专利名称：一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法及检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种粒子检测方法，尤其涉及一种利用光电传感器的大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法及检测装置，属于光电检测技术领域。
背景技术：
大气黒碳气溶胶是影响大气温室效应的重要因素。黑碳气溶胶主要是含碳物质不完全燃烧产生的不定型碳质，主要的来源有自然源和人为源。黒碳气溶胶的含量检测和黒碳气溶胶粒子直径大小的特性分析对黒碳气溶胶对大气环境影响研究有着至关重要的意义。目前，黑碳气溶胶含量的检测方法有光学分析法、化学氧化法、热氧化法等等。这些测量手段在测量结果方面均存在极大的不确定性，同一技术在不同的实验室之间或同一样本在不同的测量方法之间，测量结果都存在很大差异，测得的黑碳浓度相差高达两倍甚至更多。 测量大气中黑碳气溶胶的浓度很重要，但是测定黑碳气溶胶粒子的直径大小也很重要。通过测定黑碳气溶胶粒子的直径大�。颐强梢苑治隽Ｗ拥男巫春团帕械墓嬖颍椅\碳气溶胶含量的测量提供一种新的测量方法，甚至可以根据粒子的直径大小来判断黑碳气溶胶粒子的来源。图1显示了一种可用于测量微小粒子含量及粒径的单粒子烟尘光度计的基本结构及原理。如图所示，该单粒子烟尘光度计包括激光发生器、气体喷射器及4个光电探测器，其中探测器1检测的是波长在630-800nm的白炽光，探测器2检测的是波长在 350-800nm的白炽光，探测器3是散射光的低增益探测器，探测器4是散射光的高增益探测器。气体喷射器以某一恒定速度喷射气体样本，使其垂直通过激光束的中心，气体中的粒子在激光照射下迅速大到白炽化并发出白炽光，探测器1和2对白炽光进行检测并根据白炽光的色温来确定粒子中各成分的浓度；探测器3和4用于对粒子的散射光进行检测，其包括聚焦透镜及光电传感器，聚焦透镜将散射光聚焦成像于光电传感器，光电传感器将接收到的光信号转换为电信号输出。探测器3和4检测粒子直径的原理如图2所示。由于激光发生器发出的激光强度是呈高斯分布的，且粒子是以恒定速度通过激光束的中心，其散射光强度与激光强度成正比，所以单个粒子散射出的光信号的时间序列也是服从高斯分布的。 一个标准的高斯分布函数的表达式为
/(j) = (1 χσ(2π)ιη)) ·eKp[-(χ-μ)2 σ2}(1)
其中是一阶矩(一阶中心矩)，一是二阶中心矩(方差)。通过标准高斯分布函数的表达式，我们可以将上述散射光信号的时间序列表达成
/00 = 5 +￠-/#/202](2)
其中B是探测器基线偏移d是散射光振幅。从上面的高斯分布表达式中，我们要知道散射信号的振幅A，就必须知道基线偏移B，高斯分布的中心位置“和宽度σ。而对于确定的检测装置，基线偏移B为一常量，因此对于理想状态(直径不变)的粒子，只要通过其散射光的时间序列，根据式(2)即可得到散射光振幅儿然后通过散射光振幅J与粒子直径大小之间的单值关系，确定粒子的直径。但是对于黑碳气溶胶粒子而言，其表面通常不同程度地附着有蒸发性的附着层， 这些蒸发性的有机或无机附着层在激光照射下会迅速蒸发，从而导致黑碳气溶胶粒子的直径在不断变化，因此其散射光信号的时间序列并不符合高斯分布，难以采用上述方法检测到准确的直径。
发明内容
本发明在于克服现有光电检测方法无法对黑碳气溶胶粒子的直径进行准确检测的不足，提供一种准确可靠的大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法及检测装置。通过对现有光电检测方法的分析可知，从黑碳气溶胶粒子进入激光束起至其表面附着层开始蒸发止的这段时间段内，由于直径未发生变化，因此其散射光强在该时间段内的时间序列数据是符合高斯分布的，可以利用该段时间序列数据拟合出完整的高斯分布函数，从而利用现有光电检测方法准确检测出其直径，由于该段时间序列的起始点是确定的， 因此实际上是要确定最后一个数据点。但是由于大气黑碳粒子的附着层的厚度、成分等差异较大，难以确定最佳的时间序列数据段。如果最后一个数据点太靠近激光束的边缘(在时间上太早)，拟合质量将低于最理想值(最理想状态)，因为这样就会有太少有用的数据点和来自背景噪音的加强影响；另一方面，如果最后一个点进入激光束太深(在时间上太迟)，那么此时粒子直径已开始变化，数据将不符合高斯分布。为此，可在光电传感器上的特定位置设置一缝隙，从而在时间序列数据中产生一明显凹口，将该凹口作为最后一个时间点的选取位置参考点。具体而言，本发明的大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法，包括以下步骤
步骤1、使采集到的大气黑碳粒子样本以恒定速度沿垂直方向穿过一宽度、强度恒定的激光束中心；
步骤2、利用一位置固定的光电探测器检测该过程中黑碳粒子发出的散射光信号，所述光电探测器包括聚焦透镜及光电传感器，聚焦透镜将所述散射光聚焦成像于所述光电传感器，光电传感器将接收到的光信号转换为电信号输出；在所述光电传感器上设置有一缝隙，该缝隙垂直于黒碳粒子在光电传感器上所成图像的运动方向，当光线射于该缝隙时，光电传感器无电信号输出或有极小信号输出；根据检测数据得到具有一明显凹口的散射光强-时间曲线；
步骤3、采用所述散射光强-时间曲线中凹口之前的数据进行拟合得到完整的高斯分布曲线，并根据下式计算散射光的振幅儿
式中，/ 和 分别为散射光强和时间，B为所述光电探测器的基线偏移，#和σ分别为拟合后的高斯曲线的中心位置和宽度；
步骤4、根据散射光振幅J与粒子直径大小之间的单值关系，确定黑碳气溶胶粒子的直径。所述光电传感器上缝隙的位置可通过实验确定，例如，可采用如下方法采用表面不含蒸发物质的标准黑碳粒子以及与标准黑碳粒子直径相同的多种表面含有不同含量蒸发性物质的黑碳气溶胶粒子分别执行所述步骤1和步骤2，其中光电传感器上无缝隙，得到多组散射光强-时间曲线；分别找出各种黑碳气溶胶粒子的散射光强-时间曲线相较标准黑碳粒子的散射光强-时间曲线产生明显变化的第一个时间点；根据找出的各时间点中最小的时间点确定所述光电传感器上缝隙的位置。优选地，所述光电传感器为雪崩光电二极管或者倍增光电二极管。其在动态特性 (频率响应、时间响应)及检测灵敏度方面具有更好的特性，从而可使检测精度进一步提高。根据本发明的发明思路，还可得到一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置，该装置包括
激光发生器，其可产生宽度、强度恒定的激光束；
气体喷射器，其可将气体以恒定的速度喷射，气体喷射方向垂直于所述激光束的方向且经过激光束的中心；
至少一个光电探测器，所述光电探测器包括聚焦透镜及光电传感器，聚焦透镜可将通过所述激光束的粒子的散射光聚焦成像于所述光电传感器，光电传感器将接收到的光信号转换为电信号输出；在所述光电传感器上设置有一缝隙，该缝隙垂直于所述粒子在光电传感器上所成图像的运动方向，当光线射于该缝隙时，光电传感器无电信号输出或有极小信号输出。优选地，所述光电传感器为雪崩光电二极管(APD)或者倍增光电二极管。本发明对现有光电检测方法进行改进，通过在光电传感器上设置缝隙，从而在检测得到的散射光强时间序列数据中产生明显凹口，以该凹口作为参考点选取合适时间序列数据段进行拟合，得到完整高斯函数曲线，从而可对大气黒碳气溶胶粒子的直径进行准确检测。
图1为一种现有单粒子烟尘光度计的结构示意图2为现有单粒子烟尘光度计进行粒子直径检测的原理示意图； 图3为本发明的大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
为便于说明，本发明对图1所示的现有单粒子烟尘光度计进行改进，得到本发明的大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置的一个实施例。如图1所示，该装置包括激光发生器、气体喷射器及4个光电探测器，其中探测器1检测的是波长在630-800nm的白炽光，探测器2检测的是波长在350-800nm的白炽光，探测器3是散射光的低增益探测器，探测器4是散射光的高增益探测器。气体喷射器以某一恒定速度喷射气体样本，使其垂直通过激光束的中心， 气体中的粒子在激光照射下迅速大到白炽化并发出白炽光，探测器1和2对白炽光进行检测并根据白炽光的色温来确定粒子中各成分的浓度；探测器3和4用于对粒子的散射光进行检测，其包括聚焦透镜及一雪崩光电二极管，聚焦透镜将散射光聚焦成像于雪崩光电二极管，雪崩光电二极管将接收到的光信号转换为电信号放大输出。在其中探测器3的雪崩光电二极管上设置有一缝隙，该缝隙垂直于黒碳粒子在雪崩光电二极管上所成图像的运动方向，当光线射于该缝隙时，雪崩光电二极管无电信号输出或有极小信号输出。由于缝隙将雪崩二极管分为了两个象限，因此可称其为二象限雪崩二极管(Two-element APD, TEAPD) 需要指出的是，由于该装置中各探测器是同步检测的，因此在任意一个光电传感器上设置缝隙，其所确定的时间参考点对于其它探测器均有效，本实施例中仅以探测器3为例进行说明。雪崩二极管上缝隙的位置可利用上述装置采用如下方法确定采用表面不含蒸发物质的标准黑碳粒子以及与标准黑碳粒子直径相同的多种表面含有不同含量蒸发性物质的黑碳气溶胶粒子分别通过气体喷射器喷射，并利用探测器3对散射光进行检测，此时探测器3中的雪崩二极管上无缝隙，从而得到多组散射光强-时间曲线；分别找出各种黑碳气溶胶粒子的散射光强-时间曲线相较标准黑碳粒子的散射光强-时间曲线产生明显变化的第一个时间点；根据找出的各时间点中最小的时间点确定所述光电传感器上缝隙的位置。 然后通过物理方法(例如切割)或者化学方法(例如蚀刻)在探测器3中的雪崩二极管的相应位置上沿垂直于黒碳粒子在其上所成图像的运动方向设置缝隙。本实施例中，所述气体喷射器的喷口宽度为所述激光束宽度的1/4。使用本发明的检测装置进行大气黑碳气溶胶粒子直径检测，其原理如图3所示， 黑碳粒子以恒定速度通过激光束，聚焦透镜将其发出的散射光成像于雪崩二极管上，其所成图像运动方向与粒子的运动方向相反，雪崩二极管将接收到的散射光信号转换为电信号输出。当散射光照射于雪崩二极管上的缝隙时，无电信号输出或仅有极小的电信号输出，这样，如图3所示，在检测得到的散射光强时间序列数据中会出现一明显凹口。选取该凹口之前的时间序列数据段(如图3中时间序列数据中粗线所示)进行曲线拟合即可得到完整的高斯分布的散射光强-时间曲线，根据该曲线即可确定散射光振幅，最后根据散射光振幅与黑碳气溶胶粒子直径大小之间的单值关系，确定黑碳气溶胶粒子的直径。
权利要求
1.一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1、使采集到的大气黑碳粒子样本以恒定速度沿垂直方向穿过一宽度、强度恒定的激光束中心；步骤2、利用一位置固定的光电探测器检测该过程中黑碳粒子发出的散射光信号，所述光电探测器包括聚焦透镜及光电传感器，聚焦透镜将所述散射光聚焦成像于所述光电传感器，光电传感器将接收到的光信号转换为电信号输出；在所述光电传感器上设置有一缝隙，该缝隙垂直于黒碳粒子在光电传感器上所成图像的运动方向，当光线射于该缝隙时，光电传感器无电信号输出或有极小信号输出；根据检测数据得到具有一明显凹口的散射光强-时间曲线；步骤3、采用所述散射光强-时间曲线中凹口之前的数据进行拟合得到完整的高斯分布曲线，并根据下式计算散射光的振幅儿/￠)= 5 +，式中，/ 和I分别为散射光强和时间力所述光电探测器的基线偏移，私和Cr分别为拟合后的高斯曲线的中心位置和宽度；步骤4、根据散射光振幅J与粒子直径大小之间的单值关系，确定黑碳气溶胶粒子的直径。
2.如权利要求1所述大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法，其特征在于，所述光电传感器上缝隙的位置采用如下方法确定采用表面不含蒸发物质的标准黑碳粒子以及与标准黑碳粒子直径相同的多种表面含有不同含量蒸发性物质的黑碳气溶胶粒子分别执行所述步骤1和步骤2，其中光电传感器上无缝隙，得到多组散射光强-时间曲线；分别找出各种黑碳气溶胶粒子的散射光强-时间曲线相较标准黑碳粒子的散射光强-时间曲线产生明显变化的第一个时间点；根据找出的各时间点中最小的时间点确定所述光电传感器上缝隙的位置。
3.如权利要求1或2所述大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法，其特征在于，所述光电传感器为雪崩光电二极管或者倍增光电二极管。
4.一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置，其特征在于，该装置包括激光发生器，其可产生宽度、强度恒定的激光束；气体喷射器，其可将气体以恒定的速度喷射，气体喷射方向垂直于所述激光束的方向且经过激光束的中心；至少一个光电探测器，所述光电探测器包括聚焦透镜及光电传感器，聚焦透镜可将通过所述激光束的粒子的散射光聚焦成像于所述光电传感器，光电传感器将接收到的光信号转换为电信号输出；在所述光电传感器上设置有一缝隙，该缝隙垂直于所述粒子在光电传感器上所成图像的运动方向，当光线射于该缝隙时，光电传感器无电信号输出或有极小信号输出。
5.如权利要求4所述大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置，其特征在于，所述光电传感器为雪崩光电二极管或者倍增光电二极管。
6.如权利要求4所述大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置，其特征在于，所述气体喷射器的喷口宽度为所述激光束宽度的1/4。
7.如权利要求4所述大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置，其特征在于，该检测装置还包括至少一个用于检测白炽光强度的光电探测器。
全文摘要
本发明公开了一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测方法，属于光电检测技术领域。本发明对现有光电检测方法进行改进，通过在光电传感器上设置缝隙，从而在检测得到的散射光强时间序列数据中产生明显凹口，以该凹口作为参考点选取合适时间序列数据段进行拟合，得到完整高斯函数曲线，从而可对大气黒碳气溶胶粒子的直径进行准确检测。本发明还公开了一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置。
文档编号G01B11/08GK102353337SQ20111027667
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者刘晓林, 张宏群, 程珊蓉, 邹应全 申请人:南京信息工程大学
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