[发明专利]一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法

权利要求书

1.一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，包括：按光路方向依次设置的激光光源、空间滤波器、样品池、收集透镜、阶梯式中性密度滤光片及面阵数字相机；光路经样品池后形成双光路结构，其中一路是样品池中透射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆内进行光强衰减，然后经面阵数字相机的镜头聚焦在面阵数字相机的感光面上；另一路是样品池中散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆外进行光强衰减，然后经面阵数字相机的镜头聚焦在面阵数字相机的感光面上；得到的透射光和散射光的光学信号均被输送至一计算机中。

2.根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述中性密度滤光片中心小圆的半径为R，R至少为激光光源所发生的激光束束腰半径的2倍。

3.根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述中性密度滤光片位于收集透镜的焦平面处。

4.根据权利要求1所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述面阵数字相机为CCD或CMOS数字相机。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述空间滤波器由两个透镜和一个不透光平面上构成，所述不透光平面上形成有一小孔，两个透镜平行放置以对光束进行汇聚准直，所述小孔位于两个透镜之间的焦平面中心。

6.一种大粒径范围的粉尘浓度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、基于权利要求1-5任一项所述的粉尘浓度测量装置，透射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆内的高光密度区域进行光强衰减，散射光进入阶梯式中性密度滤光片中心小圆外的低光密度区域进行光强衰减，数字面阵相机接收经过衰减后的散射光和透射光，同时进行合理曝光，获得光强角分布图；

2)、根据Mie理论计算不同粒径颗粒的散射光强值：

式(1)中，I(θ，D)是不同角度θ下不同粒径D的球形颗粒的散射光强值，λ为激光波长，I₀为入射光光强，r为散射光强探测点与散射颗粒之间的距离，i₁、i₂为散射强度函数，由Bessel函数和Legendre函数求得，为入射光振动面与散射面之间的夹角；

3)、计算颗粒粒度分布，构造矩阵T，

式(2)中，i、j分别为角度θ下标和粒径D下标，表示不同的散射角度和颗粒粒度，

利用装置测量的不同角度下的散射光强I_ex(θ_i)构造向量E，

E=Iex(θ1)...Iex(θi)---(3)]]>

对于粒径分布F＝f(D)求解归结为线性方程组的求解，E＝TF，对于该线性方程组按照优化方法求解，F代表颗粒粒度分布，离散后可表示为：

F=f(D1)...f(Dj)---(4)]]>

4)、根据颗粒粒度分布求解平均粒径D₃₂：

D32=∫DminDmaxD2f(D)dD∫DminDmaxD2f(D)dD=Σf(Dj)Dj3Σf(Dj)Dj2---(5)]]>

式(5)中，f(D)为颗粒粒径分布函数，D_max、D_min分别为粒径分布函数中粒径最大值和最小值，d为积分公式中微分表达式，根据所得平均粒径选择颗粒浓度求解方法；

5)、当颗粒粒径小于10μm时，根据Beer–Lambert定理求解颗粒浓度：

Cv=2D32ln(Iex(0)/I0)3LKext---(6)]]>

式(6)中，I₀为入射光光强，I_ex(0)为透射光光强，K_ext为消光系数，L为测量区域的长度；

6)、当颗粒粒径大于等于10μm时，由Fraunhofer圆孔衍射理论近似前向小角内的光强分布，采用散射积分法测量颗粒浓度：

CV=vpLA=2πKLA∫02πIex(θ)I0dθ---(7)]]>

式(7)中，V_p为入射光照射的颗粒群总体积，是波矢量，I_ex(θ)为θ散射角的散射光强实验测量值，A为入射光横截面面积。