面獲得氣溶膠的光學(xué)特性，因此為建立其專用遙測方法帶來了困難，從而限制了當(dāng)前紅外光譜方法遙測生物氣溶膠的應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種生物氣溶膠仿真遙測的系統(tǒng)和方法，該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在仿真的地物遠(yuǎn)紅外地物背景輻射下，對生物氣溶膠進(jìn)行非破壞、多組分、多光學(xué)參量的同步實(shí)時(shí)測量，在實(shí)驗(yàn)條件可控的條件下，提高了測量數(shù)據(jù)的完備性。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，包括氣溶膠發(fā)生器、樣品池、粒徑譜儀、大面源黑體輻射源、接收望遠(yuǎn)鏡和傅里葉變換紅外光譜儀，其特征在于所述氣溶膠發(fā)生器的出樣口通過氣管與樣品池的進(jìn)樣口相連，所述樣品池的出樣口通過氣管與粒徑譜儀相連，所述的樣品池內(nèi)設(shè)有風(fēng)扇，從氣溶膠發(fā)生器的出樣口噴出的生物氣溶膠樣品經(jīng)氣管進(jìn)入樣品池，在所述風(fēng)扇的吹掃作用下，生物氣溶膠樣品在樣品池內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池的出樣口和氣管進(jìn)入粒徑譜儀，來分析和測量生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度；所述樣品池的兩端分別設(shè)有入、出光孔，所述的大面源黑體輻射源、樣品池的入、出光孔、接收望遠(yuǎn)鏡和傅里葉變換紅外光譜儀位于同一光路上，所述傅里葉變換紅外光譜儀和粒徑譜儀共接入計(jì)算機(jī)，所述的大面源黑體輻射源發(fā)出紅外輻射光，經(jīng)樣品池入光孔進(jìn)入樣品池內(nèi)，并穿過樣品池內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，進(jìn)入所述的傅里葉變換紅外光譜儀，最后由計(jì)算機(jī)控制傅里葉變換紅外光譜儀采集、分析和存儲紅外光譜輻射數(shù)據(jù)。
—種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于其具體包括以下步驟生物氣溶膠樣品從氣溶膠發(fā)生器的出樣口噴出，并通過氣管經(jīng)樣品池的進(jìn)樣口充入樣品池內(nèi)，在風(fēng)扇產(chǎn)生的微風(fēng)的吹掃下，生物氣溶膠樣品在樣品池內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池的出樣口擴(kuò)散出，通過氣管進(jìn)入粒徑譜儀，粒徑譜儀進(jìn)行快速實(shí)時(shí)分析，得到生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度變化情況；同時(shí)，從大面源黑體輻射源出射的紅外輻射光，經(jīng)樣品池入光孔進(jìn)入樣品池內(nèi)，并穿過樣品池內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，被傅里葉變換紅外光譜儀探測，最后計(jì)算機(jī)根據(jù)傅里葉變換紅外光譜儀測量得到的紅外光譜輻射數(shù)據(jù)和生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度進(jìn)行定性和定量分析。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的樣品池采用透明亞克力或有機(jī)玻璃材質(zhì)。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述樣品池的進(jìn)樣口位于樣品池側(cè)壁的中部，且樣品池進(jìn)樣口的高度距離樣品池下底面內(nèi)側(cè)5cm。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的氣溶膠發(fā)生器用于將生物氣溶膠樣品擴(kuò)散為氣溶膠，并通過在噴嘴口形成的剪切力將團(tuán)聚的粉末微粒分散開，從而形成氣溶膠顆粒。
所述的一種測量生物氣溶膠紅外光譜消光和粒徑分布的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述大面源黑體輻射源的表面采用高發(fā)射率(>98%)材料，大面源黑體輻射源工作的黑體溫度在-5 V 45 V之間，且為可調(diào)。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的粒徑譜儀用于在氣溶膠在發(fā)生的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)采樣，在分析氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的同時(shí)，從其采樣得到的粒子數(shù)濃度變化趨勢，判斷樣品池內(nèi)生物氣溶膠樣品顆粒物的擴(kuò)散情況是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于所述傅里葉變換紅外光譜測量到的是紅外輻射經(jīng)生物氣溶膠樣品吸收和散射作用后得到的總消光光譜。
所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于計(jì)算機(jī)在進(jìn)行定量和定性分析的過程中，同時(shí)完成氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的采樣和測量。
紅外遙測方法理論上可實(shí)現(xiàn)對較大粒徑的生物氣溶膠成分進(jìn)行多組分非破壞被動測量，但受到測量手段的限制，由于無法實(shí)現(xiàn)野外條件下的氣溶膠紅外消光和粒徑參數(shù)的同步測量，難以全面獲得氣溶膠的光學(xué)特性，因此為建立其專用遙測方法帶來了困難，從而限制了當(dāng)前紅外光譜方法遙測生物氣溶膠的應(yīng)用。而本發(fā)明提供了一種便捷有效的途徑，為生物氣溶膠的紅外遙測技術(shù)提供便利的實(shí)驗(yàn)平臺和仿真方法。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，不僅可以避免采樣過程帶來的活性損失問題，而且可以大幅度提高分析速度。該裝置和方法通過實(shí)現(xiàn)對生物氣溶膠光學(xué)特性的多參量同步和實(shí)時(shí)測量，用于遙測系統(tǒng)和算法的驗(yàn)證及測試，進(jìn)一步拓寬了現(xiàn)有紅外遙測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為生物氣溶膠等新類型污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測和突發(fā)性事件的應(yīng)急遙測奠定了基礎(chǔ)。
本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明利用光學(xué)方法直接測量生物氣溶膠的消光光譜、粒徑分布和數(shù)濃度等多參量信息，測量方法簡單快捷；2、本發(fā)明可以同時(shí)無損檢測混合生物氣溶膠；3、本發(fā)明使用黑體輻射仿真SOO-UOOcnr1的地物輻射光譜特性，方便快捷，降低了外場實(shí)驗(yàn)的實(shí)施成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1，一種測量生物氣溶膠紅外光譜消光和粒徑分布的仿真遙測系統(tǒng)，包括氣溶膠發(fā)生器3、樣品池6、粒徑譜儀4、大面源黑體輻射源5、接收望遠(yuǎn)鏡2和傅里葉變換紅外光譜儀1，氣溶膠發(fā)生器3的出樣口通過氣管與樣品池6的進(jìn)樣8 口相連，樣品池6的出樣口 9通過氣管與粒徑譜儀4相連，樣品池6內(nèi)設(shè)有風(fēng)扇7，從氣溶膠發(fā)生器3的出樣口噴出的生物氣溶膠樣品經(jīng)氣管進(jìn)入樣品池6，在風(fēng)扇7的吹掃作用下，生物氣溶膠樣品在樣品池 6內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池6的出樣口 9和氣管進(jìn)入粒徑譜儀4，來分析和測量生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度；樣品池6的兩端分別設(shè)有入、出光孔，大面源黑體輻射源5、樣品池6的入、出光孔、接收望遠(yuǎn)鏡2和傅里葉變換紅外光譜1儀位于同一光路上，傅里葉變換紅外光譜儀1和粒徑譜儀4共接入計(jì)算機(jī)，大面源黑體輻射源5發(fā)出紅外輻射光，經(jīng)樣品池6入光孔進(jìn)入樣品池 6內(nèi)，并穿過樣品池6內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池6出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡2 接收后，進(jìn)入傅里葉變換紅外光譜儀1，最后由計(jì)算機(jī)控制傅里葉變換紅外光譜儀1采集、 分析和存儲紅外光譜輻射數(shù)據(jù)。
一種測量生物氣溶膠紅外光譜消光和粒徑分布的仿真遙測方法，具體包括以下步驟生物氣溶膠樣品從氣溶膠發(fā)生器的出樣口噴出，并通過氣管經(jīng)樣品池的進(jìn)樣口充入樣品池內(nèi)，在風(fēng)扇產(chǎn)生的微風(fēng)的吹掃下，生物氣溶膠樣品在樣品池內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池的出樣口擴(kuò)散出，通過氣管進(jìn)入粒徑譜儀，粒徑譜儀進(jìn)行快速實(shí)時(shí)分析，得到生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度變化情況；同時(shí)，從大面源黑體輻射源出射的紅外輻射光，經(jīng)樣品池入光孔進(jìn)入樣品池內(nèi)，并穿過樣品池內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，被傅里葉變換紅外光譜儀探測，最后計(jì)算機(jī)根據(jù)傅里葉變換紅外光譜儀測量得到的紅外光譜輻射數(shù)據(jù)和生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度進(jìn)行定性和定量分析°
樣品池6采用透明亞克力或有機(jī)玻璃材質(zhì)。
樣品池6的進(jìn)樣口 8位于樣品池6側(cè)壁的中部，且樣品池6進(jìn)樣口 8的高度距離樣品池底面內(nèi)側(cè)5cm。
氣溶膠發(fā)生器3用于將生物氣溶膠樣品擴(kuò)散為氣溶膠，并通過在噴嘴口形成的剪切力將團(tuán)聚的粉末微粒分散開，從而形成氣溶膠顆粒。
大面源黑體輻射源5的表面采用高發(fā)射率(>98%)材料，大面源黑體輻射源5工作的黑體溫度在_5°C 45°C之間，且為可調(diào)。
粒徑譜儀4用于在氣溶膠在發(fā)生的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)采樣，在分析氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的同時(shí)，從其采樣得到的粒子數(shù)濃度變化趨勢，判斷樣品池6內(nèi)生物氣溶膠樣品顆粒物的擴(kuò)散情況是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
傅里葉變換紅外光譜1測量到的是紅外輻射經(jīng)生物氣溶膠樣品吸收和散射作用后得到的總消光光譜。
計(jì)算機(jī)在進(jìn)行定量和定性分析的過程中，同時(shí)完成氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的采樣和測量。
在本發(fā)明中，樣品池6的體積是8L，因此選取真空泵抽取氣體時(shí)間是2分鐘，流速是32L/min，平衡1分鐘，保證多次反射池內(nèi)氣體穩(wěn)定，測量次數(shù)是16次，測量光譜時(shí)間是 3分鐘。接收望遠(yuǎn)鏡2的視場角為^mrad，孔徑為57mm。大面源黑體輻射源5可穩(wěn)定工作于各種環(huán)境溫度下，面積為300*300mm。氣溶膠發(fā)生器3的接口根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可接駁多分散氣溶膠發(fā)生器。粒徑譜儀4的分析范圍為0. 5-20 μ m。
本發(fā)明基于傅里葉變換紅外光譜儀的高精度、多波段、不破壞樣品等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合粒徑分布和數(shù)濃度測量裝置，設(shè)計(jì)了一種生物氣溶膠紅外遙測仿真測試系統(tǒng)和方法，專門用于生物氣溶膠的光學(xué)特性測量、遙測仿真實(shí)驗(yàn)和算法驗(yàn)證等工作。本發(fā)明有利于拓展現(xiàn)有紅外遙測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為生物氣溶膠污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測和突發(fā)性事件的應(yīng)急遙測提供測試系統(tǒng)和方法。
權(quán)利要求
1.一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，包括氣溶膠發(fā)生器、樣品池、粒徑譜儀、大面源黑體輻射源、接收望遠(yuǎn)鏡和傅里葉變換紅外光譜儀，其特征在于所述氣溶膠發(fā)生器的出樣口通過氣管與樣品池的進(jìn)樣口相連，所述樣品池的出樣口通過氣管與粒徑譜儀相連，所述的樣品池內(nèi)設(shè)有風(fēng)扇，從氣溶膠發(fā)生器的出樣口噴出的生物氣溶膠樣品經(jīng)氣管進(jìn)入樣品池，在所述風(fēng)扇的吹掃作用下，生物氣溶膠樣品在樣品池內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池的出樣口和氣管進(jìn)入粒徑譜儀，來分析和測量生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度；所述樣品池的兩端分別設(shè)有入、出光孔，所述的大面源黑體輻射源、樣品池的入、出光孔、接收望遠(yuǎn)鏡和傅里葉變換紅外光譜儀位于同一光路上，所述傅里葉變換紅外光譜儀和粒徑譜儀共接入計(jì)算機(jī)，所述的大面源黑體輻射源發(fā)出紅外輻射光，經(jīng)樣品池入光孔進(jìn)入樣品池內(nèi)，并穿過樣品池內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，進(jìn)入所述的傅里葉變換紅外光譜儀，最后由計(jì)算機(jī)控制傅里葉變換紅外光譜儀采集、分析和存儲紅外光譜輻射數(shù)據(jù)。
2.一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于其具體包括以下步驟生物氣溶膠樣品從氣溶膠發(fā)生器的出樣口噴出，并通過氣管經(jīng)樣品池的進(jìn)樣口充入樣品池內(nèi)，在風(fēng)扇產(chǎn)生的微風(fēng)的吹掃下，生物氣溶膠樣品在樣品池內(nèi)擴(kuò)散，并經(jīng)樣品池的出樣口擴(kuò)散出，通過氣管進(jìn)入粒徑譜儀，粒徑譜儀進(jìn)行快速實(shí)時(shí)分析，得到生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度變化情況；同時(shí)，從大面源黑體輻射源出射的紅外輻射光，經(jīng)樣品池入光孔進(jìn)入樣品池內(nèi)，并穿過樣品池內(nèi)的生物氣溶膠樣品，再經(jīng)樣品池出光孔出射，然后由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，被傅里葉變換紅外光譜儀探測，最后計(jì)算機(jī)根據(jù)傅里葉變換紅外光譜儀測量得到的紅外光譜輻射數(shù)據(jù)和生物氣溶膠樣品的粒徑分布和粒子數(shù)濃度進(jìn)行定性和定量分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的樣品池采用透明亞克力或有機(jī)玻璃材質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述樣品池的進(jìn)樣口位于樣品池側(cè)壁的中部，且樣品池進(jìn)樣口的高度距離樣品池底面內(nèi)側(cè)5cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的氣溶膠發(fā)生器用于將生物氣溶膠樣品擴(kuò)散為氣溶膠，并通過在噴嘴口形成的剪切力將團(tuán)聚的粉末微粒分散開，從而形成氣溶膠顆粒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述大面源黑體輻射源的表面采用高發(fā)射率(>98%)材料，大面源黑體輻射源工作的黑體溫度在_5°C 45°C之間，且為可調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)，其特征在于所述的粒徑譜儀用于在氣溶膠在發(fā)生的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)采樣，在分析氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的同時(shí)，從其采樣得到的粒子數(shù)濃度變化趨勢，判斷樣品池內(nèi)生物氣溶膠樣品顆粒物的擴(kuò)散情況是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于所述傅里葉變換紅外光譜測量到的是紅外輻射經(jīng)生物氣溶膠樣品吸收和散射作用后得到的總消光光譜。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測方法，其特征在于計(jì)算機(jī)在進(jìn)行定量和定性分析的過程中，同時(shí)完成氣溶膠粒徑分布和粒子數(shù)濃度的采樣和測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種生物氣溶膠紅外消光和粒徑的仿真遙測系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)通過氣溶膠發(fā)生器將樣本粉末充入樣品池內(nèi)，并使用風(fēng)扇進(jìn)行充分?jǐn)U散形成生物氣溶膠云團(tuán)，由粒徑譜儀實(shí)現(xiàn)顆粒物粒徑分布的測量，位于樣品池入光口處的大面源黑體輻射源產(chǎn)生的黑體輻射用于仿真地物長波輻射，經(jīng)過樣品池衰減后，由位于樣品池出光口處的中視場接收望遠(yuǎn)鏡和傅里葉變換紅外光譜儀接收，實(shí)現(xiàn)生物氣溶膠云團(tuán)的紅外消光測量和典型地物背景條件下的遙測仿真。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，用于在實(shí)驗(yàn)室條件下開展氣溶膠光譜消光和粒徑分布的遙測仿真，實(shí)現(xiàn)了對生物氣溶膠紅外遙測技術(shù)的驗(yàn)證，且操作便捷，穩(wěn)定可靠，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多成分和多光學(xué)參數(shù)測量。
文檔編號G01N15/02GK102507401SQ201110349088
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者馮明春, 劉建國, 徐亮, 李勝, 焦洋, 童晶晶, 高閩光, 魏秀麗 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所