專利名稱：激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法及裝置，屬于粒子測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
我國大氣污染以燃煤產(chǎn)生的二氧化硫和固體顆粒物為主，大氣質(zhì)量與衡量固體顆粒物濃度的總懸浮顆粒(TSP)、飄塵等有關(guān)，因此，動態(tài)監(jiān)測大氣中粉塵物的排放速度和粉塵顆粒物大小構(gòu)成具有重要意義。在環(huán)境監(jiān)測過程中，人們既關(guān)心粉塵粒子的物理尺寸及其分布，也關(guān)心粉塵粒子的運(yùn)動速度。
目前主要采用光學(xué)散射探測原理進(jìn)行粉塵排放的動態(tài)監(jiān)測和測量，利用探測器檢測粉塵對發(fā)射光的吸收程度來估算粉塵排放量。該方法原理簡單，測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)速度快。但由于光散射現(xiàn)象的復(fù)雜性，粒子引起的散射衰減只是一個關(guān)于粒子濃度的定性值，而且往往因尺寸分布差異而呈多值關(guān)系。其次，這種測試方法無法實現(xiàn)粒子速度的測量，而粒子速度卻是衡量排放量的關(guān)鍵參數(shù)。同時，光散射強(qiáng)度極易受到干擾，粒子流可能引起的光束擴(kuò)斑和漂移等都會給測量帶來誤差。由于無法了解關(guān)于粉塵粒子大小、尺寸分布、粒子飛行速度等粉塵排放構(gòu)成的信息，現(xiàn)有儀器所獲得的粉塵排放數(shù)據(jù)只是通過標(biāo)定得到的粉塵排放參數(shù)(如TSP、PM10、PM2.5、PM1等)的一個估計量，儀器靈敏度低，測量范圍小，必須經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)整以保證測試數(shù)據(jù)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法及裝置。該方法具有測量準(zhǔn)確性和可靠性高、測量范圍寬特點；裝置使用可靠。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的根據(jù)探測信號的頻率與粒子的飛行速度成正比fD=2sinα2λ·v]]>之關(guān)系，以及兩個探測信號的相位差與粒子的直徑成正比ΔΦ=2msinα2sinψλ2(1+cosα2cosψcosφ)(1+m2-m2(1+cosα2cosψcosφ))·d]]>
之關(guān)系；式中m為粒子的相對折射率，λ為波長，d為粉塵粒子直徑，實現(xiàn)激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法，其特征包括以下過程采用兩束相干入射光以α角匯聚于粉塵粒子流中，兩入射光束與粒子流動方向共面(入射平面)，其角平分線與粒子流動方向垂直；兩個APD探測器對稱置于散射平面(兩APD探測器與粒子流動方向所在的平面)的ψ和-ψ的散射方向上，且散射平面與入射平面的夾角為φ，兩個APD探測器接收粒子的散射光信號，兩個探測信號具有相同的頻率和不同的相位，采用信號處理器提取信號的頻率和兩路信號的相位差，可獲得了粉塵粒子的速度和直徑信息，進(jìn)而可獲得單位時間內(nèi)粉塵粒子的最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑，粒子分布(粒徑分布、重量分布)、單位時間內(nèi)的排放量和累積排放量信息。
上述的散射平面與入射平面的夾角φ，在選擇平行偏振光入射的條件下，φ角選取在20°～70°范圍內(nèi)；對折射率較大的粉塵粒子，φ角的選擇應(yīng)適當(dāng)小一些；ψ角在空間允許的前提下選擇2°～10°。
用于實現(xiàn)上述方法的裝置，其特征包括光學(xué)探測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，所述的光學(xué)探測系統(tǒng)包括激光光源、起偏器、分束器、物鏡和APD探測器；所述的信號處理系統(tǒng)包括預(yù)處理器、高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器、小波處理器、參數(shù)處理器、數(shù)據(jù)分析器和同步控制器。
本發(fā)明的優(yōu)點在于從粉塵粒子散射光信號的頻率和相位中獲取粒子信息，避免了散射幅度衰減的不確定性給測量帶來的影響；粉塵粒子的運(yùn)動速度、直徑與信號的頻率和相位參數(shù)有明確的線性關(guān)系，既能保證所獲取的信號參數(shù)準(zhǔn)確反映粉塵粒子的物理特征和動態(tài)特征，又能保證系統(tǒng)具有大的測量范圍和很高的測量精度；適用于直徑從0.1μm到1000μm范圍的粒子流或粒子場的測量，測量范圍寬，測量精度和空間分辨力高。本方法也可以應(yīng)用于其它粒子流(場)的監(jiān)測和測量。


圖1為本發(fā)明裝置光學(xué)探測系統(tǒng)的光路布置與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-激光光源，2-起偏器，3-分束器，4-物鏡，5、6-入射光束，7-光學(xué)入射孔，8-被測粒子流，9、10-APD探測器，11-粒子散射光接收孔，12-粉塵排放通道。
圖2為本發(fā)明裝置信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合對某燃煤鍋爐的排放粉塵監(jiān)測對本發(fā)明的實施過程加以詳細(xì)說明在對某燃煤鍋爐排放粉塵的監(jiān)測過程中，本發(fā)明裝置的光學(xué)探測系統(tǒng)安裝在鍋爐粉塵排放通道12上(如附圖2所示)，通道直徑800mm，入射光一側(cè)開圓孔7，接收散射光一側(cè)開長孔11，兩孔均鑲以透明材料。由激光器1輸出的單頻激光經(jīng)起偏器2、分束器3轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度相等的兩相干光束，經(jīng)物鏡聚焦4后，兩相干入射光束5、6以α角匯聚于排放粉塵粒子流8。
兩個APD探測器9、10接收到具有相同的頻率和不同相位的散射光信號，且信號的頻率與粉塵排放速度成正比，兩個信號的相位差與粉塵粒子的直徑成正比。兩路信號分別通過預(yù)處理電路消除基座后由高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)小波處理進(jìn)行粉塵粒子信號識別，提取信號頻率和相位并變換為描述粉塵粒子物理特性的速度和粒徑參數(shù)。
結(jié)合輔助參數(shù)(粉塵粒子的比重，排放管道截面積等)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。包括數(shù)量統(tǒng)計Nd=3ndvST0sinα2df3]]>其中Nd為(0，T0)時間段通過排放通道粒徑為d的粒子數(shù)；nd為(0，T0)時間段測量得到的粒徑為d的粒子數(shù)；df為入射光束的束腰直徑；α為兩入射光束的夾角；S為排放通道截面積；v為粒子速度。
粒子總數(shù)N=ΣiNdi,(i=1,2,3,···)]]>數(shù)量比ηN=NdN]]>質(zhì)量統(tǒng)計Md=πρNdd33]]>其中d表示粒子直徑；ρ為粉塵粒子比重；Md為(0，T0)時間段通過排放通道粒徑為d的粒子重量。
總重量M=ΣiMdi,(i=1,2,3,···)]]>重量比ηM=MdM]]>濃度統(tǒng)計
Cd=πρNdd33vST0]]>其中Cd為(0，T0)時間段通過排放通道粒徑為d的粒子濃度。
粉塵濃度C=ΣiCdi,(i=1,2,3,···)]]>形成測試結(jié)果。包括單位時間內(nèi)的最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑，單位時間內(nèi)的排放量，累積排放量等。由于測量過程獲得了粉塵粒子的直徑、速度等信息，系統(tǒng)能夠方便地生成粉塵排放數(shù)據(jù)。下表為該燃煤鍋爐25分鐘粉塵測試報告記錄時間平均直徑最大直徑最小直徑5分鐘排量累積排量(μm) (μm) (μm) (mg/m3) (kg)16:28:29 116.6 157.8 71.70.312 0.9916:33:29 119 139.9 103.6 0.322 0.9916:38:29 107.2 139.1 74.70.282 0.9916:43:29 109.1 137.3 88.30.299 0.9916:48:29 1111151.6 92.70.302 0.99116:53:29 122 140.9 108.9 0.323 0.99權(quán)利要求
1.一種激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法，該方法根據(jù)探測信號的頻率與粒子的飛行速度成正比fD=2sinα2λ·v]]>之關(guān)系，以及兩個探測信號的相位差與粒子的直徑成正比ΔΦ=2msinα2sinψλ2(1+cosα2cosψcosφ)(1+m2-m2(1+cosα2cosψcosφ))·d]]>之關(guān)系；式中m為粒子的相對折射率，λ為波長，d為粉塵粒子直徑，實現(xiàn)激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測，其特征在于包括以下過程采用兩束相干入射光以α角匯聚于粉塵粒子流中，兩入射光束與粒子流動方向共面，其角平分線與粒子流動方向垂直；兩個APD探測器對稱置于散射平面的ψ和-ψ的散射方向上，且散射平面與入射平面的夾角為φ，兩個APD探測器接收粒子的散射光信號，該兩個探測信號具有相同的頻率和不同的相位，采用信號處理器提取信號的頻率和兩路信號的相位差，可獲得了粉塵粒子的速度和直徑信息，進(jìn)而可獲得單位時間內(nèi)粉塵粒子的最大粒徑、最小粒徑、平均粒徑，粒子分布、單位時間內(nèi)的排放量和累積排放量信息。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于散射平面與入射平面的夾角φ，在選擇平行偏振光入射的條件下，φ角選取在20°～70°范圍內(nèi)；對折射率較大的粉塵粒子，φ角的選擇應(yīng)適當(dāng)小一些；ψ角在空間允許的前提下選擇2°～10°。
3.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1方法的裝置，其特征在于包括光學(xué)探測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)，所述的光學(xué)探測系統(tǒng)包括激光光源、起偏器、分束器、物鏡和APD探測器；所述的信號處理系統(tǒng)包括預(yù)處理器、高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器、小波處理器、參數(shù)處理器、數(shù)據(jù)分析器和同步控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光相位多普勒粉塵粒子監(jiān)測方法及裝置，屬于粒子測量技術(shù)。所述方法過程將兩束相干入射光匯聚并垂直于粉塵粒子流流動方向照射；對稱放置兩個APD探測器，探測器接收到的粒子散射光信號具有相同的頻率和不同的相位，頻率與粒子的飛行速度成正比，相位差與粒子的直徑與正比，處理器提取信號的頻率和相位差，從而獲得粒子的直徑、速度及其它信息。實施方法的裝置，包括激光光源、起偏器、分束器、物鏡和APD探測器組成的探測系統(tǒng)，和信號預(yù)處理器、高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)、小波處理器、參數(shù)處理器、數(shù)據(jù)分、同步控制器構(gòu)成的處理系統(tǒng)。本發(fā)明的優(yōu)點在于，粉塵粒子的速度、直徑等參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性高，測量范圍寬，適用性強(qiáng)。
文檔編號G01N21/49GK1587984SQ20041007233
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者曾周末, 李健, 張慧, 靳世久 申請人:天津大學(xué)