[实用新型]一种大气黑碳气溶胶粒子直径检测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种粒子检测装置，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小，我们可以分析粒子的形状和排列的规则，而且为黒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：

                                                                                （1）

其中：是一阶矩（一阶中心矩），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：

                                          （2）

其中：B是探测器基线偏移，A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。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A，然后通过散射光振幅A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。

实用新型内容

本实用新型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。