[发明专利]双波长光学实时气溶胶粒子粒径检测装置

说明书

技术领域

本专利涉及单气溶胶粒子粒径实时检测，特别是一种实时性较强的基于光散射法的双波长单气溶胶粒子粒径测量装置，可实现对气溶胶粒子粒径浓度较高准确度地检测。本发明可应用于环境检测等领域。

背景技术

气溶胶是指由固体或液体粒子分散并悬浮在气体介质中形成的混合体系。粒子粒径大小为0.001～100μm，通常粒子的动力学直径在0.01至10μm之间，能在大气中驻留几个小时。习惯上，把悬浮在大气中的固体和液体粒子称为气溶胶。

粒度是用来描述气溶胶粒子的重要参数，因为它在很大程度上决定了悬浮在空气中的粒子行为特征。在大气气溶胶的理化特性研究领域，气溶胶物理性质主要包括粒子的大小、形态和粒子谱分布，包括粒子数量浓度粒径分布、体积浓度粒径分布和质量浓度粒径分布等。

在气溶胶科学和技术中，粒子粒径度量参数常用的术语是当量直径，是与之有相同物理性质的球形粒子的直径。例如，粗颗粒物(PM10)是指空气动力学直径10μm以下的颗粒物。

在相关环境检测和研究领域需要实时、原位的气溶胶粒子检测和分析技术^[1]。粒子弹性光散射检测法是气溶胶粒径实时检测常用技术手段之一。当粒子与入射光作用时，产生弹性散射光和非弹性散射光。弹性散射包括折射、反射、衍射，非弹性散射包括拉曼散射、荧光和粒子的吸收等。粒子散射光的总量是粒子形状、粒度、折射指数及仪器参数如光波波长、散射角度的复合函数，通常定义一个“光学当量直径”。如果被测粒子与仪器中测得的校准粒子的散射光的量相同，则校准粒子的直径就是被测粒子的光学当量直径。

在实际检测中，粒子光学当量直径与光学等效粒径最直观的联系是粒子散射光强度与粒子粒径的关系。目前对于光学散射的实时测量技术的研究比较成熟，国内也有很多相关的产品。然而，气溶胶粒子来源广泛、构成复杂，预测或抵消不同粒子形状与折射率等因素引起的散射光场差异较为困难。

1.粒子形状因素

粒径较小的粒子，符合Mie散射或瑞利散射理论。粒径较大的粒子，简单形状的粒子的散射光总量能较精确测量，如已知化学成分的球体、椭球体、杆形粒子。大多数形状不规则的粒子，由于粒径、形状、折射率等因素的综合影响，即使收集较大空间角散射光，其强度差异较大，光学当量直径与粒度之间很难建立起联系。因此，需要采用粒形测量方法获得形状类型、形状因子等可分析的信息和参数，结合其他相关参数建立多参数反演的模型综合分析，减少粒径测量的影响。基于光散射法的气溶胶粒子形状检测法是较有效实时测量手段之一。

2.粒子材料折射率等因素

粒子折射率代表物质的光学特性。不同种类、不同组成的粒子对同一波长的入射光通常具有不同的折射率；同一种粒子对不同波长的光也具有不同的折射率。大气中粒子的材料折射率跟地域、时间等因素关系都比较大。因此，这些问题易造成相同粒径、不同材料粒子散射光场分布与强度不同，测量仪器结果出现偏差，必须经常校准。

3.环境湿度条件与气溶胶粒子吸湿特性

大气气溶胶的吸湿性是气溶胶的重要特征之一。研究表明，气溶胶粒子在相对湿度大于35％左右时，便能吸附水汽而凝结增长，当相对湿度超过60％时，气溶胶吸附水汽的能力更为显著，成为影响气溶胶光学性质的主要因素之一。在高相对湿度条件下，气溶胶吸湿增长改变了粒子大小、形态、复折射率、粒子谱分布和光学参数，从而影响了气溶胶粒子在大气环境中的特性和行为。如含有吸湿性组分(包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、海盐等无机成分和部分吸湿性有机物)的颗粒物吸湿增长使得粒子粒径增大，大气中的细颗粒物(粒径远小于1μm)会迅速吸湿增长到对可见光散射更为有效的粒径范围，使气溶胶散射能力大大增强。

因此，基于弹性光散射原理的光学粒子分粒径区间计数器所测量的光学等效粒径通常是近似值。尽管如此，光散射作为一种测量手段仍有其明显的优点，包括检测粒子时迅速、连续、灵敏度高，能实时显示粒子浓度和粒径分布信息，时间分辨率高，相关技术较为成熟，通常成本较低。如果能够在此基础上，结合相关或者其他技术手段减少气溶胶粒子折射率不同的影响，提高粒径检测准确度，具有较好的应用前景。

虽然在实验中用已知粒度和折射率的气溶胶粒子来校准光学仪器，开展实验，但理论响应函数可以给出全面的光学系统特征。

各种测量光散射的光学装置，其区别在于平均散射角θ、接收器数值孔径ΔΩ和入射条件。单色平面波入射光条件下，通过光学系统接收散射光强度可以用光学系统响应函数积分计算：