一種偏振光散射測量顆粒物的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種偏振光散射測量顆粒物的方法及裝置，測量時(shí)，將待測空氣樣品以恒定速度流過測試區(qū)，激光經(jīng)聚焦偏振處理后照射所述測試區(qū)；包括以下步驟：1)探測當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的Stokes矢量，所述Stokes矢量為表示散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量；2)根據(jù)Stokes矢量分別計(jì)算得到散射光的偏振參量；3)將所述散射光的偏振參量與標(biāo)準(zhǔn)庫中的散射光的標(biāo)準(zhǔn)偏振參量進(jìn)行比對，查找最接近的一組標(biāo)準(zhǔn)偏振參量對應(yīng)的粒徑區(qū)間和折射率；4)根據(jù)折射率確定出當(dāng)前顆粒物對應(yīng)的成分，進(jìn)而獲得成分信息及其粒徑區(qū)間信息。本發(fā)明方法及裝置，可分析得到顆粒物的成分信息，且分析粒徑分布時(shí)能準(zhǔn)確區(qū)分小粒徑粒子的粒徑分布，同時(shí)成本也得到較好的控制。
【專利說明】一種偏振光散射測量顆粒物的方法及裝置 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及空氣中顆粒物的檢測，特別是涉及一種偏振光散射測量顆粒物的方法 及裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 顆粒物的粒徑分布和濃度檢測是大氣環(huán)境檢測的重要研究對象和組成部分，對顆 粒物的粒徑分布、濃度和成分的研究也存在很多方法。主要的方法有振蕩天平法、濾膜稱重 法、壓電晶體法、beta射線吸收法、光透射法以及光散射法。在實(shí)際的測量中，因?yàn)閮x器的 可重復(fù)使用性和精確性，對顆粒物濃度測量主要使用振蕩天平法和光散射法，而前者雖然 精度高，但作為一般實(shí)驗(yàn)研究和個(gè)人使用，成本過于昂貴，而且近年來光電探測器、信號放 大器等光電器件的發(fā)展，光散射法越來越成為更多人首選的方法。然而，現(xiàn)有的基于光散射 原理分析顆粒物的方法中，多用于分析顆粒物的粒徑大小分布及計(jì)算顆粒物的濃度，卻無 法區(qū)分顆粒物的具體成分。而且現(xiàn)有的分析方法分析粒徑大小分布時(shí)，只能區(qū)分大粒徑粒 子的粒徑分布，無法準(zhǔn)確區(qū)分小粒徑粒子的粒徑分布。這是因?yàn)?，現(xiàn)有的分析測量方法中， 基于散射光強(qiáng)進(jìn)行測量分析，然而由于散射光強(qiáng)與粒徑大小成正比，粒徑很小的粒子散射 光強(qiáng)很弱，會(huì)被大粒徑粒子的散射光覆蓋，造成散射光強(qiáng)分析時(shí)小粒徑粒子信息缺失，所以 對粒徑較小的粒子探測不準(zhǔn)確，經(jīng)常無法區(qū)分粒徑較小的粒子的粒徑分布情況。雖然增加 多個(gè)散射角度的探測器數(shù)目或者提高探測器靈敏度是解決問題的辦法，但是這對成本和結(jié) 構(gòu)復(fù)雜性提出了挑戰(zhàn)。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：彌補(bǔ)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種偏振光散射 測量顆粒物的方法及裝置，可分析得到顆粒物的成分信息，且分析粒徑分布時(shí)不僅能區(qū)分 大粒徑粒子的粒徑分布，還能準(zhǔn)確區(qū)分小粒徑粒子的粒徑分布，同時(shí)成本也得到較好的控 制。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)問題通過以下的技術(shù)方案予以解決：
[0005] -種偏振光散射測量顆粒物的方法，將待測空氣樣品以恒定速度流過測試區(qū)，激 光經(jīng)聚焦偏振處理后照射所述測試區(qū)；探測分析當(dāng)前流過測試區(qū)的空氣樣品中的當(dāng)前顆 粒物時(shí)，包括以下步驟：1)探測當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的Stokes矢量，所述 Stokes矢量為表示散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量；2)根據(jù)步驟1)檢測的Stokes矢量分別計(jì) 算得到散射光的偏振參量，包括線偏振度DOPp圓偏振度D0P。、取向角零和橢圓率α ;3)將 所述散射光的偏振參量與標(biāo)準(zhǔn)庫中的散射光的標(biāo)準(zhǔn)偏振參量進(jìn)行比對，查找最接近的一組 標(biāo)準(zhǔn)偏振參量對應(yīng)的粒徑區(qū)間和折射率；4)根據(jù)步驟3)查找的折射率確定出當(dāng)前顆粒物 對應(yīng)的成分，進(jìn)而獲得成分信息及其粒徑區(qū)間信息。
[0006] -種偏振光散射測量顆粒物的裝置，包括激光源、聚焦單元、起偏單元，探測單元 和計(jì)算處理單元；將待測空氣樣品以恒定速度流過測試區(qū)，所述激光源發(fā)出激光依次經(jīng)所 述聚焦單元聚焦、所述起偏單元偏振處理后照射到所述測試區(qū)；所述探測單元用于探測流 過所述測試區(qū)的待測空氣樣品中的當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的Stokes矢量，所 述Stokes矢量為表示散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量；所述計(jì)算處理單元根據(jù)上述步驟2)至 步驟4)由所述探測單元探測的散射光的Stokes矢量分析得到當(dāng)前顆粒物的成分信息及其 粒徑區(qū)間信息。
[0007] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是：
[0008] 本發(fā)明的偏振光散射測量顆粒物的方法及裝置，使用偏振處理后的激光照射待測 樣品，探測其散射光的表不散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的Stokes矢量信息進(jìn)行分析，由Stokes矢 量信息計(jì)算偏振參量，與標(biāo)準(zhǔn)偏振參量進(jìn)行比對從而獲取成分信息，粒徑分布信息。由于方 法中采用標(biāo)準(zhǔn)庫事先獲取已知常見成分的偏振參量，進(jìn)行比對后，即可根據(jù)偏振參量的接 近程度判斷待測顆粒物的成分信息。而由于采用偏振信息進(jìn)行分析，不再僅僅依賴光強(qiáng)探 測小粒徑粒子，可依據(jù)散射光的偏振特征獲取小粒徑粒子的信息，從而可準(zhǔn)確地探測到小 粒徑粒子的信息，進(jìn)而能準(zhǔn)確獲取小粒徑粒子的粒徑分布信息。本發(fā)明的方法并不要求探 測器具有較高靈敏度，因此成本得到了很好地控制。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0009] 圖1是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中偏振光散射測量顆粒物的方法中探測分析階段的 流程圖；
[0010] 圖2是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中偏振光散射測量顆粒物的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中測量裝置的一個(gè)具體實(shí)例結(jié)構(gòu)示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0012] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并對照附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0013] 本發(fā)明中的測量方法是一種基于光的偏振散射特性的粒徑成分、分布測量方法， 它區(qū)別于以往光散射測量的最大特點(diǎn)就是采用偏振光入射到待測樣品，同時(shí)測量出射的散 射光的偏振特征。不同顆粒物散射過程中顆粒物的尺寸形態(tài)和分布屬性不僅反映在散射強(qiáng) 度上，更能敏感地影響偏振光學(xué)特征。偏振散射的測量模式可以有效降低傳統(tǒng)光散射粒徑 分析法中對角度和波長信息的要求。由Mie散射理論分析得到，較小粒徑的顆粒物其對偏 振光的散射作用大于大粒子，更適合通過計(jì)算散射光的偏振特征得到小粒徑的結(jié)構(gòu)分布信 息。偏振散射技術(shù)繼承了光散射法較其它方法成本低，操作簡單快捷，測量范圍廣，局限性 小的優(yōu)點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，又減少了探測器的數(shù)量，為進(jìn)一步降低成本，測量裝置結(jié)構(gòu)簡化起 到了很大的作用。
[0014] 如圖1所示，為本【具體實(shí)施方式】的測量顆粒物的方法的流程圖，測量時(shí)，將待測空 氣樣品以恒定速度流過測試區(qū)，激光經(jīng)聚焦偏振處理后照射所述測試區(qū)。流過測試區(qū)的空 氣樣品中的當(dāng)前顆粒物會(huì)對激光進(jìn)行散射，探測散射光的特征，從而分析得到當(dāng)前顆粒物 的屬性（成分、粒徑）信息。對每一個(gè)顆粒物進(jìn)行探測分析，統(tǒng)計(jì)后，即可得到待測空氣樣 品的成分、粒徑分布。探測分析當(dāng)前流過測試區(qū)的空氣樣品中的當(dāng)前顆粒物時(shí)，包括以下步 驟：
[0015] P1)探測當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的Stokes矢量，所述Stokes矢量為表 不散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量。
[0016] 該步驟中，基于偏振光對不同結(jié)構(gòu)和分布屬性的粒子散射光強(qiáng)分布和偏振態(tài)變化 規(guī)律不同，因此探測散射光的光強(qiáng)以及偏振特征可以分析評估散射微粒組成。對散射后的 散射光可以建立表示其光強(qiáng)和偏振態(tài)的Stokes矢量，具體地，Stokes矢量的數(shù)學(xué)表達(dá)形式 是S= (I，Q，U，V)。其中，I表不散射光的光強(qiáng)，Q表不散射光中水平線偏振光或垂直線偏 振光的光強(qiáng)，U表不散射光中45°線偏振光或135°線偏振光的光強(qiáng)，V表不散射光中右旋 圓偏振光或左旋圓偏振光的光強(qiáng)。
[0017] 如下，舉例說明一種根據(jù)光強(qiáng)值確定Stokes矢量的方法。探測時(shí)，分別探測所述 散射光在0°線偏振處理后的光強(qiáng)1^90°線偏振處理后的光強(qiáng)12、45°線偏振處理后的光 強(qiáng)13、135°線偏振處理后的光強(qiáng)1 4、右旋圓偏振處理后的光強(qiáng)15、左旋圓偏振處理后的光 強(qiáng)16，根據(jù)六個(gè)光強(qiáng)值計(jì)算得到Stokes矢量。計(jì)算時(shí)：總光強(qiáng)I = (或=13+14，或= 1 5+16)。Q = Ii - 12, U = 13 - 14, V = 15 - 16。計(jì)算得到 Q > 0 時(shí)，表示散射光中 0° 線 偏振光占主要成分，主要表不水平線偏振光的光強(qiáng)，散射光更容易轉(zhuǎn)變?yōu)?°偏振方向；計(jì) 算得到Q < 0時(shí),表示散射光中90°線偏振光占主要成分，主要表示垂直線偏振光的光強(qiáng)， 散射光更容易轉(zhuǎn)變?yōu)?0°線偏振方向。相應(yīng)地，U>0時(shí)，則表示散射光中45°線偏振光 占主要成分，主要表不45°線偏振光的光強(qiáng)，散射光更容易轉(zhuǎn)變?yōu)?5°線偏振方向。V>0 時(shí)，貝 1J表不散射光中右旋圓偏振光占主要成分，主要表不右旋圓偏振光的光強(qiáng)，散射光更容 易轉(zhuǎn)變?yōu)橛倚龍A偏振光。需說明的是：上述通過光強(qiáng)確定Stokes矢量的方法僅為舉例的一 種，其它可確定上述四個(gè)表示光強(qiáng)和偏振信息的矢量的方法均可用于本【具體實(shí)施方式】的探 測分析中，不應(yīng)該理解為僅此一種方式。
[0018] P2)根據(jù)步驟P1)檢測的Stokes矢量分別計(jì)算得到散射光的偏振參量，包括線偏 振度D0PL、圓偏振度D0PC、取向角φ (表示橢圓偏振光的取向方向）和橢圓率α (表示橢 圓偏振光中長短軸之比）。
[0019] 該步驟中，計(jì)算時(shí)，可根據(jù)如下公式計(jì)算得到偏振參量：
【權(quán)利要求】
1. 一種偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：將待測空氣樣品以恒定速度流過 測試區(qū)，激光經(jīng)聚焦偏振處理后照射所述測試區(qū)；探測分析當(dāng)前流過測試區(qū)的空氣樣品中 的當(dāng)前顆粒物時(shí)，包括以下步驟：1)探測當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的Stokes矢 量，所述Stokes矢量為表示散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量；2)根據(jù)步驟1)檢測的Stokes矢 量分別計(jì)算得到散射光的偏振參量，包括線偏振度DOPp圓偏振度D0P。、取向角f和橢圓率 α ;3)將所述散射光的偏振參量與標(biāo)準(zhǔn)庫中的散射光的標(biāo)準(zhǔn)偏振參量進(jìn)行比對，查找最接 近的一組標(biāo)準(zhǔn)偏振參量對應(yīng)的粒徑區(qū)間和折射率；4)根據(jù)步驟3)查找的折射率確定出當(dāng) 前顆粒物對應(yīng)的成分，進(jìn)而獲得成分信息及其粒徑區(qū)間信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述步驟1)中 所述Stokes矢量包括矢量I、Q、U、V，其中，I表示散射光的光強(qiáng)，Q表示散射光中水平線偏 振光或垂直線偏振光的光強(qiáng)，U表不散射光中45°線偏振光或135°線偏振光的光強(qiáng)，V表 不散射光中右旋圓偏振光或左旋圓偏振光的光強(qiáng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述步驟2)中 按照如下公式計(jì)算得到偏振參量：
a = tan (sirf1 (V)) 〇
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述步驟 1)探測時(shí)，分別探測所述散射光經(jīng)0°線偏振處理后的光強(qiáng)1^90°線偏振處理后的光強(qiáng) 1 2、45°線偏振處理后的光強(qiáng)13、135°線偏振處理后的光強(qiáng)14、右旋圓偏振處理后的光強(qiáng) 1 5、左旋圓偏振處理后的光強(qiáng)16，根據(jù)六個(gè)光強(qiáng)值計(jì)算得到Stokes矢量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述步驟1)中 探測0?180°的散射角度處的散射光的Stokes矢量；所述步驟3)中標(biāo)準(zhǔn)庫中存儲(chǔ)有0? 180°散射角度下粒徑區(qū)間、偏振參量和折射率的信息。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：探測的散射角 度選取五個(gè)角度，包括10°?15°的前向探測角度，55°?63°的側(cè)向探測角度，90°垂 直探測角度，115°?130°的側(cè)向探測角度，158°?165°的背向探測角度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述步驟3)中 查找時(shí)最接近的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：所述散射光的偏振參量與某一標(biāo)準(zhǔn)偏振參量的誤差最小，則 該標(biāo)準(zhǔn)偏振參量為最接近的標(biāo)準(zhǔn)偏振參量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述標(biāo)準(zhǔn)庫是 由用戶事先測量得到，測量已知顆粒物成分的空氣樣品流過測試區(qū)時(shí)對激光散射后的散射 光對應(yīng)的偏振參量，并記錄所述已知顆粒物成分的粒徑區(qū)間、偏振參量、折射率作為標(biāo)準(zhǔn)庫 中的粒徑區(qū)間、偏振參量、折射率。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光散射測量顆粒物的方法，其特征在于：所述標(biāo)準(zhǔn)庫中 粒徑區(qū)間包括 0· 1 μ m ?0· 4 μ m、0. 4ym ?Ιμπκ?μηι ?2·5μηι、2·5μηι ?5ym、5ym ? 10 μ m五個(gè)區(qū)間。
10. -種偏振光散射測量顆粒物的裝置，其特征在于：包括激光源、聚焦單元、起偏單 元，探測單元和計(jì)算處理單元；將待測空氣樣品以恒定速度流過測試區(qū)，所述激光源發(fā)出 激光依次經(jīng)所述聚焦單元聚焦、所述起偏單元偏振處理后照射到所述測試區(qū)；所述探測 單元用于探測流過所述測試區(qū)的待測空氣樣品中的當(dāng)前顆粒物對激光散射后的散射光的 Stokes矢量，所述Stokes矢量為表示散射光光強(qiáng)和偏振態(tài)的矢量；所述計(jì)算處理單元根據(jù) 權(quán)利要求1中步驟2)至步驟4)由所述探測單元探測的散射光的Stokes矢量分析得到當(dāng) 前顆粒物的成分信息及其粒徑區(qū)間信息。
【文檔編號】G01N15/02GK104089855SQ201410343086
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月17日
【發(fā)明者】曾楠, 李達(dá), 馬輝 申請人:清華大學(xué)深圳研究生院