本发明专利技术公开了一种基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，包括第一激光器、光声池、光纤F‑P声波传感器、第二激光器、光纤耦合器、光电探测器、锁相放大器和计算机，所述光声池包括前缓冲室、样品室、后缓冲室和微音器室，前缓冲室、样品室、后缓冲室、前导管、以及后导管的内壁上形成有超疏水涂层。本发明专利技术基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，利用基于氟化石墨炔振动膜的光纤F‑P声波传感器对声压力波进行探测，能够充分发挥光纤F‑P声波传感器的高灵敏、高响应速度、高稳定性的作用；并且其光声池的内壁涂有超疏水涂层，使得PM2.5微粒不会粘附在光声池内壁上而影响光声信号，且氟化石墨炔振动膜不粘附PM2.5微粒，均能进一步提高检测精度。
【技术实现步骤摘要】
基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置
本专利技术涉及光声光谱
，具体涉及一种基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置。
技术介绍
大气细颗粒物PM2.5是我国空气污染首要的污染物，PM2.5是空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物。大气中PM2.5的主要来源有：燃煤，硫酸盐，硝酸盐及有机物等。PM2.5对人体健康，日常生活以及大气环境质量造成巨大的影响。因此，对大气细颗粒物PM2.5的质量浓度进行检测，对于减少人群患病率，保障生命安全，预防空气严重污染的发生具有十分重要的研究意义。目前对于空气中细颗粒物PM2.5质量浓度的检测方法主要有重量法，β射线衰减法以及光散射法等。其中，重量法是通过颗粒物采样器将大气中的颗粒物采样到采样器中，然后被测气体进入PM2.5切割器，将直径大于2.5微米的颗粒分离，直径小于或等于2.5微米的颗粒随着气流经分离器出口被阻留在已恒重的滤膜上。根据采样前后滤膜的重量差以及采样的体积，计算出PM2.5的质量浓度。但是这种方法的准确性基本取决于采样流量和分析所用的天平误差的不确定度，且存在不能实时在线测量，操作繁琐，采样器笨重等缺点。β射线衰减法的工作原理是环境空气由采样器吸入，通过切割器和滤膜后排出，直径小于或等于2.5微米的颗粒物沉积在滤膜上面，当β射线通过沉积着颗粒物的滤膜时会发生能量的衰减，通过对β射线衰减量的测定求出PM2.5的质量浓度。但是β射线衰减法测量的准确性不仅与采样器的采样流量有关，还受到颗粒成分的影响，且易受外界环境因素的影响。光散射法主要基于Mie(米氏)散射，光源发出一束光射向气流通道，光在颗粒物上发生散射，射向各个方向，通过在一定方向上的某一立体角接收到的光强差能求出PM2.5的质量浓度。光散射法测量速度快，准确度高，能在线检测，但是此光学系统较为复杂。在基于光谱强度调制的光纤细颗粒物PM2.5传感器研究方面，苗心向等(强激光与粒子束,2014,26(11):216-219.)根据微纳光纤的强约束能量和大倏逝场的特点，利用微纳光纤表面吸附气溶胶(悬浮物微粒PM)后引起附加损耗的特点，提出了一种基于微纳光纤传感的密闭空间气溶胶检测方法，其传感装置主要由半导体第一激光器(1550nm)、直径为1.5μm的微纳光纤传感器，探测器和计算机组成，其气溶胶传感过程对光源稳定性以及探测器精度有较高的要求。HongyiQin等(JournalofAerosolScience，2012,45,19～25.)提出一种基于聚吡咯薄膜的气溶胶光纤传感方案，在已磨平的光纤末端上涂覆一定厚度的聚吡咯薄膜，气溶胶粒子与聚吡咯薄膜静电作用，从而改变聚吡咯薄膜的光学性质，当光纤的入射光被薄膜反射时，探测器可以探测到反射信号光强的变化量，即可得到气溶胶浓度。其具有体积小，操作简单，有效的降低了探测成本等优点，但是该方法对涂覆层的均匀性，光滑程度以及光源的稳定性，探测器的精度有较高的要求。为了解决以上探测气溶胶方法的问题，人们提出一种基于光声光谱的气溶胶浓度(吸收系数)探测方法。光声光谱(PhotoacousticSpectroscopy,PAS)是一种以光声效应为基础的光谱分析检测技术，其测量系统主要包括光源、光声池、微音器或石英音叉、计算机等。其用于微纳颗粒的测量过程是一束激光(调制光或者脉冲光)照射在微纳颗粒表面上，微纳颗粒吸收入射光能量而被加热并将热量传递给周围的空气，引起周围空气的热膨胀，进而产生声波(压力波)，声波可以利用微音器(如麦克风)或者石英音叉来探测，分析声信号即可得到微纳颗粒的质量浓度，该方法具有在不改变微纳颗粒悬浮状态下直接测得其吸收系数或浓度、消除散射光对吸收系数或浓度测量干扰、信号“零基线”、无波长依赖性、浓度线性响应达几个数量级、体积小、易便携等优点。目前，国内外研究人员已利用光声光谱技术对气溶胶(悬浮物颗粒PM)浓度或吸收系数有相应的研究。BeckHA等(Analytical&BioanalyticalChemistry,2003,375(8):1136-43)报道了一种新的柴油机尾气烟尘浓度在线检测系统，并首次得到在发动机试验平台上柴油机尾气烟尘在线测量应用结果。该烟尘检测系统基于光声光谱原理，通过使用串联两个参数相同的光声池，执行差分测量过程，一个光声池用于检测气溶胶颗粒，另一个光声池用于分析无颗粒的气体，因此可以使得废气中粒子对气体浓度的交叉干扰最小化。最终，在实验室条件下，人造烟尘的检出限为10μg/m3，响应时间为1s，对于柴油尾气烟尘浓度的检出限为2μg/m3。故光声光谱气溶胶传感器的检测灵敏度高，检测响应速度快。同时，T.Schmid·C等(Analytical&BioanalyticalChemistry,2003,375(8):1130-1135)提出了一种用于在线检测高浓度和不透光液体样品新型光声传感系统，并对纺织品的染料液浓度进行了测量。染料溶液被泵浦抽入到光声池中，光声信号也随之被测量到，在测量过程中，泵浦停止工作。该试验系统采用波长为532nm的Nd:YAG第一激光器，检测范围为：150mg/L到30g/L。此外，R.M.Sullenberger等(OpticsExpress,2014,22Suppl7:A1810.)利用光声光谱法检测微量气溶胶，通过长波红外光谱对气溶胶进行了鉴别；EnoHysi等(ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2013,8581(3):236-242.)提出了一种用于检测吸收体大小和浓度的光声技术，实验中使用不同尺寸大小和浓度的黑色聚苯乙烯作为研究对象，通过实验结果分析表明，光声光谱技术可以应用到检测吸收体尺寸大小和浓度的变化。YongZhou(ProceedingsofSPIE.2014,8943(1):89431W-89431W-6.)等提出了一种用光声相关光谱测量绝对吸收体浓度的定量方法。该方法是基于布朗运动在探测体中引起粒子计数波动的事实而提出的。首先推导出光声信号的理论模型，然后将光声方法应用于不同粒子浓度的定量测量。实验结果与理论模型的预测结果吻合较好，表明该方法可用于绝对粒子浓度的测量。GaoxuanWang(SPIEOPTO.2017:1011136.)等利用光声光谱技术开发了一种测量气溶胶吸收系数的传感器，该传感器对黑炭吸收系数进行了测量。实验结果表明，该传感器探测到的最小吸收系数为1.2Mm-1，对应的浓度为0.11μg/m3，响应时间为1秒。刘强(中国科学技术大学,2014.)等在国内率先研制了基于光声光谱技术的大气气溶胶吸收测量系统，对系统的噪声进行了分析，设计了消除釆样管内振动噪声的微孔消音器，有效抑制了采样泵振动噪声的影响，并对系统的整体性能进行了实验研究和分析，为测量过程中釆样流量的控制、数据采集频率的设定等参数提供了依据。但该方法的光声池如果长期使用，气溶胶易粘附在光声池内壁上易被堵住，且灵敏度和响应速度有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术目的在于为了克服现有技术的不足，提出了一种基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，其利用基于氟化石墨炔振动膜的光纤F-P声本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，其特征在于：包括第一激光器、光声池、光纤F‑P声波传感器、第二激光器、光纤耦合器、光电探测器、锁相放大器和计算机，所述第一激光器为LE‑LS‑RGB‑5000TBS型号的激光器，所述第二激光器为KG‑DFB‑15‑M‑10‑P‑FA型号的半导体激光器，所述锁相放大器为UHFLI型号的放大器；所述光声池包括前缓冲室、样品室、后缓冲室和微音器室，所述前缓冲室上设置有待测气体进入口，所述后缓冲室上设置有废气排出口，所述样品室通过前导管与前缓冲室连接，所述样品室还通过后导管与后缓冲室连接，且前导管和后导管同轴布置；所述微音器室通过螺纹管接头与样品室连接；所述前缓冲室、样品室、后缓冲室、前导管、以及后导管的内壁上形成有超疏水涂层；所述光纤F‑P声波传感器包括外护管和设置于外护管内的氧化锆陶瓷插芯，所述氧化锆陶瓷插芯的中部设置有沿轴向贯通的光纤插孔，所述声波传感器还包括从氧化锆陶瓷插芯的一端插入光纤插孔的单模光纤、以及粘接在氧化锆陶瓷插芯另一端面上的氟化石墨炔振动膜，所述单模光纤的端部和氟化石墨炔振动膜之间形成有F‑P谐振腔；强度调制的第一激光器发出的光依次经过前缓冲室、前导管、样品室、后导管和后缓冲室，所述前缓冲室侧面上还设置有轴心线位于前导管轴心线重合的准直器，所述后缓冲室的侧面上还设置有将光反射回样品室的反射镜；所述光纤F‑P声波传感器中的单模光纤通过光纤耦合器分别与第二激光器和光电探测器连接，所述光电探测器通过锁相放大器与计算机连接。...
【技术特征摘要】
1.一种基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，其特征在于：包括第一激光器、光声池、光纤F-P声波传感器、第二激光器、光纤耦合器、光电探测器、锁相放大器和计算机，所述第一激光器为LE-LS-RGB-5000TBS型号的激光器，所述第二激光器为KG-DFB-15-M-10-P-FA型号的半导体激光器，所述锁相放大器为UHFLI型号的放大器；所述光声池包括前缓冲室、样品室、后缓冲室和微音器室，所述前缓冲室上设置有待测气体进入口，所述后缓冲室上设置有废气排出口，所述样品室通过前导管与前缓冲室连接，所述样品室还通过后导管与后缓冲室连接，且前导管和后导管同轴布置；所述微音器室通过螺纹管接头与样品室连接；所述前缓冲室、样品室、后缓冲室、前导管、以及后导管的内壁上形成有超疏水涂层；所述光纤F-P声波传感器包括外护管和设置于外护管内的氧化锆陶瓷插芯，所述氧化锆陶瓷插芯的中部设置有沿轴向贯通的光纤插孔，所述声波传感器还包括从氧化锆陶瓷插芯的一端插入光纤插孔的单模光纤、以及粘接在氧化锆陶瓷插芯另一端面上的氟化石墨炔振动膜，所述单模光纤的端部和氟化石墨炔振动膜之间形成有F-P谐振腔；强度调制的第一激光器发出的光依次经过前缓冲室、前导管、样品室、后导管和后缓冲室，所述前缓冲室侧面上还设置有轴心线位于前导管轴心线重合的准直器，所述后缓冲室的侧面上还设置有将光反射回样品室的反射镜；所述光纤F-P声波传感器中的单模光纤通过光纤耦合器分别与第二激光器和光电探测器连接，所述光电探测器通过锁相放大器与计算机连接。2.根据权利要求1中所述的基于光声光谱的PM2.5浓度检测装置，其特征在于：所述光声池由铝合金材料制成，所述超疏水涂层为无机-有机硅改性聚氨酯，所述超疏水涂层通过以下步骤涂覆在光声池的内壁上：1)分别将50ml聚丙二醇和50ml羟基硅油放入烧瓶中在80℃条件下真空脱水，然后冷却至室温并密封；2)将聚丙二醇和羟基硅油升温后滴加3ml甲苯二异氰酸酯，恒温至50℃反应一段时间后，滴加0.2g二月桂酸二丁基锡催化剂，控制反应时间1小时，获取有机硅改性聚氨酯；3)将20ml乙酸乙酯分别加入到盛有5gSi...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨建春，王灿，沈睿，刘云红，陈伟民，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50
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