專利名稱：一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粒子檢測(cè)方法，尤其涉及一種利用光電傳感器的大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置，屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大氣黒碳?xì)馊苣z是影響大氣溫室效應(yīng)的重要因素。黑碳?xì)馊苣z主要是含碳物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的不定型碳質(zhì)，主要的來(lái)源有自然源和人為源。黒碳?xì)馊苣z的含量檢測(cè)和黒碳?xì)馊苣z粒子直徑大小的特性分析對(duì)黒碳?xì)馊苣z對(duì)大氣環(huán)境影響研究有著至關(guān)重要的意義。目前，黑碳?xì)馊苣z含量的檢測(cè)方法有光學(xué)分析法、化學(xué)氧化法、熱氧化法等等。這些測(cè)量手段在測(cè)量結(jié)果方面均存在極大的不確定性，同一技術(shù)在不同的實(shí)驗(yàn)室之間或同一樣本在不同的測(cè)量方法之間，測(cè)量結(jié)果都存在很大差異，測(cè)得的黑碳濃度相差高達(dá)兩倍甚至更多。 測(cè)量大氣中黑碳?xì)馊苣z的濃度很重要，但是測(cè)定黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑大小也很重要。通過(guò)測(cè)定黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑大小，我們可以分析粒子的形狀和排列的規(guī)則，而且為黒碳?xì)馊苣z含量的測(cè)量提供一種新的測(cè)量方法，甚至可以根據(jù)粒子的直徑大小來(lái)判斷黑碳?xì)馊苣z粒子的來(lái)源。圖1顯示了一種可用于測(cè)量微小粒子含量及粒徑的單粒子煙塵光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)及原理。如圖所示，該單粒子煙塵光度計(jì)包括激光發(fā)生器、氣體噴射器及4個(gè)光電探測(cè)器，其中探測(cè)器1檢測(cè)的是波長(zhǎng)在630-800nm的白熾光，探測(cè)器2檢測(cè)的是波長(zhǎng)在 350-800nm的白熾光，探測(cè)器3是散射光的低增益探測(cè)器，探測(cè)器4是散射光的高增益探測(cè)器。氣體噴射器以某一恒定速度噴射氣體樣本，使其垂直通過(guò)激光束的中心，氣體中的粒子在激光照射下迅速大到白熾化并發(fā)出白熾光，探測(cè)器1和2對(duì)白熾光進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)白熾光的色溫來(lái)確定粒子中各成分的濃度；探測(cè)器3和4用于對(duì)粒子的散射光進(jìn)行檢測(cè)，其包括聚焦透鏡及光電傳感器，聚焦透鏡將散射光聚焦成像于光電傳感器，光電傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。探測(cè)器3和4檢測(cè)粒子直徑的原理如圖2所示。由于激光發(fā)生器發(fā)出的激光強(qiáng)度是呈高斯分布的，且粒子是以恒定速度通過(guò)激光束的中心，其散射光強(qiáng)度與激光強(qiáng)度成正比，所以單個(gè)粒子散射出的光信號(hào)的時(shí)間序列也是服從高斯分布的。 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布函數(shù)的表達(dá)式為
/(j) = (1 χσ(2π)ιη)) ·eKp[-(χ-μ)2 σ2}(1)
其中是一階矩(一階中心矩)，一是二階中心矩(方差)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)高斯分布函數(shù)的表達(dá)式，我們可以將上述散射光信號(hào)的時(shí)間序列表達(dá)成
/00 = 5 +￠-/#/202](2)
其中B是探測(cè)器基線偏移d是散射光振幅。從上面的高斯分布表達(dá)式中，我們要知道散射信號(hào)的振幅A，就必須知道基線偏移B，高斯分布的中心位置“和寬度σ。而對(duì)于確定的檢測(cè)裝置，基線偏移B為一常量，因此對(duì)于理想狀態(tài)(直徑不變)的粒子，只要通過(guò)其散射光的時(shí)間序列，根據(jù)式(2)即可得到散射光振幅兒然后通過(guò)散射光振幅J與粒子直徑大小之間的單值關(guān)系，確定粒子的直徑。但是對(duì)于黑碳?xì)馊苣z粒子而言，其表面通常不同程度地附著有蒸發(fā)性的附著層， 這些蒸發(fā)性的有機(jī)或無(wú)機(jī)附著層在激光照射下會(huì)迅速蒸發(fā)，從而導(dǎo)致黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑在不斷變化，因此其散射光信號(hào)的時(shí)間序列并不符合高斯分布，難以采用上述方法檢測(cè)到準(zhǔn)確的直徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于克服現(xiàn)有光電檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)的不足，提供一種準(zhǔn)確可靠的大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法及檢測(cè)裝置。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光電檢測(cè)方法的分析可知，從黑碳?xì)馊苣z粒子進(jìn)入激光束起至其表面附著層開(kāi)始蒸發(fā)止的這段時(shí)間段內(nèi)，由于直徑未發(fā)生變化，因此其散射光強(qiáng)在該時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)是符合高斯分布的，可以利用該段時(shí)間序列數(shù)據(jù)擬合出完整的高斯分布函數(shù)，從而利用現(xiàn)有光電檢測(cè)方法準(zhǔn)確檢測(cè)出其直徑，由于該段時(shí)間序列的起始點(diǎn)是確定的， 因此實(shí)際上是要確定最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。但是由于大氣黑碳粒子的附著層的厚度、成分等差異較大，難以確定最佳的時(shí)間序列數(shù)據(jù)段。如果最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)太靠近激光束的邊緣(在時(shí)間上太早)，擬合質(zhì)量將低于最理想值(最理想狀態(tài))，因?yàn)檫@樣就會(huì)有太少有用的數(shù)據(jù)點(diǎn)和來(lái)自背景噪音的加強(qiáng)影響；另一方面，如果最后一個(gè)點(diǎn)進(jìn)入激光束太深(在時(shí)間上太遲)，那么此時(shí)粒子直徑已開(kāi)始變化，數(shù)據(jù)將不符合高斯分布。為此，可在光電傳感器上的特定位置設(shè)置一縫隙，從而在時(shí)間序列數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一明顯凹口，將該凹口作為最后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的選取位置參考點(diǎn)。具體而言，本發(fā)明的大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法，包括以下步驟
步驟1、使采集到的大氣黑碳粒子樣本以恒定速度沿垂直方向穿過(guò)一寬度、強(qiáng)度恒定的激光束中心；
步驟2、利用一位置固定的光電探測(cè)器檢測(cè)該過(guò)程中黑碳粒子發(fā)出的散射光信號(hào)，所述光電探測(cè)器包括聚焦透鏡及光電傳感器，聚焦透鏡將所述散射光聚焦成像于所述光電傳感器，光電傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；在所述光電傳感器上設(shè)置有一縫隙，該縫隙垂直于黒碳粒子在光電傳感器上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)光線射于該縫隙時(shí)，光電傳感器無(wú)電信號(hào)輸出或有極小信號(hào)輸出；根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)得到具有一明顯凹口的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線；
步驟3、采用所述散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線中凹口之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到完整的高斯分布曲線，并根據(jù)下式計(jì)算散射光的振幅兒
式中，/ 和 分別為散射光強(qiáng)和時(shí)間，B為所述光電探測(cè)器的基線偏移，#和σ分別為擬合后的高斯曲線的中心位置和寬度；
步驟4、根據(jù)散射光振幅J與粒子直徑大小之間的單值關(guān)系，確定黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑。所述光電傳感器上縫隙的位置可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，例如，可采用如下方法采用表面不含蒸發(fā)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子以及與標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子直徑相同的多種表面含有不同含量蒸發(fā)性物質(zhì)的黑碳?xì)馊苣z粒子分別執(zhí)行所述步驟1和步驟2，其中光電傳感器上無(wú)縫隙，得到多組散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線；分別找出各種黑碳?xì)馊苣z粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線相較標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線產(chǎn)生明顯變化的第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；根據(jù)找出的各時(shí)間點(diǎn)中最小的時(shí)間點(diǎn)確定所述光電傳感器上縫隙的位置。優(yōu)選地，所述光電傳感器為雪崩光電二極管或者倍增光電二極管。其在動(dòng)態(tài)特性 (頻率響應(yīng)、時(shí)間響應(yīng))及檢測(cè)靈敏度方面具有更好的特性，從而可使檢測(cè)精度進(jìn)一步提高。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明思路，還可得到一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置，該裝置包括
激光發(fā)生器，其可產(chǎn)生寬度、強(qiáng)度恒定的激光束；
氣體噴射器，其可將氣體以恒定的速度噴射，氣體噴射方向垂直于所述激光束的方向且經(jīng)過(guò)激光束的中心；
至少一個(gè)光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器包括聚焦透鏡及光電傳感器，聚焦透鏡可將通過(guò)所述激光束的粒子的散射光聚焦成像于所述光電傳感器，光電傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；在所述光電傳感器上設(shè)置有一縫隙，該縫隙垂直于所述粒子在光電傳感器上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)光線射于該縫隙時(shí)，光電傳感器無(wú)電信號(hào)輸出或有極小信號(hào)輸出。優(yōu)選地，所述光電傳感器為雪崩光電二極管(APD)或者倍增光電二極管。本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有光電檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)在光電傳感器上設(shè)置縫隙，從而在檢測(cè)得到的散射光強(qiáng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中產(chǎn)生明顯凹口，以該凹口作為參考點(diǎn)選取合適時(shí)間序列數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到完整高斯函數(shù)曲線，從而可對(duì)大氣黒碳?xì)馊苣z粒子的直徑進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。


圖1為一種現(xiàn)有單粒子煙塵光度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖2為現(xiàn)有單粒子煙塵光度計(jì)進(jìn)行粒子直徑檢測(cè)的原理示意圖； 圖3為本發(fā)明的大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明
為便于說(shuō)明，本發(fā)明對(duì)圖1所示的現(xiàn)有單粒子煙塵光度計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，得到本發(fā)明的大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置的一個(gè)實(shí)施例。如圖1所示，該裝置包括激光發(fā)生器、氣體噴射器及4個(gè)光電探測(cè)器，其中探測(cè)器1檢測(cè)的是波長(zhǎng)在630-800nm的白熾光，探測(cè)器2檢測(cè)的是波長(zhǎng)在350-800nm的白熾光，探測(cè)器3是散射光的低增益探測(cè)器，探測(cè)器4是散射光的高增益探測(cè)器。氣體噴射器以某一恒定速度噴射氣體樣本，使其垂直通過(guò)激光束的中心， 氣體中的粒子在激光照射下迅速大到白熾化并發(fā)出白熾光，探測(cè)器1和2對(duì)白熾光進(jìn)行檢測(cè)并根據(jù)白熾光的色溫來(lái)確定粒子中各成分的濃度；探測(cè)器3和4用于對(duì)粒子的散射光進(jìn)行檢測(cè)，其包括聚焦透鏡及一雪崩光電二極管，聚焦透鏡將散射光聚焦成像于雪崩光電二極管，雪崩光電二極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)放大輸出。在其中探測(cè)器3的雪崩光電二極管上設(shè)置有一縫隙，該縫隙垂直于黒碳粒子在雪崩光電二極管上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)光線射于該縫隙時(shí)，雪崩光電二極管無(wú)電信號(hào)輸出或有極小信號(hào)輸出。由于縫隙將雪崩二極管分為了兩個(gè)象限，因此可稱其為二象限雪崩二極管(Two-element APD, TEAPD) 需要指出的是，由于該裝置中各探測(cè)器是同步檢測(cè)的，因此在任意一個(gè)光電傳感器上設(shè)置縫隙，其所確定的時(shí)間參考點(diǎn)對(duì)于其它探測(cè)器均有效，本實(shí)施例中僅以探測(cè)器3為例進(jìn)行說(shuō)明。雪崩二極管上縫隙的位置可利用上述裝置采用如下方法確定采用表面不含蒸發(fā)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子以及與標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子直徑相同的多種表面含有不同含量蒸發(fā)性物質(zhì)的黑碳?xì)馊苣z粒子分別通過(guò)氣體噴射器噴射，并利用探測(cè)器3對(duì)散射光進(jìn)行檢測(cè)，此時(shí)探測(cè)器3中的雪崩二極管上無(wú)縫隙，從而得到多組散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線；分別找出各種黑碳?xì)馊苣z粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線相較標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線產(chǎn)生明顯變化的第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；根據(jù)找出的各時(shí)間點(diǎn)中最小的時(shí)間點(diǎn)確定所述光電傳感器上縫隙的位置。 然后通過(guò)物理方法(例如切割)或者化學(xué)方法(例如蝕刻)在探測(cè)器3中的雪崩二極管的相應(yīng)位置上沿垂直于黒碳粒子在其上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置縫隙。本實(shí)施例中，所述氣體噴射器的噴口寬度為所述激光束寬度的1/4。使用本發(fā)明的檢測(cè)裝置進(jìn)行大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)，其原理如圖3所示， 黑碳粒子以恒定速度通過(guò)激光束，聚焦透鏡將其發(fā)出的散射光成像于雪崩二極管上，其所成圖像運(yùn)動(dòng)方向與粒子的運(yùn)動(dòng)方向相反，雪崩二極管將接收到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。當(dāng)散射光照射于雪崩二極管上的縫隙時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出或僅有極小的電信號(hào)輸出，這樣，如圖3所示，在檢測(cè)得到的散射光強(qiáng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)一明顯凹口。選取該凹口之前的時(shí)間序列數(shù)據(jù)段(如圖3中時(shí)間序列數(shù)據(jù)中粗線所示)進(jìn)行曲線擬合即可得到完整的高斯分布的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線，根據(jù)該曲線即可確定散射光振幅，最后根據(jù)散射光振幅與黑碳?xì)馊苣z粒子直徑大小之間的單值關(guān)系，確定黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑。
權(quán)利要求
1.一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟1、使采集到的大氣黑碳粒子樣本以恒定速度沿垂直方向穿過(guò)一寬度、強(qiáng)度恒定的激光束中心；步驟2、利用一位置固定的光電探測(cè)器檢測(cè)該過(guò)程中黑碳粒子發(fā)出的散射光信號(hào)，所述光電探測(cè)器包括聚焦透鏡及光電傳感器，聚焦透鏡將所述散射光聚焦成像于所述光電傳感器，光電傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；在所述光電傳感器上設(shè)置有一縫隙，該縫隙垂直于黒碳粒子在光電傳感器上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)光線射于該縫隙時(shí)，光電傳感器無(wú)電信號(hào)輸出或有極小信號(hào)輸出；根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)得到具有一明顯凹口的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線；步驟3、采用所述散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線中凹口之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到完整的高斯分布曲線，并根據(jù)下式計(jì)算散射光的振幅兒/￠)= 5 +，式中，/ 和I分別為散射光強(qiáng)和時(shí)間力所述光電探測(cè)器的基線偏移，私和Cr分別為擬合后的高斯曲線的中心位置和寬度；步驟4、根據(jù)散射光振幅J與粒子直徑大小之間的單值關(guān)系，確定黑碳?xì)馊苣z粒子的直徑。
2.如權(quán)利要求1所述大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法，其特征在于，所述光電傳感器上縫隙的位置采用如下方法確定采用表面不含蒸發(fā)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子以及與標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子直徑相同的多種表面含有不同含量蒸發(fā)性物質(zhì)的黑碳?xì)馊苣z粒子分別執(zhí)行所述步驟1和步驟2，其中光電傳感器上無(wú)縫隙，得到多組散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線；分別找出各種黑碳?xì)馊苣z粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線相較標(biāo)準(zhǔn)黑碳粒子的散射光強(qiáng)-時(shí)間曲線產(chǎn)生明顯變化的第一個(gè)時(shí)間點(diǎn)；根據(jù)找出的各時(shí)間點(diǎn)中最小的時(shí)間點(diǎn)確定所述光電傳感器上縫隙的位置。
3.如權(quán)利要求1或2所述大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法，其特征在于，所述光電傳感器為雪崩光電二極管或者倍增光電二極管。
4.一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置包括激光發(fā)生器，其可產(chǎn)生寬度、強(qiáng)度恒定的激光束；氣體噴射器，其可將氣體以恒定的速度噴射，氣體噴射方向垂直于所述激光束的方向且經(jīng)過(guò)激光束的中心；至少一個(gè)光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器包括聚焦透鏡及光電傳感器，聚焦透鏡可將通過(guò)所述激光束的粒子的散射光聚焦成像于所述光電傳感器，光電傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；在所述光電傳感器上設(shè)置有一縫隙，該縫隙垂直于所述粒子在光電傳感器上所成圖像的運(yùn)動(dòng)方向，當(dāng)光線射于該縫隙時(shí)，光電傳感器無(wú)電信號(hào)輸出或有極小信號(hào)輸出。
5.如權(quán)利要求4所述大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光電傳感器為雪崩光電二極管或者倍增光電二極管。
6.如權(quán)利要求4所述大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置，其特征在于，所述氣體噴射器的噴口寬度為所述激光束寬度的1/4。
7.如權(quán)利要求4所述大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置，其特征在于，該檢測(cè)裝置還包括至少一個(gè)用于檢測(cè)白熾光強(qiáng)度的光電探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)方法，屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有光電檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)在光電傳感器上設(shè)置縫隙，從而在檢測(cè)得到的散射光強(qiáng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中產(chǎn)生明顯凹口，以該凹口作為參考點(diǎn)選取合適時(shí)間序列數(shù)據(jù)段進(jìn)行擬合，得到完整高斯函數(shù)曲線，從而可對(duì)大氣黒碳?xì)馊苣z粒子的直徑進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。本發(fā)明還公開(kāi)了一種大氣黑碳?xì)馊苣z粒子直徑檢測(cè)裝置。
文檔編號(hào)G01B11/08GK102353337SQ20111027667
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者劉曉林, 張宏群, 程珊蓉, 鄒應(yīng)全 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)