一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，針對現(xiàn)有技術(shù)中的裝置在顆粒粒徑小于10微米時不再適用的缺點，利用階梯式中性密度濾光片將透射光和散射光衰減至同一光強(qiáng)數(shù)量級別，實現(xiàn)了在單一數(shù)字面陣相機(jī)的測量系統(tǒng)中對透射光和散射光同時拍攝，具有靈敏度高、響應(yīng)快、光路系統(tǒng)簡單緊湊等優(yōu)點，通過獲得的散射光和透射光信息可以得知粒徑分布，在已知粒徑分布的情況下，利用本裝置可以測量微米級的粉塵濃度，利用透射光結(jié)合消光法可以實現(xiàn)亞微米和納米級的粉塵濃度測量，成功實現(xiàn)了對微米級、亞微米級和納米級粉塵濃度的測量，涵蓋的粒徑范圍大，具有極大的市場優(yōu)勢。
【專利說明】-種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種粉塵濃度測量裝置，具體涉及一種大粒徑范圍的粉塵濃度測 量裝置，實現(xiàn)了在一個測量裝置中同時對透射光和前向小角散射光進(jìn)行測量，測量范圍廣， 涵蓋納米級和微米級的粉塵顆粒。

【背景技術(shù)】
[0002] 粉塵主要危害之一是大氣環(huán)境污染，其二是爆炸危害，有些場合，粉塵還會影響生 產(chǎn)，比如粉塵會降低太陽能電池板的發(fā)電效率，導(dǎo)致我國太陽能光伏發(fā)電項目每年間接損 失達(dá)數(shù)億元，因此，粉塵濃度測量在能源研究、環(huán)境保護(hù)、大氣科學(xué)等領(lǐng)域都有重要的意義。 目前已經(jīng)發(fā)展了多種粉塵濃度測量技術(shù)，如機(jī)械法、電感電容法、超聲波法、光學(xué)法等，近幾 十年來由于激光技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和光纖技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)法因其非接觸性、實時性，得到 了迅速的發(fā)展應(yīng)用。
[0003] 光學(xué)法測量顆粒濃度方法，根據(jù)測量散射光和透射光可分為兩種：一種是散射積 分法，主要利用前向小角內(nèi)的散射光，對散射光強(qiáng)進(jìn)行角度積分，光強(qiáng)積分值與粉塵濃度 呈正比關(guān)系，即通過測量粉塵散射光就可以得出粉塵濃度。另一種是消光法，根據(jù)著名的 Beer-Lambert定理，透射光與入射光的的比值是顆粒平均粒徑與顆粒濃度的函數(shù)，通過對 多個波長的透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的測量就可以求解粒徑與濃度參數(shù)。散射積分法的優(yōu)點在 于無需預(yù)知粒徑即可求解顆粒濃度，但是散射積分法法測量顆粒濃度基于Fraunhofer衍 射理論，在可見光范圍內(nèi)，當(dāng)顆粒粒徑小于10μm時，F(xiàn)raunhofer衍射理論在前向小角范圍 內(nèi)不能精確表示光強(qiáng)分布，故粒徑小于IOym時散射積分法不再適用。消光法在光學(xué)原理 上和光學(xué)測量裝置上都比其他光學(xué)方法更為簡單，粒徑適用范圍下限可到幾個納米，上限 可達(dá)微米級別，但缺點也很明顯，需事先知道顆粒物的平均粒徑，而單波長下光全散射法無 法同時求解兩個未知數(shù)：平均粒徑和顆粒數(shù)，而且濃度測量對平均粒徑的依賴性比較大，因 而平均粒徑的誤差可導(dǎo)致較大的濃度測量誤差。
[0004] 此外，在現(xiàn)有粉塵濃度測量系統(tǒng)中，由于顆粒的透射光光強(qiáng)和散射光光強(qiáng)值相差 較大，導(dǎo)致光電探測器的動態(tài)探測范圍內(nèi)難以同時合理曝光采集，故光學(xué)測量裝置需多個 探測器對分離的散射光和透射光分別進(jìn)行測量，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜。鑒于上述缺陷，迫切需 要一種更加可靠精確、結(jié)構(gòu)簡單的粉塵濃度測量裝置和方法。 實用新型內(nèi)容
[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種大粒徑范圍的粉塵濃度 測量裝置，針對現(xiàn)有技術(shù)中的測量裝置在顆粒粒徑小于10μm時不再適用的缺點，提出了 一種基于單一數(shù)字面陣相機(jī)的粉塵濃度測量裝置，在粒徑小于10μm時可以利用透射光進(jìn) 行消光法測量顆粒濃度，拓寬了顆粒濃度測量裝置的粒徑適用范圍下限至納米級，在預(yù)知 粒徑的前提下，濃度測量的粒徑適用范圍下限可到幾個納米。
[0006] 本實用新型的基本原理為：通過采用透射光和散射光的不同光密度的濾光片衰減 達(dá)到同一光強(qiáng)數(shù)量級，則數(shù)字面陣相機(jī)可同時測量透射光和散射光。經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到不同 角度的散射光強(qiáng)測量值，依據(jù)Mie理論反演粒徑分布，從而得到顆粒群平均粒徑。當(dāng)粒徑屬 于納米級別或者亞微米級別時，采用Beer-Lambert定理求解顆粒濃度，當(dāng)粒徑屬于微米級 別時采用散射積分法求解顆粒濃度。
[0007]為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本實用新型采用如下的技術(shù)方案：
[0008] -種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，包括：按光路方向依次設(shè)置的激光光源、空 間濾波器、樣品池、收集透鏡、階梯式中性密度濾光片及面陣數(shù)字相機(jī)；光路經(jīng)樣品池后形 成雙光路結(jié)構(gòu)，其中一路是樣品池中透射光進(jìn)入階梯式中性密度濾光片中心小圓內(nèi)進(jìn)行光 強(qiáng)衰減，然后經(jīng)面陣數(shù)字相機(jī)的鏡頭聚焦在面陣數(shù)字相機(jī)的感光面上；另一路是樣品池中 散射光進(jìn)入階梯式中性密度濾光片中心小圓外進(jìn)行光強(qiáng)衰減，然后經(jīng)面陣數(shù)字相機(jī)的鏡頭 聚焦在面陣數(shù)字相機(jī)的感光面上；得到的透射光和散射光的光學(xué)信號均被輸送至一計算機(jī) 中。
[0009] 優(yōu)選地，前述中性密度濾光片中心小圓的半徑為R，R至少為激光光源所發(fā)生的激 光束束腰半徑的2倍，這樣一來，則入射光照射至中心小圓時，可將全部入射光進(jìn)行光強(qiáng)衰 減，并不會產(chǎn)生多余衍射光，而當(dāng)小圓半徑小于2倍光束束腰半徑時，光路調(diào)整較為困難， 易產(chǎn)生雜散光。
[0010] 優(yōu)選地，前述中性密度濾光片位于收集透鏡的焦平面處。
[0011] 具體地，前述面陣數(shù)字相機(jī)為(XD或CMOS數(shù)字相機(jī)。
[0012] 進(jìn)一步地，前述空間濾波器由兩個透鏡和一個不透光平面上構(gòu)成，所述不透光平 面上形成有一小孔，兩個透鏡平行放置以對光束進(jìn)行匯聚準(zhǔn)直，所述小孔位于兩個透鏡之 間的焦平面中心。
[0013]為了解決單一面陣相機(jī)同時測量透射光強(qiáng)與散射光強(qiáng)時，因透射光光強(qiáng)和散射光 強(qiáng)數(shù)量級差距太大而難以同時合理曝光的缺點，采用入射光和散射光進(jìn)行不同光密度的中 性密度濾光片的光強(qiáng)衰減的方法，使得透射光和散射光以同等數(shù)量級進(jìn)入面陣相機(jī)。階梯 式中性密度濾光片的中心小圓內(nèi)采用大光密度，接收透射光，其它部分采用小光密度，接收 散射光。
[0014] 激光光束照射測量區(qū)域的顆粒，產(chǎn)生散射光。散射光和透射光透過散射光收集透 鏡后聚焦在透鏡焦平面上，中性密度濾光片放置在焦平面上，則經(jīng)由階梯式中性密度濾光 片的透射光和散射光達(dá)到同一光強(qiáng)數(shù)量級進(jìn)入面陣數(shù)字相機(jī)。
[0015] 因CCD鏡頭的所拍攝圖像有一定畸形，故可以采用固定大小的小孔放置在測量區(qū) 域，根據(jù)所拍攝的小孔衍射光來重新校準(zhǔn)圖像的每個像素點所對應(yīng)的散射角度。圖像處理 后所得的每個散射角下的散射光強(qiáng)由屬于劃分在此散射角下的所有像素點的平均光強(qiáng)求 得。
[0016] 本實用新型的有益之處在于：本實用新型的粉塵濃度測量裝置，利用階梯式中性 密度濾光片將透射光和散射光衰減至同一光強(qiáng)數(shù)量級別，實現(xiàn)了在單一數(shù)字面陣相機(jī)的測 量系統(tǒng)中對透射光和散射光同時拍攝，具有靈敏度高、響應(yīng)快、光路系統(tǒng)簡單緊湊等優(yōu)點， 通過獲得的散射光和透射光信息可以得知粒徑分布，在已知粒徑分布的情況下，利用散射 光采用散射積分法可以測量微米級別的粉塵濃度，利用透射光采用消光法可以實現(xiàn)亞微米 級別和納米級別的粉塵濃度測量，成功實現(xiàn)了對微米級、亞微米級和納米級粉塵濃度的測 量，涵蓋的粒徑范圍大，具有極大的市場優(yōu)勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本實用新型的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖中附圖標(biāo)記的含義：1、激光器，2、空間濾波器，21、透鏡，22、小孔，3、樣品池，4、 收集透鏡，5、階梯式中性密度濾光片，6、面陣數(shù)字相機(jī)，61、鏡頭，62、感光面，7、計算機(jī)。

【具體實施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作具體的介紹。
[0020] 本實用新型的粉塵濃度測量裝置能夠同時測量微米級、亞微米級及納米級的粉塵 濃度，其結(jié)構(gòu)參見圖1，包括：按光線傳輸即光路方向依次設(shè)置的激光光源1、空間濾波器2、 樣品池3、收集透鏡4、階梯式中性密度濾光片5及面陣數(shù)字相機(jī)6
[0021] 激光光源一般是由激光器1發(fā)出的，經(jīng)空間濾波器2濾除雜散光并進(jìn)行準(zhǔn)直，得到 純凈的高斯平行光束，平行激光光束進(jìn)入測量區(qū)域，穿過樣品池3內(nèi)的粉塵混合流體，產(chǎn)生 散射光與透射光，經(jīng)過收集透鏡4聚焦在焦平面上形成光強(qiáng)角分布圖像。光強(qiáng)角分布圖像 經(jīng)放置在收集透鏡4焦平面處的階梯式中性密度濾光片5進(jìn)行光強(qiáng)衰減，散射光和中心透 射光經(jīng)過不同光學(xué)密度衰減從而形成雙光路結(jié)構(gòu)，其中一路是樣品池3中透射光進(jìn)入階梯 式中性密度濾光片5中心小圓內(nèi)進(jìn)行光強(qiáng)衰減，另一路是樣品池3中散射光進(jìn)入階梯式中 性密度濾光片5中心小圓外進(jìn)行光強(qiáng)衰減，光路經(jīng)階梯式中性密度濾光片5后，進(jìn)入面陣數(shù) 字相機(jī)6的鏡頭61，最后聚焦在面陣數(shù)字相機(jī)6的感光面62上，面陣數(shù)字相機(jī)6通過USB 通訊將采集的角分布光強(qiáng)值數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電信號并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換送入計算機(jī)7處理，得 到粉塵濃度。
[0022] 作為一種具體結(jié)構(gòu)，空間濾波器2由兩個透鏡21和一個不透光平面上的小孔22 組成，如圖1所示，兩個透鏡21平行放置，對光束進(jìn)行匯聚準(zhǔn)直，小孔22在兩個透鏡21之 間的焦平面的中心。面陣數(shù)字相機(jī)6優(yōu)選為CCD或CMOS數(shù)字相機(jī)，能夠保證靈敏度高、響 應(yīng)快。
[0023]如圖1所示，經(jīng)過樣品池后的透射光和散射光經(jīng)收集透鏡4聚焦在焦平面上，透射 光與〇度角的散射光平行，所以都聚焦在焦平面上的光路中心處。散射光的散射角大于〇 度角，同一散射角的散射光在焦平面上會形成以光路中心為圓心的圓環(huán)上。透射平行光束 在收集透鏡4的焦平面上會形成艾里斑，為了有效利用這部分光強(qiáng)，圓環(huán)半徑R大小應(yīng)略大 于艾里斑大小

【權(quán)利要求】
1. 一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在于，包括：按光路方向依次設(shè)置的 激光光源、空間濾波器、樣品池、收集透鏡、階梯式中性密度濾光片及面陣數(shù)字相機(jī)；光路經(jīng) 樣品池后形成雙光路結(jié)構(gòu)，其中一路是樣品池中透射光進(jìn)入階梯式中性密度濾光片中心小 圓內(nèi)進(jìn)行光強(qiáng)衰減，然后經(jīng)面陣數(shù)字相機(jī)的鏡頭聚焦在面陣數(shù)字相機(jī)的感光面上；另一路 是樣品池中散射光進(jìn)入階梯式中性密度濾光片中心小圓外進(jìn)行光強(qiáng)衰減，然后經(jīng)面陣數(shù)字 相機(jī)的鏡頭聚焦在面陣數(shù)字相機(jī)的感光面上；得到的透射光和散射光的光學(xué)信號均被輸送 至一計算機(jī)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在于，所述中 性密度濾光片中心小圓的半徑為R，R至少為激光光源所發(fā)生的激光束束腰半徑的2倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在于，所述中 性密度濾光片位于收集透鏡的焦平面處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在于，所述面 陣數(shù)字相機(jī)為CCD或CMOS數(shù)字相機(jī)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在 于，所述空間濾波器由兩個透鏡和一個不透光平面上構(gòu)成，所述不透光平面上形成有一小 孔，兩個透鏡平行放置以對光束進(jìn)行匯聚準(zhǔn)直。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種大粒徑范圍的粉塵濃度測量裝置，其特征在于，所述小 孔位于兩個透鏡之間的焦平面中心。
【文檔編號】G01N15/06GK204177707SQ201420582584
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月9日
【發(fā)明者】林學(xué)勇, 李舒, 張宸瑜, 許傳龍 申請人:南京市計量監(jiān)督檢測院