一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法,裝置包括激光器、第一1/4波片、平行平板對、氣溶膠室、角反射棱鏡、調(diào)制激光器、消偏振分光棱鏡、偏振分光棱鏡光電檢測器件等,方法利用從采樣空氣濾紙過濾形成含塵濾紙,通過調(diào)制激光照射含塵濾紙引起表面空氣溫度及折射率變化。在假設(shè)空氣顆粒物成分不變的情況下,通過測量空氣折射率變化獲得濾紙上顆粒物質(zhì)量,并通過采樣體積等效成空氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。
【專利說明】一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及大氣顆粒濃度監(jiān)測裝置及方法領(lǐng)域,具體是一種用于監(jiān)測大氣顆粒物 濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣顆粒物對氣候、人類健康都有十分重要的影響,尤其是粒徑小于2. 5微米的 顆粒物簡稱PM2. 5。富含大量的有毒、有害物質(zhì)且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠,因而 對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響很大。PM2. 5是陰霾天氣形成的主要原因,PM2. 5是造成 空氣環(huán)境污染,對人體健康危害最嚴重的一類大氣污染物。目前,國內(nèi)外對大氣顆粒物濃度 的監(jiān)測主要有稱重法、石英微量振蕩天平法、Beta射線法。稱重法不適合連續(xù)觀測;震蕩天 平安裝及運行成本高;Beta射線吸收法可以滿足環(huán)境監(jiān)測要求,但是由于計數(shù)值需要進行 統(tǒng)計分析,測量時間較長,對于有實時性要求的場合,比如環(huán)境污染偵察,響應(yīng)時間不能滿 足測量要求,以及需要智能加熱模塊克服濕度對測量結(jié)果的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法, 以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0004] 為了達到上述目的,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0005] -種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:包括有可出射線偏振 光的激光器,激光器右方依次設(shè)置有第一 1/4波片、平行平板對、氣溶膠室、角反射棱鏡,其 中平行平板對由一對相互傾斜平行的前、后玻璃平板構(gòu)成,前、后玻璃平板在第一 1/4波片 右方呈前后錯開分布,其中前玻璃平板的左側(cè)面朝向后玻璃平板的右側(cè)面,且前玻璃平板 的左側(cè)面與第一 1/4波片正對,前、后玻璃平板右側(cè)面分別朝向氣溶膠室,前玻璃平板左側(cè) 面從下至上依次附著有增透膜、高反膜,前玻璃平板右側(cè)面附著有偏振分束膜、增透膜,位 于氣溶膠室與角反射棱鏡之間前方設(shè)置有調(diào)制激光器,位于前玻璃平板前方設(shè)置有消偏振 分光棱鏡,消偏振分光棱鏡朝向前玻璃平板的后側(cè)面設(shè)置有第二1/4波片,緊貼消偏振分 光棱鏡前側(cè)面、左側(cè)面分別設(shè)置有偏振分光棱鏡,且左側(cè)的偏振分光棱鏡與消偏振分光棱 鏡之間設(shè)置有1/2波片,前側(cè)的偏振分光棱鏡右方、前方以及左側(cè)的偏振分光棱鏡左方、后 方分別設(shè)置有光電檢測器件;
[0006] 從激光器發(fā)出的光為線偏振光,偏振光經(jīng)過第一 1/4波片后,變成圓偏振光,圓偏 振光射入平行平板對中前玻璃平板上左側(cè)面A點,經(jīng)過前玻璃平板的偏振分束膜后被分成 P和s光,其中p光在A點透射過前玻璃平板后再穿過氣溶膠室射向角反射棱鏡,經(jīng)過角反 射棱鏡回射后到達后玻璃平板,再經(jīng)過后玻璃平板反射后到達前玻璃平板上B點并從B點 透射過前玻璃平板,P光的光路作為測量臂,s光經(jīng)前玻璃平板反射后經(jīng)過后玻璃平板的高 反膜再次反射后穿過氣溶膠室射向角反射棱鏡,經(jīng)過角反射棱鏡回射后到達前玻璃平板上 B點右側(cè)面,此光路作為參考臂,最終s光和p光在平行平板對中前玻璃平板的B點右側(cè) 面重新相遇匯合成相互重合偏振態(tài)正交的光信號,相互重合偏振態(tài)正交的光信號射入第二 1/4波片,變成兩束旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光,然后經(jīng)過消偏振分光棱鏡分成等強度的兩束 光,其中一束光射向前側(cè)的偏振分光棱鏡后,P光透射S光反射形成兩束相位差180度干涉 信號,另外一束光經(jīng)過1/2波片后,形成與原來旋轉(zhuǎn)方向相反的兩圓偏光,然后再經(jīng)過左側(cè) 的偏振分光棱鏡形成另外兩束相位差180度的干涉信號,四束相位差依次相差90度的干涉 信號分別被四個光電檢測器件接收后轉(zhuǎn)換為電信號,作為整個光熱干涉儀的輸出。
[0007] 所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:所述平行平板 對中,前、后玻璃平板材質(zhì)采用K9玻璃,激光器的測量波長為632. 8nm。
[0008] 所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:位于氣溶膠室 與角反射棱鏡之間的調(diào)制激光器后方、位于氣溶膠室與平行平板對之間分別設(shè)置有反射棱 鏡,位于氣溶膠室與平行平板對之間的反射棱鏡前方設(shè)置有反射鏡,反射鏡使激光的方向 改變180度。
[0009] 所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:所述第一、第二 1/4波片的快軸與沿左右方向的X軸夾角為45度。
[0010] 所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:所述1/2波片 的快軸與沿左右方向的X軸夾角為22. 5度。
[0011] -種光熱干涉儀的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:采用濾紙將含有顆粒 物的空氣其中的顆粒物與氣體分開來,由于空氣分子的粒徑遠小于濾紙縫隙,而顆粒物的 粒徑遠大于濾紙的縫隙,故留在濾紙上形成沉積顆粒物;
[0012] 將形成有沉積顆粒物的濾紙置于光熱干涉儀中氣溶膠室與角反射棱鏡之間的測 量臂上,用調(diào)制激光器以一定的角度照射濾紙上的顆粒物,顆粒物就會吸收熱量,當(dāng)吸收達 到飽和時濾紙上顆粒物放出熱量使周圍空氣溫度改變,空氣折射率隨之改變,從而光熱干 涉儀中四個光電檢測器件的輸出信號發(fā)生改變,從四個光電檢測器件的輸出信號中選擇處 于正交狀態(tài)的信號作為光熱干涉儀輸出信號,光熱干涉儀輸出信號在一定時間后達到動態(tài) 平衡,根據(jù)調(diào)制激光器的照射功率和光熱干涉儀輸出信號的幅值的比值來確定顆粒物的相 對濃度,并使用三個以上已知濃度的顆粒物濾紙進行測量,通過線性擬合確定標(biāo)定系數(shù),通 過計算得出大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。
[0013] 所述的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:調(diào)制激光器由信號發(fā)生器發(fā)出的 占空比為50%的方波控制,方波的上升沿時調(diào)制激光器開始照射,下降沿時調(diào)制激光器停 止照射,調(diào)制激光器照射時間與停止照射時間相等。
[0014] 所述的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:對空白濾紙激光照射后,光熱干涉 儀輸出作為背景,為了排除非顆粒物在激光照射后干涉儀輸出對測量結(jié)果的影響。
[0015] 本發(fā)明通過沉積在濾紙上顆粒物的質(zhì)量獲得大氣顆粒物濃度,采用光熱干涉儀測 量大氣顆粒物吸收引起的光熱干涉儀輸出變化,獲得大氣顆粒物質(zhì)量濃度。采用調(diào)制激光 器的激光照射含塵濾紙,大氣顆粒物吸收光能,引起采樣顆粒物溫度升高,導(dǎo)致表面的空氣 溫度升高,引起表面空氣折射率的變化,引起光熱干涉儀輸出變化,一般在某區(qū)域內(nèi)顆粒物 的成分比較固定,選擇不敏感吸收的波長,故可假定顆粒物吸收系數(shù)為常數(shù)。因此含塵濾紙 上顆粒物的質(zhì)量變化直接導(dǎo)致光熱干涉儀輸出的變化。通過光熱干涉儀的輸出可以確定大 氣顆粒物的質(zhì)量濃度。
[0016] 本發(fā)明提出了一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀及其監(jiān)測方法。本發(fā)明 可不受散射和空氣濕度影響,測量空氣質(zhì)量濃度準(zhǔn)確度較高。光熱干涉儀還有在其它領(lǐng)域 當(dāng)中研究材料薄膜的光學(xué)吸收深度等特性,以及懸臂梁的吸收增強特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明光熱干涉儀光路結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0018] 一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,包括有可出射線偏振光的激光器 13,激光器13右方依次設(shè)置有第一 1/4波片1、平行平板對2、氣溶膠室3、角反射棱鏡5,其 中平行平板對2由一對相互傾斜平行的前、后玻璃平板21、22構(gòu)成,前、后玻璃平板21、22 在第一 1/4波片1右方呈前后錯開分布,其中前玻璃平板21的左側(cè)面朝向后玻璃平板22 的右側(cè)面,且前玻璃平板21的左側(cè)面與第一 1/4波片1正對,前、后玻璃平板21、22右側(cè)面 分別朝向氣溶膠室3,前玻璃平板左側(cè)面從下至上依次附著有增透膜、高反膜,前玻璃平板 右側(cè)面附著有偏振分束膜、增透膜,位于氣溶膠室3與角反射棱鏡5之間前方設(shè)置有調(diào)制激 光器4,位于前玻璃平板21前方設(shè)置有消偏振分光棱鏡9,消偏振分光棱鏡9朝向前玻璃平 板21的后側(cè)面設(shè)置有第二1/4波片8,緊貼消偏振分光棱鏡9前側(cè)面、左側(cè)面分別設(shè)置有偏 振分光棱鏡11,且左側(cè)的偏振分光棱鏡與消偏振分光棱鏡9之間設(shè)置有1/2波片10,前側(cè) 的偏振分光棱鏡右方、前方以及左側(cè)的偏振分光棱鏡左方、后方分別設(shè)置有光電檢測器件 12 ;
[0019] 從激光器13發(fā)出的光為線偏振光,偏振光經(jīng)過第一 1/4波片1后,變成圓偏振光, 圓偏振光射入平行平板對2中前玻璃平板21上左側(cè)面A點,經(jīng)過前玻璃平板21的偏振分 束膜后被分成P和s光,其中p光在A點透射過前玻璃平板21后再穿過氣溶膠室3射向角 反射棱鏡5,經(jīng)過角反射棱鏡5回射后到達后玻璃平板22,再經(jīng)過后玻璃平板22反射后到 達前玻璃平板21上B點并從B點透射過前玻璃平板21,p光的光路作為測量臂,s光經(jīng)前 玻璃平板21反射后經(jīng)過后玻璃平板22的高反膜再次反射后穿過氣溶膠室3射向角反射棱 鏡5,經(jīng)過角反射棱鏡5回射后到達前玻璃平板21上B點右側(cè)面,此光路作為參考臂,最終 s光和p光在平行平板對2中前玻璃平板21的B點右側(cè)面重新相遇匯合成相互重合偏振 態(tài)正交的光信號,相互重合偏振態(tài)正交的光信號射入第二1/4波片8,變成兩束旋轉(zhuǎn)方向相 反的圓偏光,然后經(jīng)過消偏振分光棱鏡9分成等強度的兩束光,其中一束光射向前側(cè)的偏 振分光棱鏡后,P光透射s光反射形成兩束相位差180度干涉信號,另外一束光經(jīng)過1/2波 片10后,形成與原來旋轉(zhuǎn)方向相反的兩圓偏光,然后再經(jīng)過左側(cè)的偏振分光棱鏡形成另外 兩束相位差180度的干涉信號,四束相位差依次相差90度的干涉信號分別被四個光電檢測 器件12接收后轉(zhuǎn)換為電信號,作為整個光熱干涉儀的輸出。
[0020] 平行平板對2中,前、后玻璃平板21、22材質(zhì)采用K9玻璃,激光器13的測量波長 為 632. 8nm。
[0021] 位于氣溶膠室3與角反射棱鏡5之間的調(diào)制激光器4后方、位于氣溶膠室3與平 行平板對2之間分別設(shè)置有反射棱鏡6,位于氣溶膠室3與平行平板對2之間的反射棱鏡前 方設(shè)置有反射鏡7,反射鏡7使激光的方向改變180度。。
[0022] 第一、第二1/4波片1、8的快軸與沿左右方向的X軸夾角為45度。
[0023] 1/2波片10的快軸與沿左右方向的X軸夾角為22. 5度。
[0024] -種基于光熱干涉儀的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,采用濾紙將含有顆粒物的空氣 其中的顆粒物與氣體分開來,由于空氣分子的粒徑遠小于濾紙縫隙,而顆粒物的粒徑遠大 于濾紙的縫隙,故留在濾紙上形成沉積顆粒物;
[0025] 將形成有沉積顆粒物的濾紙置于光熱干涉儀中氣溶膠室與角反射棱鏡之間的測 量臂上,用調(diào)制激光器以一定的角度照射濾紙上的顆粒物,顆粒物就會吸收熱量,當(dāng)吸收達 到飽和時濾紙上顆粒物放出熱量使周圍空氣溫度改變,空氣折射率隨之改變,從而光熱干 涉儀中四個光電檢測器件的輸出信號發(fā)生改變,從四個光電檢測器件的輸出信號中選擇處 于正交狀態(tài)的信號作為光熱干涉儀輸出信號,光熱干涉儀輸出信號在一定時間后達到動態(tài) 平衡,根據(jù)調(diào)制激光器的照射功率和光熱干涉儀輸出信號的幅值的比值來確定顆粒物的相 對濃度,并使用三個以上已知濃度的顆粒物濾紙進行測量,通過線性擬合方式確定標(biāo)定系 數(shù),通過計算得出大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。
[0026] 調(diào)制激光器由信號發(fā)生器發(fā)出的占空比為50%的方波控制,方波的上升沿時調(diào)制 激光器開始照射,下降沿時調(diào)制激光器停止照射,調(diào)制激光器照射時間與停止照射時間相 等。
[0027] 對空白濾紙激光照射后,光熱干涉儀輸出作為背景,排除激光照射非顆粒物對測 量結(jié)果的影響。
[0028] 本發(fā)明測量原理如下:
[0029] 根據(jù)S. K Lau等建立了調(diào)制激光器照射薄膜一基底的溫度變化數(shù)學(xué)模型:
[0030]
【權(quán)利要求】
1. 一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于:包括有可出射線偏振光 的激光器,激光器右方依次設(shè)置有第一 1/4波片、平行平板對、氣溶膠室、角反射棱鏡,其中 平行平板對由一對相互傾斜平行的前、后玻璃平板構(gòu)成,前、后玻璃平板在第一 1/4波片右 方呈前后錯開分布,其中前玻璃平板的左側(cè)面朝向后玻璃平板的右側(cè)面,且前玻璃平板的 左側(cè)面與第一 1/4波片正對,前、后玻璃平板右側(cè)面分別朝向氣溶膠室,前玻璃平板左側(cè)面 從下至上依次附著有增透膜、高反膜,前玻璃平板右側(cè)面附著有偏振分束膜、增透膜,位于 氣溶膠室與角反射棱鏡之間前方設(shè)置有調(diào)制激光器,位于前玻璃平板前方設(shè)置有消偏振分 光棱鏡,消偏振分光棱鏡朝向前玻璃平板的后側(cè)面設(shè)置有第二1/4波片,緊貼消偏振分光 棱鏡前側(cè)面、左側(cè)面分別設(shè)置有偏振分光棱鏡,且左側(cè)的偏振分光棱鏡與消偏振分光棱鏡 之間設(shè)置有1/2波片,前側(cè)的偏振分光棱鏡右方、前方以及左側(cè)的偏振分光棱鏡左方、后方 分別設(shè)置有光電檢測器件; 從激光器發(fā)出的光為線偏振光,偏振光經(jīng)過第一 1/4波片后,變成圓偏振光,圓偏振光射 入平行平板對中前玻璃平板上左側(cè)面A點,經(jīng)過前玻璃平板的偏振分束膜后被分成p和s 光,其中P光在A點透射過前玻璃平板后再穿過氣溶膠室射向角反射棱鏡,經(jīng)過角反射棱鏡 回射后到達后玻璃平板,再經(jīng)過后玻璃平板反射后到達前玻璃平板上B點并從B點透射過 前玻璃平板,P光的光路作為測量臂,s光經(jīng)前玻璃平板反射后經(jīng)過后玻璃平板的高反膜再 次反射后穿過氣溶膠室射向角反射棱鏡,經(jīng)過角反射棱鏡回射后到達前玻璃平板上B點右 側(cè)面,此光路作為參考臂,最終s光和P光在平行平板對中前玻璃平板的B點右側(cè)面重新相 遇匯合成相互重合偏振態(tài)正交的光信號,相互重合偏振態(tài)正交的光信號射入第二1/4波片, 變成兩束旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏光,然后經(jīng)過消偏振分光棱鏡分成等強度的兩束光,其中一 束光射向前側(cè)的偏振分光棱鏡后,P光透射s光反射形成兩束相位差180度干涉信號,另外 一束光經(jīng)過1/2波片后,形成與原來旋轉(zhuǎn)方向相反的兩圓偏光,然后再經(jīng)過左側(cè)的偏振分光 棱鏡形成另外兩束相位差180度的干涉信號,四束相位差依次相差90度的干涉信號分別被 四個光電檢測器件接收后轉(zhuǎn)換為電信號,作為整個光熱干涉儀的輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于: 所述平行平板對中,前、后玻璃平板材質(zhì)采用K9玻璃,激光器的測量波長為632. 8nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于: 位于氣溶膠室與角反射棱鏡之間的調(diào)制激光器后方、位于氣溶膠室與平行平板對之間分別 設(shè)置有反射棱鏡,位于氣溶膠室與平行平板對之間的反射棱鏡前方設(shè)置有反射鏡,反射鏡 使激光的方向改變180度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于: 所述第一、第二1/4波片的快軸與沿左右方向的X軸夾角為45度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于監(jiān)測大氣顆粒物濃度的光熱干涉儀,其特征在于: 所述1/2波片的快軸與沿左右方向的X軸夾角為22. 5度。
6. -種基于權(quán)利要求1所述光熱干涉儀的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:采 用濾紙將含有顆粒物的空氣其中的顆粒物與氣體分開來,由于空氣分子的粒徑遠小于濾紙 縫隙,而顆粒物的粒徑遠大于濾紙的縫隙,故留在濾紙上形成沉積顆粒物; 將形成有沉積顆粒物的濾紙置于光熱干涉儀中氣溶膠室與角反射棱鏡之間的測量臂 上,用調(diào)制激光器以一定的角度照射濾紙上的顆粒物,顆粒物就會吸收熱量,當(dāng)吸收達到飽 和時濾紙上顆粒物放出熱量使周圍空氣溫度改變,空氣折射率隨之改變,從而光熱干涉儀 中四個光電檢測器件的輸出信號發(fā)生改變,從四個光電檢測器件的輸出信號中選擇處于正 交狀態(tài)的信號作為光熱干涉儀輸出信號,光熱干涉儀輸出信號在一定時間后達到動態(tài)平 衡,根據(jù)調(diào)制激光器的照射功率和光熱干涉儀輸出信號的幅值的比值來確定顆粒物的相對 濃度,并使用三個以上已知濃度的顆粒物濾紙進行測量,通過線性擬合確定標(biāo)定系數(shù),通過 計算得出大氣中顆粒物的質(zhì)量濃度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:調(diào)制激光器由信號 發(fā)生器發(fā)出的占空比為50%的方波控制,方波的上升沿時調(diào)制激光器開始照射,下降沿時 調(diào)制激光器停止照射,調(diào)制激光器照射時間與停止照射時間相等。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的大氣顆粒物濃度監(jiān)測方法,其特征在于:對空白濾紙激光照 射后,光熱干涉儀輸出作為背景,為了排除非顆粒物在激光照射后干涉儀輸出對測量結(jié)果 的影響。
【文檔編號】G01N15/06GK104237088SQ201410453760
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】李保生, 王易誠, 馬飛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)