專利名稱：氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器的制作方法
氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，尤其涉及一種氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器。二、背景技術(shù)城巿空氣細(xì)顆粒物可通過(guò)呼吸道進(jìn)入肺部并沉積在肺泡上，有的可直接進(jìn)入血液；同時(shí)這些細(xì)顆粒物攜帶大量的細(xì)菌、病毒及有毒有害物質(zhì)，導(dǎo)致 呼吸系統(tǒng)疾病及心血管疾病患者病情加重，從而對(duì)人體健康造成很大的危害。PM2. 5 (粒徑為2， 5 |im)大氣顆粒物對(duì)人體健康及環(huán)境的影響微小粒子的 貢獻(xiàn)比粗大粒子更大。從健康角度考慮，世界各國(guó)都制定了 PM10的環(huán)境質(zhì)量 標(biāo)準(zhǔn)。自從1997年美國(guó)頒布PM2.5的新標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，許多國(guó)家都在研究制定 PM2.5環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，但由于PM2.5標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器的不統(tǒng) 一，我國(guó)目前還未開始制定該標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的PMIO和PM2.5檢測(cè)，按測(cè)量原理分類有P射線吸收式、振蕩 天平式、光吸收式和光散射式。P射線吸收式由捕集在濾紙上的PM10對(duì)&射 線吸收值的增加，顯示出質(zhì)量濃度。振蕩天平式由于PM10的增加導(dǎo)致石英振 子的振動(dòng)頻率降低，從而顯示出質(zhì)量濃度值。光吸收式由捕集到濾紙上的PM10 對(duì)光吸收量的增加，顯示出相對(duì)濃度。光散射式PM10對(duì)光散射量的增加，給 出相對(duì)濃度。對(duì)于可吸入顆粒物PM10的監(jiān)測(cè)，P射線吸收式和振蕩天平式是公認(rèn)的標(biāo) 準(zhǔn)方法。但對(duì)于PM2.5及更小的粒子的監(jiān)測(cè)，上述兩個(gè)方法的配套附件(對(duì) 應(yīng)的粒子切割頭)還不完善，影響了測(cè)量精度，因此還未被多數(shù)專家認(rèn)可。 因此很多科學(xué)家開展了光散射式方法的改進(jìn)研究，取得了一些進(jìn)展，但目前 光散射式激光粉塵儀產(chǎn)品還存在信噪比不高，準(zhǔn)確度受測(cè)量環(huán)境影響較大的三、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點(diǎn)，而提供一種可有 效監(jiān)測(cè)分析氣體中粒徑小于10pm的微小粒子的分析方法及儀器，可用于 PMIO、 PM5、 PM2.5和PM1等微小粒子的同時(shí)高精度分析，并且準(zhǔn)確度基本不 受測(cè)量環(huán)境的影響。本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。鑒于低相干光干涉儀在光纖缺陷檢測(cè)和醫(yī)學(xué)斷層成像方面的成功應(yīng)用， 本發(fā)明釆用低相干光干涉儀原理對(duì)氣體中粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)(包絡(luò)數(shù)量代表粒子的個(gè)數(shù))特性，精確計(jì)算出 該粒子的粒徑大小。本發(fā)明氣體中微小顆粒物分析儀的檢測(cè)光路甚至可以在開放環(huán)境中工 作，而不像激光散射式粉塵儀那樣，檢測(cè)光路必須在暗室中工作。這是由于 相干條件的約東和針孔成像的條件的約東，只有在相干散射體積內(nèi)的粒子散 射才會(huì)被檢測(cè)放大接收到，成為一個(gè)粒子的有效計(jì)數(shù)，并且相干信號(hào)很強(qiáng)， 提髙了檢測(cè)的信噪比。其他的散射光不是被針孔空間濾波器屏蔽掉，就是被 探測(cè)濾波放大電路濾掉。采用時(shí)域光學(xué)相干層析成像的差頻放大電路來(lái)提取 相干信號(hào)，濾掉了外來(lái)雜散光的干擾，進(jìn)一步提髙了儀器的信噪比。本發(fā)明的氣體中微小顆粒物分析儀包括寬帶光源、干涉儀(可以是開放 式干涉儀，也可以是光纖式干涉儀)、氣體掃描、空間濾波系統(tǒng)(小孔光闌或 光纖)、光電檢測(cè)、差頻濾波放大電路和分析計(jì)算系統(tǒng)。當(dāng)寬帶光源發(fā)出的一定帶寬的光經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直成平行光，射到.分 光棱鏡后，被分成兩束平行光， 一束為參考光，經(jīng)參考光反射鏡被返射，經(jīng)分光棱鏡和接收透鏡到達(dá)光電探測(cè)器。另一東為樣品光，經(jīng)透鏡、小孔光闌8 和聚焦物鏡聚焦到相干散射體積，當(dāng)氣流中的微小粒子到達(dá)相干散射體積時(shí)， 該粒子的散射光才能通過(guò)小孔光闌，經(jīng)透鏡、分光棱鏡和接收透鏡到達(dá)光電 探測(cè)器上，與參考臂返回的光相干涉(此時(shí)參考臂光程與樣品臂光程差在光 源的相干長(zhǎng)度內(nèi))。光電探測(cè)器把所有接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào) 經(jīng)放大、濾波(濾掉低頻和直流等干擾信號(hào))后，只有干涉信號(hào)被提取出來(lái)， 進(jìn)行粒子計(jì)數(shù)，通過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)，精確計(jì)算出該粒 子的粒徑大小。四

圖1為本發(fā)明原理圖和實(shí)施案例圖。 圖2為本發(fā)明另一實(shí)施案例圖。圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明l寬帶光源、2準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、3分光棱鏡、4參考光反 射鏡、5接收透鏡、6光電探測(cè)器、7透鏡、8小孔光闌、9聚焦物鏡、10相 干散射體積、ll氣流中的微小粒子。五具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:如圖1所示，本發(fā)明的氣體中微小顆粒物分析儀包括寬帶光源1、準(zhǔn)直光 學(xué)系統(tǒng)2、分光棱鏡3、參考光反射鏡4、接收透鏡5、光電探測(cè)器6、透鏡7、 小孔光闌8、聚焦物鏡9、相干散射體積IO、氣流中的微小粒子ll。實(shí)施例1的特點(diǎn)是攜帶粒子的氣流在通過(guò)相干散射體積時(shí)，氣流方向與寬帶光源1發(fā)出的一定帶寬的光經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)2準(zhǔn)直成 平行光，射到分光棱鏡3后，被分成兩束平行光， 一束為參考光，經(jīng)參考光 反射鏡4被返射，經(jīng)分光棱鏡3和接收透鏡5到達(dá)光電探測(cè)器6.另一東為樣 品光，經(jīng)透鏡7、小孔光闌8和聚焦物鏡9聚焦到相干散射體積10，當(dāng)氣流 中的微小粒子11到達(dá)相干散射體積10時(shí)，該粒子的散射光才能通過(guò)小孔光 闌8，經(jīng)透鏡7、分光棱鏡3和接收透鏡5到達(dá)光電探測(cè)器6上，與參考臂返回的光相干涉(此時(shí)參考臂光程與樣品臂光程差在光源的相干長(zhǎng)度內(nèi))。光電 探測(cè)器6把所有接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大、濾波(濾掉 低頻和直流等干擾信號(hào))后，只有干涉信號(hào)被提取出來(lái)，進(jìn)行粒子計(jì)數(shù)，通 過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)，精確計(jì)算出該粒子的粒徑大小。 實(shí)施例2:如圖2所示，本發(fā)明的顆粒物分析儀器包括寬帶光源1、準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)2、 分光棱鏡3、參考光反射鏡4、接收透鏡5、光電探測(cè)器6、透鏡7、小孔光闌 8、聚焦物鏡9、相干散射體積IO、氣流中的微小粒子ll、導(dǎo)流腔12、抽氣 泵13。實(shí)施例2的特點(diǎn)是通過(guò)動(dòng)力源使氣體流動(dòng)，攜帶粒子的氣流在通過(guò)相干 散射體積時(shí)，氣流方向與光軸方向相平行；寬帶光源l發(fā)出的一定帶寬的光 經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)2準(zhǔn)直成平行光，射到分光棱鏡3后，被分成兩束平行光， 一束為參考光，經(jīng)參考光反射鏡4被返射，經(jīng)分光棱鏡3和接收透鏡5到達(dá) 光電探測(cè)器6。另一束為樣品光，經(jīng)透鏡7、小孔光闌8和聚焦物鏡9聚焦到 相干散射體積IO，當(dāng)氣流中的微小粒子11到達(dá)相干散射體積10時(shí)，該粒子 的散射光才能通過(guò)小孔光闌8，經(jīng)透鏡7、分光棱鏡3和接收透鏡5到達(dá)光電 探測(cè)器6上，與參考臂返回的光相干涉(此時(shí)參考臂光程與樣品臂光程差在 光源的相干長(zhǎng)度內(nèi))。光電探測(cè)器6把所有接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，電 信號(hào)經(jīng)放大、濾波(濾掉低頻和直流等干擾信號(hào))后，只有干涉信號(hào)被提取 出來(lái)，進(jìn)行粒子計(jì)數(shù)，通過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)，精確計(jì)算 出該粒子的粒徑大小。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上 的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等 同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。權(quán)利要求
1、一種氣體中微小顆粒物的分析方法，其特征是該方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)——采用低相干光干涉儀原理對(duì)氣體中粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；——通過(guò)氣體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體掃描，由于粒子的流速，實(shí)現(xiàn)差頻濾波放大，提高檢測(cè)的信噪比；——通過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)(包絡(luò)數(shù)量代表粒子的個(gè)數(shù))特性，精確計(jì)算出每個(gè)粒子的特征參數(shù)(粒徑、速度)。
2、 一種如權(quán)利要求1所述的氣體中徵小顆粒物分析方法的氣體中微小顆 粒物分析儀器，包括寬帶光源、干涉儀、氣體掃描、空間濾波系統(tǒng)(小孔光 闌或光纖)、光電檢測(cè)、差頻濾波放大電路和分析計(jì)算系統(tǒng)；其特征是采用低 相干光干涉儀對(duì)氣體中粒子進(jìn)行掃描，通過(guò)分析采集的每個(gè)粒子的干涉條紋 包絡(luò)(包絡(luò)數(shù)量代表粒子的個(gè)數(shù))特性，精確計(jì)算出每個(gè)粒子的特征參數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體中徵小顆粒物的分析方法，其特征是所述 的低相干光干涉儀可以是開放式干涉儀，也可以是光纖式干涉儀。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體中徵小顆粒物的分析方法，其特征是所述 的低相干光是相干長(zhǎng)度小于5mm的光源。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氣體中徵小顆粒物的分析方法，其特征是所述 的通過(guò)氣體流動(dòng)可以是通過(guò)動(dòng)力源使氣體流動(dòng)也可以是對(duì)已經(jīng)流動(dòng)的氣體直 接進(jìn)行檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體中微小顆粒物的分析方法及儀器。解決10微米以下微小粒子分級(jí)計(jì)數(shù)分析的精確度不高問(wèn)題。本發(fā)明氣體中微小顆粒物分析儀器包括寬帶光源、干涉儀、氣體掃描、空間濾波系統(tǒng)(小孔光闌或光纖)、光電檢測(cè)、差頻濾波放大電路和分析計(jì)算系統(tǒng)。本發(fā)明采用低相干光干涉儀原理對(duì)氣體中粒子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析記錄的每個(gè)粒子的干涉條紋包絡(luò)(包絡(luò)數(shù)量代表粒子的個(gè)數(shù))特性，精確計(jì)算出每個(gè)粒子的特征，可有效監(jiān)測(cè)分析粒徑小于10μm的微小粒子。本發(fā)明方法和儀器適用于PM10、PM5、PM2.5和PM1等微小粒子的分析和監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N15/02GK101329249SQ20081005405
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月4日
發(fā)明者冷云平, 姚鳳蘭, 帆 張 申請(qǐng)人:天津信達(dá)北方科技有限公司