专利名称：基于激光能量陷阱法的pm2.5颗粒的测定方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环境大气采集及监测技术领域，具体涉及PM2. 5颗粒的测定方法及装置。本发明可为多种分析仪器领域提供PM2. 5分析样品，同时可实现PM2. 5的在线监测。
背景技术：
大气环境对人们的健康有着至关重要的影响,大气中的可吸入颗粒物一直是大气环境监测的重点。PM2. 5颗粒是指大气中直径小于或等于2. 5微米的颗粒物，也称可入肺颗粒物。由于其粒径小，因此非常容易携带大量的病毒、细菌等有害物质，且不容易沉淀，在空气中停留时间长，输送距离远，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，弓丨发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。
PM2. 5测定即是指对于大气中的PM2. 5颗粒的浓度的测定。目前已有的PM2. 5测定方法主要有重量法、β射线法和微量振荡天平法等方法。重量法是将ΡΜ2. 5颗粒直接截留到滤膜上，然后用天平称重。重量法是最直接最可靠的方法，是验证其他方法是否准确的标杆，但是，需要人工称重，程序繁琐费时。β射线法是将ΡΜ2. 5颗粒收集到滤纸上，然后照射一束β射线，β射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和ΡΜ2. 5的重量成正比，根据射线衰减就可以计算出ΡΜ2. 5颗粒的重量，从而算出浓度。这种方法假设仪器的采样滤膜条带均一和采集的ΡΜ2. 5颗粒物理性质均一，且其对β射线的强度衰减率相同。但是现实中，该假设往往不成立，因此数据一般也被认为存在偏差，并且该方法在潮湿高温区域故障率高。微量振荡天平法使用一头粗一头细的空心玻璃管，将粗头固定，将细头装有滤芯。大气样品从粗头进并从细头出，ΡΜ2. 5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的ΡΜ2. 5的重量，从而算出浓度。采用该方法时，样品挥发性和半挥发性物质会有损失，需要加装膜动态测量系统(FDMS)进行校准，且需要更换FDMS透水膜，材料成本昂贵，且需要专业技术人员操作至少半天时间。这些方法都需要将待测大气样本先经过ΡΜ2. 5采样切割器，将直径大于2. 5 μ m的颗粒截口，使直径小于2. 5 μ m的颗粒可以通过，再对该气体进行测定。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题提出一种基于激光能量陷阱法的PM2. 5颗粒的采样和监测方法和装置，以解决现有的PM2. 5颗粒的采样和监测方法和装置必须先将气体经过PM2. 5采样切割器，并且设备结构复杂、成本高、需更换滤纸、操作繁琐的问题。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种测量气体中的颗粒浓度的测定装置，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，该装置包括激光器、光散射器、光会聚器和检测腔体，并且，
所述激光器用于发射一个平行激光束，该平行激光束经所述光散射器散射后再经由所述光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱，所述检测腔体用于容纳待测气体，并位于所述光会聚器的像平面上，所述待测气体中的部分颗粒被所述能量陷阱束缚，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱在垂直于所述激光束的传播方向上的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度。本发明还提出一种测量气体中的颗 粒浓度的多通道测定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，包括多个子装置，每个子装置包括激光器、光散射器、光会聚器，多个子装置共用一个检测腔体，并且，所述每个子装置的激光器用于发射一个平行激光束，该平行激光束经该子装置的光散射器散射后再经由该子装置的光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成多个空间散斑场，所述空间散斑场包含能量陷阱，所述检测腔体用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述每个子装置的光会聚器的像平面上，所述待测气体中的粒径处于所述多个能量陷阱尺寸所决定的能够被束缚的颗粒的粒径分布峰值区域的颗粒被每个空间散斑场的能量陷阱束缚，该被束缚多个尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够被测量以测定所述待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，其中，所述每个子装置的激光波长、光会聚器与所述像平面之间的距离以及该光会聚器的光圈尺寸可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所决定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域。本发明还提出一种测量气体中的颗粒浓度的测定装置，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括激光器、检测腔体、平凸透镜、正交光栅和第一物镜，所述激光器用于发射一个平行激光束，所述激光束经所述平凸透镜会聚后照射到所述正交光栅上，产生的O级和I级衍射光经过所述第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，所述检测腔体用于容纳所述待测气体，其水平方向中心位于所述第一物镜的像平面上，所述激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所决定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。本发明还提出一种测量气体中的颗粒浓度的多通道测定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，包括多个子装置，每个子装置包括激光器、平凸透镜、正交光栅和第一物镜，多个子装置共用一个检测腔体，并且所述每个子装置的激光器用于发射一个平行激光束，所述激光束经该子装置的平凸透镜会聚后照射到该子装置的正交光栅上，产生的O级和I级衍射光经过该子装置的第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成多个空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中所述预定粒径区间的颗粒的浓度，所述检测腔体用于容纳所述待测气体，并位于所述每个子装置的第一物镜的像平面上，所述每个子装置的激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数可以被调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所决定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。本发明还提出一种测量气体中的颗粒浓度的多通道测定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括至少一个第一子装置和至少一个第二子装置，其中，第一子装置包括激光器、光散射器、光会聚器，第二子装置包括激光器、平 凸透镜、正交光栅和第一物镜，所述第一子装置和第二子装置共用一个检测腔体，并且，所述检测腔体用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述第一子装置的光会聚器的像平面上，且位于所述第二子装置的第一物镜的像平面上，所述第一子装置的激光器用于发射一个平行激光束，该平行激光束经该第一子装置的光散射器散射后再经由该第一子装置的光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱，所述待测气体中的部分颗粒被所述能量陷阱束缚，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱在垂直于所述激光束的传播方向上的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，所述第一子装置的激光波长、光会聚器与第一子装置的像平面之间的距离以及该光会聚器的光圈尺寸可以调节，以使所述被束缚颗粒的尺寸为多个所述预定粒径区间，所述第二子装置的激光器用于发射一个平行激光束，所述激光束经所述第二子装置的平凸透镜会聚后照射到所述第二子装置的正交光栅上，产生的O级和I级衍射光经过所述第二子装置的第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中所述预定粒径区间的颗粒的浓度，所述第二子装置的激光波长、光晶格处一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所决定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。本发明还提出一种测量气体中的颗粒浓度的测定方法，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，包括如下步骤发射一个平行激光束，使该平行激光束经一个光散射器散射后再经会聚后入射到一个检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱，所述待测气体中的部分颗粒被所述空间散斑场束缚，测量该被束缚的颗粒的数量和粒径分布，从而测定所述待测气体中所述预定粒径分布的颗粒的浓度。本发明还提出一种测量气体中的颗粒浓度的测定方法，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括如下步骤发射一个平行激光束，使该激光束经会聚后照射到一个正交光栅上产生O级和I级衍射光，使该衍射光再会聚到一个检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，可束缚部分颗粒，测量该被束缚的颗粒的数量和粒径分布以 测定所述待测气体中所述预定粒径分布的颗粒的浓度。(三)有益效果本发明无须通过PM2. 5采样切割器就能够直接对PM2. 5颗粒进行采样和测定，且方法简单高效，不需要更换滤纸。具体来说，本发明利用空间散斑场或空间光晶格形成的许多光能量陷阱束缚PM2. 5颗粒，相对于已有的PM2. 5测定装置，其优点有(I)本发明的装置的探测光路结构简单，容易实现；(2)本发明的装置的各个组成部分价格低廉，因此成本较低；(3)本发明通过光路系统中各个元件参数，可实现对不同大小颗粒的测定；(4)本发明不需要更换滤膜，减少人工操作量；(5)本发明的PM2. 5测定装置体积小、重量轻、携带方便；(6)本发明的装置和方法可实现多通道分级实时监测。
图I是激光散斑场的效果图；图2是不同角度观察到的光晶格的空间强度分布示意图；图3是基于空间光晶格能量陷阱束缚颗粒的图像；图4是本发明的实施例I的基于激光散斑场对PM2. 5颗粒进行测定的装置的结构示意图；图5是本发明的实施例2的基于激光散斑场能量陷阱的多通道分级实时测定PM2. 5颗粒的测定装置的结构示意图；图6是本发明的实施例3的基于正交光栅所产生的空间光晶格能量陷阱的PM2. 5颗粒测定装置的结构示意图；图7是本发明的实施例4的基于空间光晶格能量陷阱的多通道分级实时测定PM2. 5颗粒的测定装置的结构示意图；图8是本发明的实施例5的基于空间散斑场和空间光晶格能量陷阱组合的多通道分级实时测定PM2. 5颗粒的测定装置的结构示意图。
具体实施例方式本发明提出的是一种创新的PM2. 5测定方法及装置。本发明所基于的原理是，通过调节连续激光束产生的光场能量分布，形成有多个光场能量陷阱的三维网格，如同大量的光瓶一样，可束缚样品气体中大量微米量级的颗粒。通过调节能量陷阱的尺寸大小来改变所需束缚颗粒的粒径区间，实现对样品气体中PM2. 5颗粒的采样。同时可通过CCD观察记录束缚到的颗粒的数量和粒径分布，得到样品气体中粒径的分布测量值。通过提前标定确定束缚数量与质量关系，从而得出样品气体中PM2. 5浓度。
为实现有多个光场能量陷阱的三维光场分布，本发明采用激光散斑场法和正交网格光栅法。下面首先介绍这两种方法的原理和装置的基本结构一、激光散斑场法
由激光器(发射激光的波长为λ，光束宽度为D)发出连续激光束照射磨砂玻璃散射器(0丨.O英寸，1500砂，发散角6° )后经光会聚器(焦距为f)会聚后，在像平面形成一个稳定的空间散斑场。空间散斑场含有多个能量陷阱，如同许多的微小光瓶，可选择性的将一定尺寸大小的颗粒束缚在光瓶中，而其他大小的颗粒会流出，从而实现对PM2. 5颗粒测定(Vladlen G. Shvedov, Andrei V. Rode, Yana V. Izdebskaya, Anton S. Desyatnikov,Wieslaw Krolikowski和 Yuri S. Kivshar,“Selective trapping of multiple particlesby volume speckle field”，OPTICS EXPRESS, Vol. 18,3137,2010)。用高度相干光(如激光)照射漫反射表面或非均匀透明介质时，利用成像透镜对被照明的漫射物体(包括漫反射和透射)成像，在透镜后面的空间中将形成随机分布的散斑场，这种散斑场称为主观散斑。散斑的结构虽然是随机的，但对于确定的非均匀透明介质和确定的照明激光光源，其对应的散斑场也是确定的。像平面上垂直于光线传播方向和平行于光线传播方向的散斑颗粒的尺寸分别为
(ζ&Λε±=2'44Α -
乂 Da J
f /a Vε,,=16λ\ —其中λ为激光波长，Za为透镜到像平面的距离，Da为透镜光圈大小(J. ff. Goodman, Speckle Phenomena in Optics (Ben Roberts and Co. , CO, 2007)。所述激光波长、透镜与所述像平面之间的距离以及所述透镜的光圈尺寸可以调节，以使所述被束缚颗粒的尺寸为预定粒径区间。图I为空间中激光散斑场的效果图。如图I所示，条状物体代表散斑颗粒，球形物体代表被束缚在能量陷阱中的颗粒。通过CCD对该空间的激光散斑场进行实时记录，并将记录信息输入到电脑中。被束缚颗粒散射的光在CCD靶面上成像，对CCD接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而得出所述预定粒径分布的颗粒的浓度。基于激光散斑场所形成的能量陷阱对所束缚的微小颗粒的粒径具有选择性，其束缚微小颗粒原理如下三维空间散斑颗粒由很多黑色区域分隔开，这些黑色区域就是许多的光能量陷阱。光能量陷阱犹如一个个微小的光瓶，可将待测气体中的的部分颗粒束缚，被束缚的颗粒的粒径峰值区间与能量陷阱在激光束传播方向的垂直方向上的尺寸相关。通过调节能量陷阱在激光束传播方向的垂直方向上的尺寸，可以调节被束缚的颗粒的粒径分布峰值区间。由于激光波长λ、像平面到透镜的距离Za与透镜的光圈大小Da的值都为可调，通过调节λ、Za和Da的值，可以控制被束缚颗粒的粒径分布峰值区间。而由于被束缚颗粒的粒径分布与其在待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度具有相关性，因此可以通过对测定装置的标定，来实现预定粒径区间颗粒的浓度的测定。由于在对CCD所接收到的图像进行处理时，可将粒径大于2. 5 μ m的颗粒数据忽略掉，只处理粒径小于2. 5 μ m的颗粒，因此本装置用于PM2, 5监测时不需要在监测系统前添加PM2. 5切割器。
二、正交网格光栅法激光器产生的平行光束经过平凸透镜汇聚到正交衍射光栅上，产生的O级和I级衍射光透过分光棱镜，再经过一成像物镜汇聚到一定区域，形成光晶格，产生大量的能量陷讲，可束缚一定尺寸大小的颗粒，从而实现对PM2. 5颗粒的采样(参见Vladlen G. Shvedov,Cyril Hnatovsky, Natalia Shostka, Andrei V. Rode 和 Wieslaw Krolikowski, “OpticalmanipuI ation of particle ensemble s in air，，, OPTICS LETTERS, Vol. 37,1934, 2012)。图2是不同角度观察到的光晶格的空间强 度分布示意图。如图2所示，白色箭头为激光传播方向，其中图2的(a)图为顺着光束传播方向观察的光强三维分域的颗粒，便布图；(b)图为迎着光束传播方向观察的光强三维分布图；(c)图为侧面方向观察的光强三维分布图。由图2可见，光晶格的空间分布着许多暗区，形成能量陷阱，可将待测气体中的的部分颗粒束缚，被束缚的颗粒的尺寸与能量陷阱的尺寸相关。通过调节能量陷阱在激光束传播方向的垂直方向上的尺寸，可以调节被束缚的颗粒的粒径分布区间。在图2中，亮区代表光强较大的区域，亮区之间的暗区为光强能量较低的能量陷阱。另一束白光光源发出的光在分光棱镜上反射，然后进入第一成像物镜，照明束缚区于观察颗粒。第二成像物镜后需要放置一个与激光器相同波长的滤波器，它可以减弱激光的光强，照射到光晶格区域的白光能够透过滤光片，并被CXD接收。通过简单的旋转和平移光栅，可达到相应的旋转和平移颗粒的效果。对CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而可计算出被束缚颗粒的浓度。通过调节光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数，可以控制被束缚颗粒的粒径分布峰值区间，其中X方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。而由于被束缚颗粒的粒径分布与其在待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度具有相关性，因此可以通过对测定装置的标定，来实现预定粒径区间颗粒的浓度的测定。基于空间光晶格所形成的光能量陷阱对所束缚的微小颗粒的粒径具有选择性，其束缚微小颗粒的原理如下空间光晶格由很多黑色区域分隔开，这些黑色区域就是许多的光能量陷阱。光能量陷阱犹如一个个微小的光瓶，可将待测气体中的部分颗粒束缚，被束缚颗粒的粒径峰值区间与能量陷阱在激光束传播方向的垂直方向上的尺寸相关。通过调节能量陷阱尺寸，可以调节被束缚的颗粒的粒径分布峰值区间。由于光能量陷阱尺寸与激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数有关，通过调节激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数，可以控制被束缚颗粒的粒径分布峰值区间，其中X轴方向为激光传播方向。由于被束缚颗粒的粒径分布与其在待测气体中预订尺寸的颗粒的浓度具有相关性，因此可以通过对测定装置的标定，来实现预订尺寸颗粒的浓度的测定。由于在对CCD所接收到的图像进行处理时，可将粒径大于2. 5 μ m的颗粒数据忽略掉，只处理粒径小于2. 5 μ m的颗粒，因此本装置用于PM2. 5监测时不需要在监测系统前添加PM2. 5切割器。图3是基于空间光晶格能量陷阱束缚颗粒的图像。图3中(I)、⑵、(3)图为逆时针旋转正交光栅，产生的光晶格空间分布也相应旋转，所束缚的颗粒(黑色圆点)也随之相应转动；(4)、(5)、(6)图为平移光栅，产生的光晶格空间分布也相应平移，所束缚的颗粒(黑色圆点)也随之相应平移，由此可以看出，由正交光栅产生的光晶格对某些尺寸的颗粒有束缚作用，可用来实现PM2. 5的采样与监测。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。实施例I :基于激光散斑场能量陷阱的PM2. 5颗粒测定装置及其测定方法图4是本发明的实施例I的基于激光散 斑场对PM2. 5颗粒进行测定的装置的结构示意图。如图4所示，本发明的装置包括激光器I、光散射器2、光会聚器3、检测腔体4、成像透镜5和CCD 6，其中激光器I用于发射一个平行激光束，激光束的传播方向为图中的X方向，在该实施例中，X方向为水平方向；待测气体的流向为图中的y方向，在该实施例中，y方向为垂直方向，与X方向垂直。激光器I发射的光束经过一个光散射器2后再经由一个光会聚器3入射到检测腔体4。光散射器2对激光器发射的激光进行散射，经散射的激光经光会聚器3入射到检测腔体4，检测腔体4用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述光会聚器3的像平面上，所谓像平面是指在光会聚器对于光散射器上散射的激光的成像平面。激光进入所述检测腔体4后，待测气体中的符合前述尺寸条件的颗粒被束缚，被束缚的颗粒的表面散射的光经成像透镜5后被CXD 6接收。如图4所示的实施例中，成像透镜5和(XD6放置方式为其轴线与X方向和y方向构成的xy平面垂直。如图4所示的实施例中，激光器I采用半导体激光器，其波长λ为532nm，光束宽度D为2. 6mm，其发出连续的激光束。光散射器2是一个毛玻璃散射片其散射角为6°。光会聚器3是由一个透镜构成，其焦距f为25mm，激光经会聚后，在像平面区域形成稳定的空间散斑场。如图4所示的实施例中，散射片2与透镜3之间的距离Zo为140mm，到像平面的距离Za为30. 4mm,像宽度Db为570 μ m,透镜光圈Da为23mm。散斑沿平行于激光传播方向的尺寸ε u和沿垂直于激光传播方向的尺寸ε ±分别为
广Za、ε, =2.44/1 - = 1.1 am
I Oa j
丨 Zaεη = 16λ - =14.9/7/7/
11{l.)ay由此，通过调节激光波长、所述光会聚器3与所述像平面之间的距离以及所述光会聚器3的光圈尺寸，可使所述被束缚颗粒的粒径分布与ε ±存在确定的关系，该关系例如是以接近ε ±为中心峰值的近似正态分布关系。而由于被束缚颗粒的粒径分布与其在待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度也具有相关性，因此可以通过对测定装置的标定，来实现预定粒径区间颗粒的浓度的测定。如图4所示实施例中，在使用本发明的装置时，将待测气体送入检测腔体4，检测腔体4包括气体入口和气体出口，分别用于送入和排出气体。检测腔体的外壳可由透光性好的玻璃构成，并镀有与激光波长相同的增透膜，以便于激光束的透射以及CCD接收颗粒散射的光。C⑶所接收的图像输入到计算机中，通过特定的控制程序识别被束缚的颗粒的大小与数量，从而可以统计不同大小的颗粒的数量，得到颗粒的粒径分布。已知不同大小的单个颗粒所对应的质量，用该质量乘以相应的数量，即可得到不同粒径颗粒的质量。由于并不是所有尺寸的颗粒都被束缚，被束缚的颗粒接近以光能量陷阱尺寸为中心呈近似正态分布，因此需要通过通入确定质量的不同尺寸的颗粒，然后得出被束缚颗粒的粒径分布和各尺寸的颗粒的重量，与通入的气体的各个尺寸重量相比，得出各个尺寸的被束缚颗粒占通入气体中该尺寸的百分比，实现对装置的标定。采用本发明的测定装置，通过调节激光波长、光会聚器到像平面的距离以及光会聚器的光圈尺寸，得到合适的光能量陷阱，使得被束缚的颗粒的尺寸的正态分布峰值接近2. 5 μ m，并计算束缚的颗粒中尺寸小于或等于
2.5μπι的各尺寸颗粒数量，乘 以相应尺寸单个颗粒的重量并除于该尺寸被捕捉的百分比，即可得到通入气体中各尺寸的重量。将各个尺寸颗粒的重量相加，得到通入气体中ΡΜ2. 5的总重量，除以通入气体体积，即可得到ΡΜ2. 5浓度。如图4所示的实施例中，采样一段时间以后，停止通入气体，关闭激光器，使得对已束缚到的颗粒的束缚力消失，此时没有颗粒被束缚，可重新进行捕捉颗粒。如此循环使用，不需要更换滤纸。实施例2 :基于激光散斑场能量陷阱的多通道分级实时测定ΡΜ2. 5颗粒的测定装置及其测定方法图5是本发明的实施例2的基于激光散斑场能量陷阱的多通道分级实时测定微小颗粒的测定装置的结构示意图。如图5所示，将两个如图4所示的装置作为子装置集成到一起，使它们的像平面在同一个平面上，每个子装置的能量陷阱尺寸不同，气流入口处的散斑场产生的的能量陷阱尺寸最大，从气流入口到气流出口处的能量陷阱尺寸依次减小。但是，本发明不限于如图5所示的两个子装置的情况，根据需要，也可以将该实施例扩展成为多于两个子装置的多通过装置。如图5所示，其中检测腔体4、成像透镜5和CXD 6为共用的，激光器I、毛玻璃散射片2和光会聚器3是每个装置都需要单独使用的。在图5所示的实施例中，成像透镜5和(XD6放置方式为其轴线与xy平面垂直。在图5所示的实施例中，每个子装置的激光器1，I’发出的激光束经过光散射片2，2’后经光会聚器3，3’到达检测腔体4。由于每个子装置的波长X、Da (光会聚器的光圈大小)以及Za(光会聚器到像平面的距离)不同，所得到的能量陷阱尺寸也不同，可束缚不同尺寸区间的颗粒。调节不同的子装置，使得几个子装置的像平面在同一个平面上，即可公用成像透镜5和(XD6进行图像采集。当待测气体流入检测腔体中时，入口处的散斑场所形成的光能量陷阱最大，该能量陷阱尺寸决定的被束缚粒子的粒径分布区间峰值最大，满足要求的粒子较易被束缚，未能被束缚的颗粒继续向前流动，进入下一个散斑场。于是，满足不同粒径区间的颗粒分别在检测腔体不同的区域被束缚住，通过与实施例I所做的标定值进行对比，即可分别得到不同区域被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而得到待测气体中的颗粒浓度。如图5所示的实施例中，采样一段时间以后，停止通入气体，关闭激光器，使得对已束缚到的颗粒的束缚力消失，此时没有颗粒被束缚，可重新进行捕捉颗粒。如此循环使用，不需要更换滤纸。实施例3、基于正交光栅所产生的空间光晶格能量陷阱的PM2. 5颗粒测定装置及其测定方法图6是本发明的实施例3的基于正交光栅所产生的空间光晶格能量陷阱的PM2. 5颗粒测定装置的结构示意图。如图6所示，该实施例3的装置包括激光器I、检测腔体4、CCD
6、平凸透镜7、正交光栅8、光分束器9、白光光源10、第一物镜11、第二物镜12、滤光片13。
如图6所示的实施例中，激光器I用于发射一个平行激光束，该激光束的传播方向定义为X方向，在该实施例中，X方向为水平方向；待测气体流向为y方向，在该实施例中，y方向为垂直方向，与X方向垂直。激光 器I发射的激光束经平凸透镜7会聚后照射到正交光栅8上，产生衍射光，所述光分束器位于所述正交光栅8和所述第一物镜11之间，由正交光栅8产生的O级和I级衍射光透过所述光分束器9入射到所述第一物镜11，再经过第一物镜11会聚到检测腔体4内部区域，形成空间光晶格，其中包含大量的能量陷阱，可束缚部分的颗粒。所述检测腔体4用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述第一物镜11的像平面上。所述白光光源10用于发射一个照明光，该照明光经过光分束器9反射后透过第一物镜11，照射到空间光晶格区域，透射后的光经第二物镜12和滤光片13后被(XD6接收。如图6所不的实施例中,激光器I米用半导体激光器，其波长λ为532nm,光束宽度D为2. 6mm，其发出连续的激光束。正交光栅8的间距为20 μ m，激光通过正交光栅后会产生衍射光，较高级衍射光被发散，O级和I级衍射光透过分光棱镜，经第一物镜11会聚后形成空间光晶格，其中含有很多的能量陷阱。如图6所示的实施例中，第二透镜12、滤光片13和CXD 6的放置方式为其轴线与X轴重合，X轴为激光传播方向。其中滤光片13位于第二透镜12与CXD 6之间，用于滤掉大部分由激光器发出的光。如图6所示的实施例中，由于能量陷阱尺寸与激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数有关，通过调节激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数，可以得到所需的能量陷阱尺寸。如图6所示的实施例中，将含有尺寸不等的颗粒(O. I μ m 10 μ m)的气体送入检测腔体中，如图6所示，在像平面处的空间光晶格区域，粒径位于能量陷阱决定的被束缚颗粒粒径峰值区域的颗粒较易被束缚，其他尺寸的颗粒不容易被束缚而流出。被束缚的图像被CCD接收。CCD所接收的图像输入到计算机中，通过特定编写的程序识别被束缚的颗粒的大小与数量，从而是可以统计不同大小的颗粒的数量，得到颗粒的粒径分布。已知不同大小的单个颗粒所对应的质量，用该质量乘以相应的数量，即可得到不同粒径颗粒的质量。由于并不是所有尺寸的颗粒都被束缚，被束缚的颗粒接近以光能量陷阱尺寸为中心呈近似正态分布，因此需要通过通入确定质量的不同尺寸的颗粒，然后得出被束缚颗粒的粒径分布和各尺寸的颗粒的重量，与通入的气体的各个尺寸重量相比，得出各个尺寸的被束缚颗粒占通入气体中该尺寸的百分比，实现对装置的标定。采用本发明的装置，光能量陷阱尺寸与激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数有关，通过调节激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数，得到合适的光能量陷阱，使得被束缚的颗粒的尺寸的正态分布峰值接近2. 5 μ m，并计算束缚的颗粒中尺寸小于或等于2. 5μπι的颗粒数量，乘以相应尺寸单个颗粒的重量并除于该尺寸被捕捉的百分比，即可得到通入气体中各尺寸的重量。将各个尺寸颗粒的重量相加，得到通入气体中PM2. 5的总重量，除以通入气体体积，即可得到PM2. 5浓度。如图6所示的实施例中，采样一段时间以后，停止通入气体，关闭激光器，使得对已束缚到的颗粒的束缚力消失，此时没有颗粒被束缚，可重新进行捕捉颗粒。如此循环使用，不需要更换滤纸。实施例4、基于空间光晶格能量陷阱 的多通道分级实时测定PM2. 5颗粒的测定装置及其测定方法图7是本发明实施例4的基于空间光晶格能量陷阱的多通道分级实时测定微小颗粒的测定装置的结构示意图。将多套图6所示的装置作为子装置集成到一起，每个子装置的光晶格能量陷阱尺寸不同，如图7所示，每套系统产生的空间光晶格都位于检测腔体4内，每套装置的能量陷阱的尺寸不同，气流入口处的散斑场产生的能量陷阱尺寸最大，从气流入口到气流出口处的能量陷阱尺寸依次减小。其中检测腔体4是共用的，激光器I、CCD6、平凸透镜7、正交衍射光栅8、光分束镜9、白光光源10、第一物镜11、第二物镜12和滤光片13是每套系统都需要单独使用的。在图7所示的实施例中，每个子装置的激光器I发出的激光束经过平凸透镜7会聚后照射到正交光栅8上，产生的O级和I级衍射光透过光分束器9，在经过第一物镜11会聚到检测腔体4内部区域，形成光晶格，产生大量的光能量陷阱，可束缚一定尺寸区间的颗粒。白光光源10照明光经过光分束器9反射后透过第一物镜11，照射到光晶格区域，光晶格区域透射的光经第二物镜12和滤光片13后被(XD6接收。如图7所示的实施例中，不同子装置采用不同的激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角参数，产生的能量陷阱尺寸也不同，可束缚不同尺寸区间的颗粒，其中X轴方向为激光传播方向。当待测气体流入检测腔体中时，入口处的空间光晶格所形成的光能量陷阱尺寸最大，该能量陷阱尺寸决定的被束缚粒子的粒径分布区间峰值最大，满足要求的粒子较易被束缚，未能被束缚的颗粒继续向前流动，进入下一个空间光晶格场，。于是，满足不同粒径区间的颗粒分别在检测腔体不同的区域被束缚住，通过与实施例3所做的标定值进行对比，即可分别得到不同区域被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而得到待测气体中的颗粒浓度。如图7所示的实施例中，采样一段时间以后，停止通入气体，关闭激光器，使得对已束缚到的颗粒的束缚力消失，此时没有颗粒被束缚，可重新进行捕捉颗粒。如此循环使用，不需要更换滤纸。实施例5、基于空间散斑场和空间光晶格能量陷阱组合的多通道分级实时测定PM2. 5颗粒的测定装置和测定方法图8是本发明实施例5的基于空间散斑场和空间光晶格能量陷阱组合的多通道分级实时测定微小颗粒的测定装置的结构示意图。将多个图4和图6所示的装置作为子装置集成到一起(分别称为第一子装置和第二子装置)，每个子装置所产生的能量陷阱尺寸不同，如图8所示，空间散斑场和空间光晶格都位于检测腔体4内，每个子装置的能量陷阱的尺寸不同，气流入口处的能量陷阱尺寸最大，从气流入口到气流出口处的能量陷阱尺寸依次减小。其中检测腔体4是公用的，多个如图4所示的子装置的成像透镜5和CXD 6是公用的的，多个如图4所示的激光器I、毛玻璃散射片2、光会聚器3是每个子装置都需要单独使用的，多个如图6所示子装置的激光器I’、平凸透镜7、正交光栅8、光分束镜9、白光光源10、第一物镜11、第二物镜12、滤光片13和CXD 6’也是每个子装置都需要单独使用的。即检测腔体4用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述第一子装置的光会聚器的像平面上，且位于所述第二子装置的第一物镜的像平面上，在图8所示的实施例中，每个基于空间散斑场产生光能量陷阱的第一子装置中激光器I发出的激光束记过光散射片2后经光会聚器3到达检测腔体4。在图8所示的实施例中，每个基于空间光晶格产生光能量陷阱的第二子装置中激光器I’发出的激光束经过平凸透镜7会聚后照 射到正交光栅8上，产生的O级和I级衍射光透过光分束器9，在经过第一物镜11会聚到检测腔体4内部区域，形成光晶格，产生大量的光能量陷阱，可束缚一定粒径区间的颗粒。白光光源10照明光经过光分束器9反射后透过第一物镜11，照射到光晶格区域，光晶格区域的光经第二物镜12和滤光片13后被CCD6’接收。如图8所示实施例中，每个子装置产生的光能量陷阱尺寸不同，尺寸从气流入口到气流出口处依次减小。当待测气体流入检测腔体中时，入口处的光能量陷阱尺寸最大，该能量陷阱尺寸决定的被束缚粒子的粒径分布区间峰值最大，满足要求的粒子较易被束缚，未能被束缚的颗粒继续向前流动，进入下一个能量陷阱场。于是，满足不同粒径区间的颗粒分别在检测腔体不同的区域被束缚住，通过与实施例3所做的标定值进行对比，即可分别得到不同区域被束缚颗粒的重量。如图8所示实施例中，采样一段时间以后，停止通入气体，关闭激光器，使得对已束缚到的颗粒的束缚力消失，此时没有颗粒被束缚，可重新进行捕捉颗粒。如此循环使用，不需要更换滤纸。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.ー种测量气体中的颗粒浓度的測定装置，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，该装置包括激光器(I)、光散射器(2)、光会聚器(3)和检测腔体(4)，并且， 所述激光器用于发射ー个平行激光束，该平行激光束经所述光散射器散射后再经由所述光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱， 所述检测腔体用于容纳待测气体，并位于所述光会聚器的像平面上，所述待测气体中的部分颗粒被所述能量陷阱束缚，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱在垂直于所述激光束的传播方向上的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度。
2.如权利要求I所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，所述激光器所发射的激光束的波长、所述光会聚器与所述像平面之间的距离以及所述光会聚器的光圈尺寸可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域。
3.如权利要求2所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，所述预定粒径区间是直径小于或等于2. 5微米。
4.如权利要求3所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在干，所述激光波长入、光会聚器与所述像平面之间的距离Za以及所述光会聚器的光圈尺寸Da满足
5.如权利要求I所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，还包括成像透镜(5)和(XW6)，所述被束缚的颗粒的表面散射的光经所述成像透镜后被所述CXD接收，通过对CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，能够计算所述预定粒径区间的颗粒的浓度。
6.如权利要求5所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，所述成像透镜和CCD放置方式为其轴线与X方向和y方向构成的xy平面垂直，其中X方向为所述激光束的传播方向，所述y方向为待测气体流向。
7.ー种测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括多个子装置，每个子装置包括激光器(1，1’)、光散射器(2，2’)、光会聚器(3，3’)，多个子装置共用一个检测腔体(4)，并且， 所述每个子装置的激光器用于发射ー个平行激光束，该平行激光束经该子装置的光散射器散射后再经由该子装置的光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成多个空间散斑场，所述空间散斑场包含能量陷阱， 所述检测腔体用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述每个子装置的光会聚器的像平面上，所述待测气体中的粒径处于所述多个能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚的颗粒的粒径分布峰值区域的颗粒被每个空间散斑场的能量陷阱束缚，该被束缚多个尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够被测量以测定所述待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度， 其中，所述每个子装置的激光波长、光会聚器与所述像平面之间的距离以及该光会聚器的光圈尺寸可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域。
8.如权利要求7所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在于，还包括成像透镜(5)和CCD ￠)，所述被束缚的多个尺寸的颗粒的表面散射的光经所述成像透镜后被所述CCD接收，通过对CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述多个预定粒径分布的颗粒的浓度。
9.如权利要求8所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在干，所述成像透镜和CXD的放置方式为其轴线与X方向和y方向构成的xy平面垂直，其中x方向为所述多个子装置的激光束的传播方向，所述y方向为待测气体流向。
10.ー种测量气体中的颗粒浓度的測定装置，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括激光器(I)、检测腔体(4)、平凸透镜(7)、正交光栅(8)和第一物镜(11)， 所述激光器用于发射ー个平行激光束，所述激光束经所述平凸透镜会聚后照射到所述正交光栅上，产生的0级和I级衍射光经过所述第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度， 所述检测腔体用于容纳所述待测气体，其水平方向中心位于所述第一物镜的像平面上，所述激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及ー级衍射光轴线与X轴倾角參数可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。
11.如权利要求10所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，还包括光分束器(9)、白光光源(10)、第二物镜(12)和CCD (6)， 所述光分束器(9)位于所述正交光栅(8)和所述第一物镜(11)之间，由正交光栅(8)产生的0级和I级衍射光透过所述光分束器(9)入射到所述第一物镜(11)， 所述白光光源(10)用于发射ー个照明光，该照明光经过所述光分束器(9)反射后透过第一物镜(11)，照射到所述空间光晶格区域，透射光经所述第二物镜后被所述CXD接收，通过对CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述预定粒径分布的颗粒的浓度。
12.如权利要求11所述的测量气体中的颗粒浓度的測定装置，其特征在于，还包括一个与激光器相同波长的滤光片(13),其位于所述第二透镜与CCD之间,用于滤掉由激光器发出的光。
13.—种测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括多个子装置，每个子装置包括激光器(I)、平凸透镜(7)、正交光栅(8)和第一物镜(11)，多个子装置共用一个检测腔体(4)，并且 所述每个子装置的激光器用于发射ー个平行激光束，所述激光束经该子装置的平凸透镜会聚后照射到该子装置的正交光栅上，产生的0级和I级衍射光经过该子装置的第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成多个空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中所述预定粒径区间的颗粒的浓度， 所述检测腔体用于容纳所述待测气体，并位于所述每个子装置的第一物镜的像平面上，所述每个子装置的激光波长、一级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及ー级衍射光轴线与X轴倾角參数可以被调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。
14.如权利要求13所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在干，每个子装置还包括光分束器(9)、白光光源(10)、第二物镜(12)和滤光片(13)和CCD (6)， 所述光分束器(9)位于该子装置的正交光栅(8)和该子装置的第一物镜(11)之间，由该正交光栅(8)产生的0级和I级衍射光透过所述光分束器(9)入射到该子装置的第一物镜(11)， 所述白光光源(10)用于发射ー个照明光，该照明光经过该子装置的光分束器(9)反射后透过该子装置的第一物镜(11)，照射到所述空间光晶格区域，透射光经所述第二物镜后被该子装置的CCD接收，通过对所述CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述多个预定粒径分布的颗粒的浓度。
15.如权利要求14所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在于，每个子装置还包括一个与激光器相同波长的滤光片(13)，其位于该子装置的第二透镜与CCD之间，用于滤掉大部分由激光器发出的光。
16.ー种测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，用于测定待测气体中多个预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括至少ー个第一子装置和至少ー个第二子装置，其中，第一子装置包括激光器(I)、光散射器(2)、光会聚器(3)，第二子装置包括激光器(I)、平凸透镜(7)、正交光栅(8)和第一物镜(11)，所述第一子装置和第二子装置共用一个检测腔体(4)，并且， 所述检测腔体用于容纳待测气体，其水平方向中心位于所述第一子装置的光会聚器的像平面上，且位于所述第二子装置的第一物镜的像平面上， 所述第一子装置的激光器用于发射ー个平行激光束，该平行激光束经该第一子装置的光散射器散射后再经由该第一子装置的光会聚器入射到所述检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱，所述待测气体中的部分颗粒被所述能量陷阱束缚，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱在垂直于所述激光束的传播方向上的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度， 所述第一子装置的激光波长、光会聚器与第一子装置的像平面之间的距离以及该光会聚器的光圈尺寸可以调节，以使所述被束缚颗粒的尺寸为多个所述预定粒径区间， 所述第二子装置的激光器用于发射ー个平行激光束，所述激光束经所述第二子装置的平凸透镜会聚后照射到所述第二子装置的正交光栅上，产生的0级和I级衍射光经过所述第二子装置的第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，该能量陷阱可束缚部分颗粒，该被束缚的颗粒的粒径分布与所述能量陷阱的尺寸相关，根据该被束缚尺寸的颗粒的数量和粒径分布能够测定所述待测气体中所述预定粒径区间的颗粒的浓度， 所述第二子装置的激光波长、光晶格处ー级衍射光到X轴的距离、一级衍射光光腰半径以及一级衍射光轴线与X轴倾角參数可以调节，以使所需被束缚颗粒的粒径分布在由能量陷阱尺寸所決定的能够被束缚颗粒的粒径分布峰值区域，其中X轴方向为所述多个子装置的激光束的传播方向。
17.如权利要求16所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在于，所述第一子装置还包括成像透镜(5)和CCD￠)，所述被束缚的颗粒的表面散射的光经所述成像透镜后被所述CCD接收，通过对所述CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述多个预定粒径分布的颗粒的浓度。
18.如权利要求17所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在于，所述成像透镜和CXD放置方式为其轴线与X方向和y方向构成的xy平面垂直，其中X方向为所述激光束的传播方向，所述I方向为待测气体流向。
19.如权利要求16所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在干，所述第二子装置还包括光分束器(9)、白光光源(10)、第二物镜(12)和滤光片(13)和CCD ⑶， 所述光分束器(9)位于所述正交光栅(8)和所述第一物镜(11)之间，由正交光栅(8)产生的0级和I级衍射光透过所述光分束器(9)入射到所述第一物镜(11)， 所述白光光源(10)用于发射ー个照明光，该照明光经过所述光分束器(9)反射后透过第一物镜(11)，照射到所述空间光晶格区域，透射光经所述第二物镜后被所述CXD接收，通过对所述CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述多个预定粒径分布的颗粒的浓度。
20.如权利要求19所述的测量气体中的颗粒浓度的多通道測定装置，其特征在于，还包括一个与激光器相同波长的滤光片(13)，其位于所述第二透镜与CCD之间，用于滤掉大部分由激光器发出的光。
21.ー种测量气体中的颗粒浓度的測定方法，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括如下步骤 发射ー个平行激光束，使该平行激光束经ー个光散射器散射后再经会聚后入射到ー个检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，该空间散斑场包含能量陷阱，所述待测气体中的部分颗粒被所述空间散斑场束缚， 测量该被束缚的颗粒的数量和粒径分布，从而测定所述待测气体中所述预定粒径分布的颗粒的浓度。
22.如权利要求21所述的测量气体中的颗粒浓度的測定方法，其特征在于，还包括步骤通过ー个CCD来接收所述被束缚的多个尺寸的颗粒的表面散射的光，通过对所述CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述预定粒径分布的颗粒的浓度。
23.ー种测量气体中的颗粒浓度的測定方法，用于测定待测气体中预定粒径区间的颗粒的浓度，其特征在于，包括如下步骤 发射ー个平行激光束，使该激光束经会聚后照射到一个正交光栅上产生0级和I级衍射光，使该衍射光再会聚到ー个检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间光晶格中包含能量陷阱，可束缚部分颗粒， 测量该被束缚的颗粒的数量和粒径分布以测定所述待测气体中所述预定粒径分布的颗粒的浓度。
24.如权利要求22所述的测量气体中的颗粒浓度的測定方法，其特征在于，还包括步骤发射ー个照明光，该照明光照射到所述空间光晶格区域，通过ー个CCD接收由所述空间光晶格区域透射的光，通过对所述CCD所接收到的图像进行处理得到被束缚颗粒的数量和粒径分布，从而计算所述预定粒径分布的颗粒的浓度。
全文摘要
本发明公开了一种测量气体中的颗粒浓度的测定装置，特别适于测量PM2.5颗粒浓度。本发明将激光器发射的平行激光束经光散射器散射后再经由所述光会聚器入射到一个检测腔体，在所述检测腔体内形成空间散斑场，或者将该平行激光束经一个平凸透镜会聚后照射到一个正交光栅上，产生的0级和1级衍射光经过第一物镜会聚到所述检测腔体的内部区域，形成空间光晶格，该空间散斑场或空间光晶格中均包含能量陷阱，调节能量陷阱尺寸使得能量陷阱尺寸处于所需束缚颗粒区间的粒径分布峰值区域，并通过标定方法测定所述待测气体中选定粒径区间颗粒的浓度。本发明结构简单、成本较低，可实现对不同大小颗粒的测定。
文档编号G01N15/06GK102818756SQ20121027556
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者张青川, 张志刚, 刘丰瑞, 刘爽, 伍小平 申请人:中国科学技术大学