摘要:為了提高光學粒子計數器的測量性能,克服白熾燈和激光作光源帶來的缺點,研制了一臺光學粒子計數器。基于Mie 散射原理測量粒子的粒徑,以發光強度高、發光波長寬的L ED 為光源,具有白熾燈和激光作光源無法達到的使用壽命長和響應曲線單調的優點。與濁度計測量結果對比表明:該儀器的測量誤差在15 %以內,測量結果合理。由于該儀器光源使用壽命是白熾燈的60 倍,可以根據需要對測量粒徑任意分道,所以該儀器適用于測量和研究大氣氣溶膠粒子譜分布。
關 鍵 詞:光學粒子計數器;發光二極管;氣溶膠;譜分布
1 引 言
大氣氣溶膠是大氣物理化學過程中的一個重要因素,大氣科學的很多領域都與氣溶膠有關。大氣氣溶膠對氣候變化、大氣環境和居民健康有重要的影響,其譜分布是研究氣溶膠特性的一個重要參數。目前,測量氣溶膠譜分布的方法很多,最有效的是測量氣溶膠的光學譜分布、動力學譜分布和質量譜分布。在球形粒子假定下,當已知氣溶膠粒子的譜分布N( r) 和它的復折射率n 時,原則上可以計算出氣溶膠的任何光學參數[ 1 ] ,如散射系數、吸收系數、單次反照率、相函數和角散射系數等。若要計算氣溶膠的光學特性,使用氣溶膠的光學等效譜分布計算結果最合理。目前測量氣溶膠光學譜分布最有效的方法是光散射法[ 2] ,光學粒子計數器就是基于光散射原理來測量粒子譜分布。國內一些廠家生產的粒子計數器只能測量很少的粒徑分道,僅適合凈化使用,不適用于研究氣溶膠譜分布。
DLJ 292 多道光學粒子計數器(中國科學院安徽光機所研制) 由于使用白熾燈作光源,其使用壽命很短,因而廣泛使用受到限制。利用動力學原理[ 3] 測量的譜分布雖然不受折射率的影響,但它很難反映氣溶膠的光學特性。所以研制一臺既有足夠的粒徑分道又能廣泛使用的粒子計數器是很有意義的。
本文介紹了光學粒子計數器(DLJ206) 的測量原理、實驗裝置和具體參數,并把它的測量結果與TSI 公司的濁度計的測量結果進行了對比分析,結果表明,新研制的光學粒子計數器的測量結果是合理的。
2 測量原理
對于氣溶膠粒子, 折射率為n、半徑為r 的粒子的散射響應量[5 ] R( r , n) 為:
R( r , n) = ∫λ2λ1∫ψ+γψ- γ∫φ+βφ-βλ28π2 ( i1 + i2 ) ·E(λ) ·S (λ) ·F (θ,φ) dθdφdλ , (1)
E(λ) =c1λ5 ·1ec2/λT - 1, (2)
F (θ,φ) = 4sinφ·sinθ·arccos ( cosβ- co sθco sφsinθsinφ) ·arccos ( cosγ- cos φcosψsin ψsin φ ) , (3)
式中,λ1 和λ2 是光源發光波長的上下限,γ和β分別是照明透鏡和接收透鏡張角的一半,ψ是照明和接受透鏡光軸的交角,θ是散射角變量,φ是會聚入射光線與接收透鏡光軸的夾角變量, E(λ)是白熾燈光源的能量譜分布(由普朗克黑體輻射公式給出) , S (λ) 是接收散射光的光電倍增管的光譜靈敏度, F(θ, φ) 是幾何因子[4 ] , c1 和c2 分別為第一、第二輻射常數, c1 = 2πhc2 = 3. 741 5 ×108 W ·m - 2 ·μm4 , c2 = hc/ k = 1. 438 79 ×μ ·K。其中, 為普朗克常數, 為玻耳茲曼常數, 為真空中的光速。
光學粒子計數器的基本原理是單粒子的角散射測量,測量單個粒子渡越其散射腔內聚焦光照區的角散射強度,光電探測元件將它轉變為一定高度的電壓脈沖,電壓脈沖強度與粒子大小的對應關系即光學粒子計數器的響應曲線,圖1、2 給出了DLJ206 光學粒子計數器的響應曲線。可以看出: (1) 響應曲線對折射率特別是ni 是很敏感的,說明粒子的光散射強度不僅依賴于粒子的半徑,還與粒子的折射率有關系; (2) 響應曲線的單調性好,斜率隨粒子半徑變化不大,說明該儀器在探測大粒子和小粒子方面分辨率變化不大; (3) 在不知道粒子形狀和折射率的情況下,所探測粒子的粒徑是光學等效粒徑, 所以測量結果還需要用折射率來訂正[ 6 ] 。由于L ED 光源發光強度高(色溫為5 400 K) ,所以具有使用壽命長(20 000 h 以上) 和響應曲線單調性好等優點。
3 實驗裝置和儀器參數
DL 2 6 光學粒子計數器由光電測量箱和數據處理計算機兩部分組成。光電測量箱包括光源、聚光系統、光學散射腔、光電倍增管、前放、濾
波電路、抽氣泵及電源、氣路系統等。儀器使用90°散射光學系統,如圖3 所示,系統參數列于表1 。氣溶膠粒子通過光照區時所散射的光信號被高靈敏度光電倍增管(日本濱凇公司生產1 P28)接收并轉換為電脈沖,以電脈沖的幅度來確定粒子的大小, 以電脈沖的計數來確定粒子的濃度。它將半徑為0. 15～6. 0 μm 的粒子分成17 檔,其分檔半徑如表2 所示。標定儀器使用的標準粒子是折射率n= 1. 59 - i0. 0 ,直徑為(1. 745 ±0. 025)μm 的聚苯乙烯小球。
數據處理計算機采用工控機,兼作控制和數據處理用,其規格是:P4 1. 8 G CPU ,液晶顯示器等。工控機總線槽中配有一塊高性能的12 bi tPCI A/ D 轉換板,它將電壓信號轉換成數值量供工控機處理,其特色是粒子譜的測量完全由軟件完成。
被采樣空氣通過散射腔的氣柱直徑約1 mm ,氣柱散射區長度是0. 8 mm。為避免氣流中氣溶膠粒子擴散出去造成鏡片污染和虛假計數,氣柱外有一個由氣路提供的干凈空氣保護氣套。當所采空氣中氣溶膠粒子濃度較大時,粒子同時穿過散射區的幾率提高,使測量誤差增大。這時可在混合腔中通過稀釋氣路輸入經過濾的干凈空氣對粒子進行稀釋,以減小誤差。
采用暗電流較小的光電倍增管接收散射光信號。從光電倍增管出來的電信號上疊加有少量的高頻本底噪音,為保證測量精度設計了放大和濾波電路[ ] 。放大和濾波后的信號送至D 采集器。在工控機控制下做波形采集,軟件對數據進行判峰、分道、計數等處理,然后再進行下一批采集直至總采集量完成。整個采集控制和信號處理軟件采用VB 語言編程,軟件具有緊湊、運行快、效率高的特點,儀器的穩定性、易維護性、易使用性較好。例如,需要時可改變分道數目和分道電壓而無須增加任何硬件,測量結果可自動保存在硬盤上,可在屏幕上直接顯示計數結果,可靈活地進行自動測量、現場分析等。這些顯著的特點適合于各種大氣氣溶膠測量研究的需要。
4 測量結果和對比分析
2006 年12 月在廈門進行了氣溶膠測量實驗,得到了DLJ206 測量的一些數據,同時也得到了濁度計( IN ,測量散射系數) 的測量數據。圖4是2006 年12 月廈門地區氣溶膠譜分布的平均結果,可以看出平均譜分布基本上符合分布。圖5 是由月日和日DL 2 6 測量的譜分布計算出的散射系數(使用其它方法[ ] 得到大氣平均折射率為n = 1. 53 - i0. 008) 與濁度計( IN)測量結果的對比。由圖5 可以看出,兩種方法得到的散射系數差別不大(約15 %) ,變化趨勢具有較好的一致性。兩種方法測量結果的差別可能與平均折射率有關。以上對比表明,DLJ 206 測量氣溶膠譜分布的結果是合理的。
5 結 論
本文詳細介紹了DLJ206 光學粒子計數器測量氣溶膠粒徑的原理、特點及一些實際測量結果。由于使用了高強度長壽命的L ED 作為光源,使其光源使用壽命提高了近60 倍,測量性能也大大提高。與其它儀器的測量結果對比表明,使用DLJ206 測量結果計算得到的消光系數平均誤差在15 %以內,證明了使用DLJ 206 測量氣溶膠譜分布是合理的。