空气动力学粒谱分析仪可非接触、在线、实时测量气溶胶颗粒物的空气动力学粒径分布，是通过一个复杂的光学系统、气路系统和精确的时序控制技术的结合完成测量过程，即通过对粒子在两个红色激光光斑之间飞行时间及散射强度的测量，来确定粒子的大小及其物理性能。整个系统主要由光源、光学系统、气路系统、探测区、电子学系统及分析软件等几部分组成，其结构主要包括样流进样装置、粒子束准直加速喷口、壳流装置、光束聚焦整形装置、光电探测器、信号检测和处理模块、微控和显示模块。

用来测量气溶胶空气动力学粒径谱分布的方法主要有两种：一种是基于惯性分离的Anderson多级撞击采样技术；另外一种是基于飞行时间粒子数谱计数的实时在线空气动力学粒径测量技术。作为实时在线测量空气动力学粒径谱分布的光学仪器，其基本的思路都是来自基于光散射原理的光学粒子计数器（optical particle counter，OPC）。在众多气溶胶研究的方法中，上述仪器均得到广泛的应用。

多级撞击采样器。多级撞击采样器采用的是惯性分离法，利用这种方法的设备有安德森（Anderson）多级撞击采样器、旋风分离器等。撞击采样器可以用干净的滤纸进行采样，经过一段时间后，再用光学或电子显微镜人工离线分析。多级撞击式采样器主要模拟人呼吸道的解剖结构和空气动力学特征，采用惯性撞击原理，将悬浮在空气中的颗粒物，按照其空气动力学粒径大小，分别收集在各级采样板上，最后进行称重和物理、化学、放射性分析。该方法主要用来测量气溶胶颗粒物的空气动力学粒径谱，其分级器一般在8到11级之间。截止距离大到一定程度的粒子，就直接冲击到撞击板上被收集起来。这样，第一级就把粒径大于一定值的粒子通过撞击作用分离出来加以收集。小一些的则随气流被带走进入下一级。因此，各级撞击采样板的颗粒物都对应于一定粒径范围的粒子采样总量，实现粒谱分析。

由于多级撞击采样器无法实时、在线测量，需要人工在电子或光学显微镜下分析，这些不足限制了其应用范围。对于需要离线分析采集的颗粒物的研究方面，该采样器依然是一个经典仪器。

光学粒子计数器。基于单粒子散射光理论的光学粒子计数器（OPC），在1945～1950年间得到长足的发展。它根据散射光的强度反演气溶胶粒子的粒径大小，并记录粒度分布，可以在线和原位测量粒子粒径大于0.3微米的稀释气溶胶的数量浓度。在OPC中，用宽带（白光）或单色（激光或发光二极管）光源照射粒子探测区，粒子通过这个探测区，在一定的角度范围内，检测粒子的散射光并转换为电脉冲信号，用于记录粒子数目并反演粒径大小。用激光作为光源的光学粒子计数器，又称之为激光粒子计数器（LPC）。光散射为粒子检测提供了一种相对便宜、非破坏性、高速的技术。光学粒子计数器通常被认为是一种检测和分级粒子的理想仪器。然而，由于每个粒子的形状、粒径大小、粒子的折射率以及粒子的散射光与光源、检测角度的范围都有复杂的关系，所以在实际情况下，预测或抵消粒子的形状和折射率这两个因素通常是比较困难的，故OPC测量的粒径通常只是近似值。

当待测颗粒物随采样气流进入APS后，首先通过喷嘴对采样气流进行加速，待测颗粒物因自身粒径大小的不同将获得不同的飞行速度。在喷口处保护壳气流的作用下，待测颗粒物实现单粒子通过光探测腔。光探测腔内两个中心距离固定的光束正好位于加速喷嘴的下方，当单个颗粒物通过光探测腔时，就会形成两个光脉冲信号，并经过光电探测器转换为电脉冲信号。两个脉冲信号的时间差，即为粒子的飞行时间，在双光束距离确定的情况下，即可获得粒子的飞行速度，而单位时间内电脉冲信号的个数，即为待测颗粒物的浓度。同时，还可以利用脉冲高度，反演出颗粒物的光散射粒径大小。

图1 空气动力学粒径分析仪工作原理图

空气动力学粒径分析仪工作原理如图所示，待测样气、喷口保护壳气气流流速通过喷口流量控制单元精确控制。当待测气溶胶样品被采集后立即分为两股，待测样品流经过内管，而壳流经过外管，这就确保了气溶胶样品在动力学上是相等的。壳流部分由一个壳流泵过滤并加以控制，由一个压力传感器测量气体压力，信号经模数转换后传给控制器，换算成体积流量，然后发出指令控制其流速保持均衡。样品离开喷嘴后，就进入光腔进行粒子运动速度和散射强度测量。通过光路后，粒子束由总流量泵抽出，经过滤后与壳流混合。每个泵的前后均应有过滤装置，前端过滤装置用以保护泵体免受污染，而后端过滤装置可以防止泵内不洁物污染气流。空气动力学内管出口为带有气溶胶颗粒物的样气流，而外喷口则为过滤过的干净的不含气溶胶粒子的洁净的壳气流，在内外喷口之间，需要形成壳气流包裹样气流的层流状态，使气溶胶样流汇聚成颗粒物流束。壳气流的另一个重要作用，是将气溶胶粒子限定在气流中心（聚焦作用），对后面粒径探测非常有利。当对具有一定流动速度的气溶胶进行总浓度采样时，只有实现等速采样，才能将各种大小的粒子无“畸变”地采集到，从而保证所采样品的可靠，也才能真实反映被测气溶胶的总浓度特征。为此，采样管入口的方向对准气溶胶流的流动方向并与其流线平行，入口形状通常为圆形，管壁边缘必须做成薄壁以消除粒子在管壁口的沉积损失。采样管入口的采样气流速度，必须等于气溶胶流的流动速度。探测腔内双光束经整形后，在加速喷口下方形成的双光斑大小、能量分布均一，保证探测精度及结果的一致性。为了提高散射光信号探测能力。一方面，根据米氏散射理论，收集大范围内的散射光能提高信号探测能力；另一方面，光电转化探测器的感光面一般很小，故需将光信号聚焦，才能提高感光强度。鉴于以上两点，设计了椭球面型光信号收集系统，将椭球型反射镜的一个焦点作为颗粒物发出散射光位置，另一焦点放置光电转化探测器雪崩二极管APD。探测腔收集散射光学信号并聚焦到探测器实现光电转换，得到表征空气动力学粒径信息的散射双峰电子学信号，供后续电路处理。电子学信号处理系统要实现和完成的功能很多，主要由信号采集单元、模拟信号处理电路、数字信号处理电路等几部分组成。除此之外，还需激光光源驱动电路、气路中气体流量采集、闭环控制电路，以及温度、高压等参数采集和相应控制等。仪器标定过程中，已经利用标准粒子标定出粒径—飞行时间曲线，并嵌入控制分析软件中，因此完成测量后可通过软件反演飞行时间，得到气溶胶颗粒物的空气动力学粒径大小及其数浓度。

图2 标准粒子粒径-飞行速度（飞行时间）曲线

空气动力学粒径谱分析仪可以连续、实时、在线检测并同时显示、记录大气气溶胶粒子的空气动力学直径及粒径对应的粒子数，可以计算出大气气溶胶的空气动力学质量中值直径和空气动力学粒数中值直径。即空气动力学粒径谱分析仪可以快速给出颗粒物的粒径—浓度谱分布，还可以间接给出表面积、体积及质量分布，可广泛应用于环境、气象背景站的空气质量常规观测、典型区域的常规监测、特定环境或目标的颗粒物应急监测。

图3 天津武清地区某次大雾过程颗粒物粒径谱应急监测

图4 天津武清地区颗粒物粒径谱常规观测

由于空气动力学粒径谱分析仪可以准确获得颗粒物的粒径及浓度信息，因此经过颗粒物除湿测量后，可以用来反演空气PM_2.5质量浓度数据。

图5 北京地区空气动力学粒径谱采集数据与手工膜采样数据一致性对比