[发明专利]一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种粉尘浓度测量装置及方法，具体涉及一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法，实现了在一个测量装置中同时对透射光和前向小角散射光进行测量，测量范围广，涵盖纳米级和微米级的粉尘颗粒。

背景技术

粉尘主要危害之一是大气环境污染，其二是爆炸危害，有些场合，粉尘还会影响生产，比如粉尘会降低太阳能电池板的发电效率，导致我国太阳能光伏发电项目每年间接损失达数亿元，因此，粉尘浓度测量在能源研究、环境保护、大气科学等领域都有重要的意义。目前已经发展了多种粉尘浓度测量技术，如机械法、电感电容法、超声波法、光学法等，近几十年来由于激光技术、计算机技术和光纤技术的发展，光学法因其非接触性、实时性，得到了迅速的发展应用。

光学法测量颗粒浓度方法，根据测量散射光和透射光可分为两种：一种是散射积分法，主要利用前向小角内的散射光，对散射光强进行角度积分，光强积分值与粉尘浓度呈正比关系，即通过测量粉尘散射光就可以得出粉尘浓度。另一种是消光法，根据著名的Beer-Lambert定理，透射光与入射光的的比值是颗粒平均粒径与颗粒浓度的函数，通过对多个波长的透射光强和入射光强的测量就可以求解粒径与浓度参数。散射积分法的优点在于无需预知粒径即可求解颗粒浓度，但是散射积分法法测量颗粒浓度基于Fraunhofer衍射理论，在可见光范围内，当颗粒粒径小于10μm时，Fraunhofer衍射理论在前向小角范围内不能精确表示光强分布，故粒径小于10μm时散射积分法不再适用。消光法在光学原理上和光学测量装置上都比其他光学方法更为简单，粒径适用范围下限可到几个纳米，上限可达微米级别，但缺点也很明显，需事先知道颗粒物的平均粒径，而单波长下光全散射法无法同时求解两个未知数：平均粒径和颗粒数，而且浓度测量对平均粒径的依赖性比较大，因而平均粒径的误差可导致较大的浓度测量误差。

此外，在现有粉尘浓度测量系统中，由于颗粒的透射光光强和散射光光强值相差较大，导致光电探测器的动态探测范围内难以同时合理曝光采集，故光学测量装置需多个探测器对分离的散射光和透射光分别进行测量，因此系统较为复杂。鉴于上述缺陷，迫切需要一种更加可靠精确、结构简单的粉尘浓度测量装置和方法。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置及方法，针对现有技术中散射积分法在颗粒粒径小于10μm时不再适用的缺点，提出了一种基于单一数字面阵相机的粉尘浓度测量装置，在粒径小于10μm时可以利用透射光进行消光法测量颗粒浓度，拓宽了颗粒浓度测量装置的粒径适用范围下限至纳米级，在预知粒径的前提下，浓度测量的粒径适用范围下限可到几个纳米。

本发明的基本原理为：通过采用透射光和散射光的不同光密度的滤光片衰减达到同一光强数量级，则数字面阵相机可同时测量透射光和散射光。经数据处理得到不同角度的散射光强测量值，依据Mie理论反演粒径分布，从而得到颗粒群平均粒径。当粒径属于纳米级别或者亚微米级别时，采用Beer–Lambert定理求解颗粒浓度，当粒径属于微米级别时采用散射积分法求解颗粒浓度。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，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。

优选地，前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，这样一来，则入射光照射至中心小圆时，可将全部入射光进行光强衰减，并不会产生多余衍射光，而当小圆半径小于2倍光束束腰半径时，光路调整较为困难，易产生杂散光。

优选地，前述中性密度滤光片位于收集透镜的焦平面处。

具体地，前述面阵数字相机为CCD或CMOS数字相机。

进一步地，前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。