一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，针对现有技术中的装置在颗粒粒径小于10微米时不再适用的缺点，利用阶梯式中性密度滤光片将透射光和散射光衰减至同一光强数量级别，实现了在单一数字面阵相机的测量系统中对透射光和散射光同时拍摄，具有灵敏度高、响应快、光路系统简单紧凑等优点，通过获得的散射光和透射光信息可以得知粒径分布，在已知粒径分布的情况下，利用本装置可以测量微米级的粉尘浓度，利用透射光结合消光法可以实现亚微米和纳米级的粉尘浓度测量，成功实现了对微米级、亚微米级和纳米级粉尘浓度的测量，涵盖的粒径范围大，具有极大的市场优势。
【专利说明】-种大粒径范围的粉尘浓度测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种粉尘浓度测量装置，具体涉及一种大粒径范围的粉尘浓度测 量装置，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】
[0002] 粉尘主要�：χ皇谴笃肪澄廴荆涠潜ㄎ：Γ行┏『希鄢净够嵊跋焐� 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。
[0003] 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IOym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。
[0004] 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。 实用新型内容
[0005] 为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种大粒径范围的粉尘浓度 测量装置，针对现有技术中的测量装置在颗粒粒径小于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。
[0006] 本实用新型的基本原理为：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。
[0007]为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
[0008] -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。
[0009] 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。
[0010] 优选地，前述中性密度滤光片位于收集透镜的焦平面处。
[0011] 具体地，前述面阵数字相机为(XD或CMOS数字相机。
[0012] 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。
[0013]为了解决单一面阵相机同时测量透射光强与散射光强时，因透射光光强和散射光 强数量级差距太大而难以同时合理曝光的缺点，采用入射光和散射光进行不同光密度的中 性密度滤光片的光强衰减的方法，使得透射光和散射光以同等数量级进入面阵相机。阶梯 式中性密度滤光片的中心小圆内采用大光密度，接收透射光，其它部分采用小光密度，接收 散射光。
[0014] 激光光束照射测量区域的颗粒，产生散射光。散射光和透射光透过散射光收集透 镜后聚焦在透镜焦平面上，中性密度滤光片放置在焦平面上，则经由阶梯式中性密度滤光 片的透射光和散射光达到同一光强数量级进入面阵数字相机。
[0015] 因CCD镜头的所拍摄图像有一定畸形，故可以采用固定大小的小孔放置在测量区 域，根据所拍摄的小孔衍射光来重新校准图像的每个像素点所对应的散射角度。图像处理 后所得的每个散射角下的散射光强由属于划分在此散射角下的所有像素点的平均光强求 得。
[0016] 本实用新型的有益之处在于：本实用新型的粉尘浓度测量装置，利用阶梯式中性 密度滤光片将透射光和散射光衰减至同一光强数量级别，实现了在单一数字面阵相机的测 量系统中对透射光和散射光同时拍摄，具有灵敏度高、响应快、光路系统简单紧凑等优点， 通过获得的散射光和透射光信息可以得知粒径分布，在已知粒径分布的情况下，利用散射 光采用散射积分法可以测量微米级别的粉尘浓度，利用透射光采用消光法可以实现亚微米 级别和纳米级别的粉尘浓度测量，成功实现了对微米级、亚微米级和纳米级粉尘浓度的测 量，涵盖的粒径范围大，具有极大的市场优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本实用新型的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置的光路结构示意图。
[0018] 图中附图标记的含义：1、激光器，2、空间滤波器，21、透镜，22、小孔，3、样品池，4、 收集透镜，5、阶梯式中性密度滤光片，6、面阵数字相机，61、镜头，62、感光面，7、计算机。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
[0020] 本实用新型的粉尘浓度测量装置能够同时测量微米级、亚微米级及纳米级的粉尘 浓度，其结构参见图1，包括：按光线传输即光路方向依次设置的激光光源1、空间滤波器2、 样品池3、收集透镜4、阶梯式中性密度滤光片5及面阵数字相机6
[0021] 激光光源一般是由激光器1发出的，经空间滤波器2滤除杂散光并进行准直，得到 纯净的高斯平行光束，平行激光光束进入测量区域，穿过样品池3内的粉尘混合流体，产生 散射光与透射光，经过收集透镜4聚焦在焦平面上形成光强角分布图像。光强角分布图像 经放置在收集透镜4焦平面处的阶梯式中性密度滤光片5进行光强衰减，散射光和中心透 射光经过不同光学密度衰减从而形成双光路结构，其中一路是样品池3中透射光进入阶梯 式中性密度滤光片5中心小圆内进行光强衰减，另一路是样品池3中散射光进入阶梯式中 性密度滤光片5中心小圆外进行光强衰减，光路经阶梯式中性密度滤光片5后，进入面阵数 字相机6的镜头61，最后聚焦在面阵数字相机6的感光面62上，面阵数字相机6通过USB 通讯将采集的角分布光强值数字信号转换成电信号并进行数模转换送入计算机7处理，得 到粉尘浓度。
[0022] 作为一种具体结构，空间滤波器2由两个透镜21和一个不透光平面上的小孔22 组成，如图1所示，两个透镜21平行放置，对光束进行汇聚准直，小孔22在两个透镜21之 间的焦平面的中心。面阵数字相机6优选为CCD或CMOS数字相机，能够保证灵敏度高、响 应快。
[0023]如图1所示，经过样品池后的透射光和散射光经收集透镜4聚焦在焦平面上，透射 光与〇度角的散射光平行，所以都聚焦在焦平面上的光路中心处。散射光的散射角大于〇 度角，同一散射角的散射光在焦平面上会形成以光路中心为圆心的圆环上。透射平行光束 在收集透镜4的焦平面上会形成艾里斑，为了有效利用这部分光强，圆环半径R大小应略大 于艾里斑大小
【权利要求】
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。
6. 根据权利要求5所述的一种大粒径范围的粉尘浓度测量装置，其特征在于，所述小 孔位于两个透镜之间的焦平面中心。
【文档编号】G01N15/06GK204177707SQ201420582584
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】林学勇, 李舒, 张宸瑜, 许传龙 申请人:南京市计量监督检测院
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