一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法
【專利摘要】本發明涉及核空氣凈化及其他氣溶膠濃度的測試技術，具體涉及一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法。該方法采用LED發光二極管作為光源，通過控制LED的驅動電源，對光源進行斬波，使入射光攜帶一定的調制信號；用入射光照射氣流中氣溶膠粒子使之發生光散射，散射光也具有相同的調制信號；散射光信號經光電轉換后，攜帶調制特征的電信號通過前置放大器進行放大，再經鎖相放大器進行解調放大后，由A/D轉換裝置將數字量傳送給單片機控制系統，經運算分析后，得到氣溶膠的濃度值。本發明將光散射法和光的調制技術很好的結合起來，能夠很大程度地提高氣溶膠濃度的探測靈敏度和測量范圍。
【專利說明】一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及核空氣凈化及其他氣溶膠濃度的測試技術，具體涉及一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法。
【背景技術】
[0002]近三十年來光電技術與氣溶膠測試技術越來越緊密地結合在一起，隨著光學技術及微電子技術的快速發展，氣溶膠測試技術在我國環境科學、生物、微電子、核工業醫學等諸多領域也得到了快速發展和廣泛的應用。許多應用領域對氣溶膠測量技術提出了更高的要求，尤其對氣溶膠實現遠距離、實時、在線和連續測量，以及濃度測量范圍寬、測量靈敏度高的實現方法要求更加迫切。
[0003]在核空氣凈化領域中，依據ASME N510和EJ/T791標準，DOP法是核級高效過濾器現場泄漏率試驗標準方法之一，該方法要求采用DOP氣溶膠在高效過濾器上游端注入，通過實時在線地檢測上下游DOP氣溶膠的濃度，來判定其泄漏率是否滿足標準要求的(0.05%。即上、下游氣溶膠的濃度比大于2000。因此要求DOP氣溶膠濃度的檢測技術必須達到實時在線測量、測量范圍寬至少達到105，測量靈敏度達到10_3μ g/1。
[0004]目前國內尚無很完善的方法來解決該問題，針對以上需求，需要研究一種提高氣溶膠濃度的探測靈敏度的測量技術，將使氣溶膠測試技術更好的應用于核空氣凈化與其它領域。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種先進的氣溶膠質量濃度光學檢測方法，能夠很大程度地提高氣溶膠濃度的探測靈敏度和測量范圍。
[0006]本發明的技術方案如下:一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，該方法采用LED發光二極管作為光源，通過控制LED的驅動電源，對光源進行斬波，使入射光攜帶一定的調制信號；用入射光照射氣流中氣溶膠粒子使之發生光散射，散射光也具有相同的調制信號；散射光信號經光電轉換后，攜帶調制特征的電信號通過前置放大器進行放大，再經鎖相放大器進行解調放大后，由A/D轉換裝置將數字量傳送給單片機控制系統，經運算分析后，得到氣溶膠的濃度值。
[0007]進一步，如上所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其中，所述的LED發光二極管為白色光源，最佳調制頻率355Hz，幅值5V。
[0008]進一步，如上所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其中，通過與標準儀器的對比實驗對氣溶膠濃度與散射光強度之間的關系進行標定，單片機控制系統根據獲得的散射光強度值，換算得到氣溶膠的濃度值。
[0009]進一步，如上所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其中，氣流中氣溶膠粒子為球形液滴，粒徑98%以上在0.3-0.5微米之間。
[0010]本發明的有益效果如下:本發明所提供的檢測方法將光散射法和光的調制技術很好的結合起來，實現了微弱散射光信號的檢測，從而提高了氣溶膠濃度的探測靈敏度，實現了寬量程濃度的測試；同時抑制了零點漂移，提高了測量系統的穩定性。本方法實現了寬測量范圍(濃度跨度105)、高靈敏度(0.0Ol μ g/1)、良好線性(1:1O5)及穩定性好的實時在線連續地檢測氣溶膠質量濃度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為氣溶膠濃度光學檢測方法的原理框圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施過程對本發明進行詳細的描述。
[0013]本發明所提供的氣溶膠濃度光學檢測方法通過控制LED驅動電源，對光源進行斬波，使得入射光攜帶一定頻率的調制信號，被測氣溶膠產生的散射光信號也具有相同的特征信號，散射光信號經光電轉換后，通過前置放大器放大，采用鎖相放大技術進行解調后，經A/D轉換、單片機運算處理后將濃度值輸出顯示。
[0014]該方法的主要特點是光學測量系統中采用近前向散射光測量系統測量氣溶膠濃度；光源采用LED發光二極管，并應用了光的調制技術；電路中電信號處理單元采用了鎖相放大技術。
[0015]實施例
[0016]圖1是本發明一個應用實例的原理框圖。實例中采用白色LED作光源(10W，12V，9001m)，最佳調制頻率355Hz，幅值5V。測試的氣溶膠為球形液滴，粒徑98%以上在0.3-0.5微米之間。檢測系統包括與真空泵連接的光學測量腔，光學測量腔設置散射光收集系統，散射光收集系統與光電轉換器連接，光電轉換器經前置放大器、鎖相放大器、A/D轉換器與單片機處理控制系統連接。方波發生器經光源恒流驅動電路控制LED光源的驅動電源，實現光源斬波。
[0017]檢測系統主要工作過程如下:當真空泵(采樣流量28.31/min)將氣溶膠采樣至光學測量腔室時，氣流中的氣溶膠粒子在入射光束的作用下發生光散射，散射光由散射光收集系統將其收集匯聚到光電轉換器的光電二極管光敏面上，光電二極管將光信號轉換成電流信號(納安級)，實現光電轉換，電流信號通過前置放大器實現ΙΛ轉換，鎖相放大器進行解調放大后，由A/D轉換器將數字量傳送給單片機控制系統，經微處理器運算分析后，輸出顯示氣溶膠的濃度值。氣溶膠濃度與散射光強度的關系通過與標準儀器的對比實驗進行標定。
[0018]其中，入射光的光源采用LED發光二極管，有效地抑制了零點漂移。對光源采用了光的調制技術(通過試驗確定最佳調制頻率和幅值)，通過調制信號直接控制LED光源的驅動電源，實現光源的斬波，使入射光攜帶一定的特征信號，從而使得散射光也攜帶同樣的特征，通過光電轉換器后電信號也攜帶同樣特征信號，再通過鎖相放大技術進行解調，將微弱的散射光信號A/D轉換經運算后輸出顯示。光的調制技術的應用最大程度地抑制了背景雜散光以及電磁干擾和其他噪聲的影響，實現了微弱信號的檢測，克服了零點漂移問題，提高了氣溶膠濃度的探測靈敏度和穩定性。
[0019]該方法應用實例采用近前光散射法結合光的調制技術，實現了寬測量范圍(濃度跨度105)、高靈敏度(0.0Ol μ g/1)、穩定性和線性良好的實時在線連續地檢測氣溶膠質量濃度。
[0020]顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.一種高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其特征在于:該方法采用LED發光二極管作為光源，通過控制LED的驅動電源，對光源進行斬波，使入射光攜帶一定的調制信號；用入射光照射氣流中氣溶膠粒子使之發生光散射，散射光也具有相同的調制信號；散射光信號經光電轉換后，攜帶調制特征的電信號通過前置放大器進行放大，再經鎖相放大器進行解調放大后，由A/D轉換裝置將數字量傳送給單片機控制系統，經運算分析后，得到氣溶膠的濃度值。
2.如權利要求1所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其特征在于:所述的LED發光二極管為白色光源，最佳調制頻率355Hz，幅值5V。
3.如權利要求1所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其特征在于:通過與標準儀器的對比實驗對氣溶膠濃度與散射光強度之間的關系進行標定，單片機控制系統根據獲得的散射光強度值，換算得到氣溶膠的濃度值。
4.如權利要求1所述的高靈敏度與寬測量范圍氣溶膠濃度的光學檢測方法，其特征在于:氣流中氣溶膠粒子為球形液滴，粒徑98%以上在0.3-0.5微米之間。
【文檔編號】G01N21/49GK103852449SQ201210520680
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月5日 優先權日:2012年12月5日
【發明者】馬英, 劉群, 尹王保, 史英霞, 丘丹圭, 侯建榮, 沈大鵬, 俞杰, 李永國, 張計榮, 韓麗紅 申請人:中國輻射防護研究院