本发明专利技术公开了一种气溶胶颗粒采样检测装置与方法，用于对一定量的气溶胶中的气溶胶颗粒进行采样和检测。本发明专利技术的采样检测装置包括激光器、空间光调制器和检测腔体；激光器发射激光到空间光调制器(4)上；空间光调制器对激光进行调制后输出到所述检测腔体中；检测腔体(8)容纳有气溶胶，入射到该检测腔体中的激光在其中形成一个空间光能量陷阱场；空间光能量陷阱场包括多个光瓶，所述光瓶是一种周围为亮区、中心为暗区的空间瓶状结构，光瓶能够选择性的将尺寸与光瓶同一尺寸量级的气溶胶颗粒束缚于其中。本发明专利技术结构简单、携带方便，检测尺寸范围广，可实现对不同大小气溶胶颗粒的实时测定。
【技术实现步骤摘要】
基于能量陷阱法的气溶胶颗粒采样检测方法与装置
本专利技术属于环境大气采集及监测
，具体涉及实时测量大气中吸光性气溶胶颗粒的粒径分布和浓度的气溶胶颗粒采样检测方法与装置。本专利技术可应用于大气中吸光性PM2.5颗粒的采集与检测。
技术介绍
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。包含有颗粒物体的大气可以看作是一种气溶胶。气溶胶是指由固体或液体颗粒分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体颗粒，其大小为0.001?100微米，分散介质为气体。气溶胶颗粒是指分散并悬浮在气体介质中的固体或液体颗粒。用于衡量大气中包含的颗粒物的多少有多种指标，例如PMio和PM2.5，其是根据颗粒物的粒径大小来定义的。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，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。对于PM2.5的测定来说，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。由此可见，现有的以ΡΜ2.5颗粒代表的气溶胶颗粒的测定方法都需要将待测气体先经过颗粒采样切割器，将特定粒径范围之外的颗粒截口，使特定粒径范围内的颗粒通过，再对该气溶胶在该粒径范围内的颗粒数量或浓度进行测定。
技术实现思路
(一 )要解决的技术问题本专利技术所要解决的技术问题提出一种基于能量陷阱法的气溶胶颗粒的采样检测方法和装置，可检测具有确定上下限的尺寸区间的气溶胶颗粒，以解决现有的气溶胶颗粒的采样检测方法和装置必需采样切割器，并且设备结构复杂、需更换滤纸、操作繁琐以及只能检测低于某一上限尺寸的气溶胶颗粒的问题。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提出一种气溶胶颗粒采样检测装置，用于对一定量的气溶胶中的气溶胶颗粒进行采样和检测，该采样检测装置包括激光器、空间光调制器和检测腔体；所述激光器用于发射激光到空间光调制器上；所述空间光调制器对激光进行调制后输出到所述检测腔体中；所述检测腔体容纳有气溶胶，入射到该检测腔体中的激光在其中形成一个空间光能量陷阱场；其中，该空间光能量陷阱场包括多个光瓶，所述光瓶能够选择性的将尺寸与光瓶同一尺寸量级的气溶胶颗粒束缚于其中。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述空间光能量陷阱场是一个空间散班场或者是一种空间光晶格结构。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述采样检测装置还包括照明光源和光电检测器，所述照明光源用于发出照明光，该照明光照射到所述空间光能量陷阱区域中的被束缚的气溶胶颗粒；所述光电检测器用于对所述被束缚的气溶胶颗粒进行成像，并对成像信息实时记录，该成像信息可用于计算所束缚的气溶胶颗粒的尺寸和数量。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述采样检测装置还包括一个滤光片，其位于所述照明光源与所述空间光能量陷阱场与所述光电检测器之间，用于滤除所述激光器发出波长的激光。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述激光器发射的激光和所述照明光源发射的照明光均通过一个分光棱镜入射到所述检测腔体内。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述检测腔体具有气流入口和气流出口，分别用于流入和流出气溶胶，以便一定量的气溶胶通过所述空间光能量陷阱场。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，所述光能量陷讲场的尺寸在0.Ιμπι?4.5μηι之间，所述成像信息用于图像识别束缚的气溶胶颗粒中粒径小于或等于2.5μπι的颗粒。本专利技术还提出一种气溶胶颗粒采样检测方法，用于对一定量的气溶胶中的气溶胶颗粒进行采样和检测，包括如下步骤:发射激光到一个空间光调制器上；该空间光调制器对所述激光进行调制后输出到一个容纳有气溶胶的检测腔体中，在该检测腔体中形成一个空间光能量陷阱场；其中该空间光能量陷阱场包括多个光瓶，所述光瓶能够选择性的将尺寸与光瓶同一尺寸量级气溶胶颗粒束缚于其中。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，该方法还包括如下步骤:将照明光照射到所述空间光能量陷阱场；对所述被束缚的气溶胶颗粒散射的照明光进行成像和记录；对成像的图像进行识别，根据识别结果计算所述气溶胶中所需检测的气溶胶颗粒的尺寸和数量。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，该方法还包括如下步骤:在采样和检测之前，标定各尺寸的空间光能量陷阱下被束缚的气溶胶颗粒的百分比与气溶胶颗粒尺寸的关系，以及所采样的气溶胶中气溶胶颗粒的密度；根据识别结果计算所述气溶胶中所需检测的气溶胶颗粒的尺寸和数量的步骤为:根据光瓶的尺寸以及所述标定的各尺寸的光瓶所束缚的气溶胶颗粒的百分比与气溶胶颗粒尺寸的关系，计算气溶胶中的所需检测的气溶胶颗粒的数量和尺寸，再根据所采样的气溶胶中气溶胶颗粒的密度，计算气溶胶中所需检测的气溶胶颗粒的质量，将该质量除以流过气溶胶的体积，从而得出被束缚的气溶胶颗粒的浓度。根据本专利技术的一种【具体实施方式】，控制所述光瓶的尺寸在0.1 μ m?4.5 μ m之间变化，通过图像识别被束缚的气溶胶颗粒中粒径小于或等于2.5μπι的颗粒。(三)有益效果本专利技术利用空间光能量陷阱场形成的许多微小光瓶束缚气溶胶颗粒，其优点有:(I)本专利技术的探测光路结构简单，容易实现；(2)本专利技术通过改变空间光调制器各像素单元的参数，可实现对不同大小颗粒的检测，检测颗粒尺寸范围广；(3)可实现实时检测，人工操作量小；(4)本专利技术装置体积小重量轻，携带方便；(5)本专利技术可连续实现对多级尺寸气溶胶颗粒实时监测，可应用在ΡΜ2.5颗粒检测方面。(6)本专利技术不需要采样切割器，可检测确定上下限的尺寸区间的气溶胶颗粒的浓度。【附图说明】图1是空间光调制器的工作原理示意图；图2示出了由空间光调制器产生的能量陷阱场的光瓶结构；图3示出了由空间光调制器产生的空间光晶格结构的光瓶结构；图4是本专利技术的基于能量陷阱的气溶胶颗粒采样检测装置的实施例1的结构示意图。【具体实施方式】为实现对一定量的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种气溶胶颗粒采样检测装置，用于对一定量的气溶胶中的气溶胶颗粒进行采样和检测，其特征在于，该采样检测装置包括激光器(1)、空间光调制器(4)和检测腔体(8)；所述激光器(1)用于发射激光到空间光调制器(4)上；所述空间光调制器(4)对激光进行调制后输出到所述检测腔体(8)中；所述检测腔体(8)容纳有气溶胶，入射到该检测腔体(8)中的激光在其中形成一个空间光能量陷阱场；其中，该空间光能量陷阱场包括多个光瓶，所述光瓶能够选择性的将尺寸与光瓶同一尺寸量级的气溶胶颗粒束缚于其中。
【技术特征摘要】
1.一种气溶胶颗粒采样检测装置，用于对一定量的气溶胶中的气溶胶颗粒进行采样和检测，其特征在于，该采样检测装置包括激光器(I)、空间光调制器(4)和检测腔体(8)； 所述激光器(I)用于发射激光到空间光调制器(4)上； 所述空间光调制器(4)对激光进行调制后输出到所述检测腔体(8)中； 所述检测腔体(8)容纳有气溶胶，入射到该检测腔体(8)中的激光在其中形成一个空间光能量陷阱场；其中， 该空间光能量陷讲场包括多个光瓶，所述光瓶能够选择性的将尺寸与光瓶同一尺寸量级的气溶胶颗粒束缚于其中。2.如权利要求1所述的气溶胶颗粒采样检测装置，其特征在于，所述空间光能量陷阱场是一个空间散班场或者是一种空间光晶格结构。3.如权利要求2所述的气溶胶颗粒采样检测装置，其特征在于，所述采样检测装置还包括照明光源(6)和光电检测器(11)， 所述照明光源(6)用于发出照明光，该照明光照射到所述空间光能量陷阱区域中的被束缚的气溶胶颗粒； 所述光电检测器(11)用于对所述被束缚的气溶胶颗粒进行成像，并对成像信息实时记录，该成像信息可用于计算所束缚的气溶胶颗粒的尺寸和数量。4.如权利要求3所述的气溶胶颗粒采样检测装置，其特征在于，所述采样检测装置还包括一个滤光片(10)，其位于所述照明光源(6)与所述空间光能量陷阱场与所述光电检测器(11)之间，用于滤除所述 激光器(I)发出波长的激光。5.如权利要求4所述的气溶胶颗粒采样检测装置，其特征在于，所述激光器(I)发射的激光和所述照明光源(6)发射的照明光均通过一个分光棱镜(5)入射到所述检测腔体(8)内。6.如权利要求1所述的气溶胶颗粒采样检测装置，其特征在于，所述检测腔体(8)具有气流入口和气流出口，分别用于流入和流出气溶胶，以便一定量的气溶胶通过所述空间光能量陷阱场。7.如权利要求1-6中任一项所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张青川，张志刚，刘丰瑞，刘爽，程腾，张勇，伍小平，
申请(专利权)人：南京中迅微传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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