CN102253012B - 黑碳气溶胶消光系数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种黑碳气溶胶消光系数测量装置及测量方法，该装置长期可靠性高、能准确测量大气气溶胶消光系数的双通道透射式大气气溶胶测量装置。该方法用双通道光电探测技术，以过滤后气体透过率和未过滤待测气溶胶气体透过率之比表示气溶胶的消光系数，测量结果准确。其测量步骤包括：通过LD发射光脉冲序列，经准直后成为平行光发出，用分束镜将该光束分成近于相等强度的两束光；两束光分别通过测量池通道和参考池通道后，再分别由接收单元接收；每通道接收的信号分别由光电信号处理单元处理后，经数据采集单元送入计算机控制单元；由计算机控制单元计算两通道探测到的光功率之比，并取对数运算，获得气溶胶的消光系数。

Description

黑碳气溶胶消光系数测量装置及测量方法

技术领域

本发明设计一种光辐射接收和测量装置，特别是一种透射式大气环境污染测量装置，属于光辐射能量在大气中传播时消光系数测量装置。

背景技术

大气中的污染源主要是气溶胶和毒性气体。黑碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分,主要是由富含碳的物质不完全燃烧产生的，如火山爆发、森林大火等自然现象、人类大量使用煤、石油等化石燃料，均可造成黑碳气溶胶排放量的增加。由于黑碳气溶胶在从可见光到红外的波长范围内对太阳辐射都有强烈的吸收效应, 所以对区域和全球气候有着重要的影响。2000年的IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会）报告指出，黑碳气溶胶能够导致正的辐射强迫, 从而极大地减弱气溶胶对地球的冷却效果。 另一方面，由于黑碳气溶胶具有吸附性，黑碳气溶胶的表面能够吸附其它污染物（如多环芳烃类、重金属等），可以通过呼吸作用，夹带所吸附的有毒物质进入人体，从而引起呼吸系统哮喘以及心血管病、癌症等疾病的发生，危害人类健康。此外，大量的黑碳气溶胶可明显地降低大气能见度，使航空、交通和人类生活等受到严重影响。发达国家为应对气溶胶的危害，提出了多种监测方法或仪器装置。主要有如下几种类型：1.光散射法，令一束平行光入射到待测气溶胶，测量各角度的散射系数，计算总散射系数，或在35°角方向测量散射光，计算总散射，这种方法假定探测光束不被气溶胶吸收，以总散射系数代替气溶胶的消光系数，显然存在先天不足。光散射法中还有一种后向散射法，利用激光雷达原理实现消光系数测量。2.光透射法，是令光通过气溶胶，然后测量透射光的强度，按朗伯-比尔定律计算消光系数。这些方法与装置基本上都是单一通道，光源强度的波动、探测器性能的变化，都会带来测量的不确定性或误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长期可靠性高、能准确测量大气气溶胶消光系数的双通道透射式大气气溶胶测量装置。

本发明的另一目的在于提供大气气溶胶消光系数测量方法，该方法用双通道光电探测技术，以过滤后气体透过率和未过滤待测气溶胶气体透过率之比表示气溶胶的消光系数，测量结果准确。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，它包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机控制单元，接收单元探测的信号经光电信号处理单元后，送入计算机控制单元，其特征在于：该装置还包括一取样部分，取样部分包括测量池和参考池；所述发射部分的光束分为两束分别通过测量池通道和参考池通道，并分别经接收单元和光电信号处理后，再经数据处理单元送入计算机控制单元。

其中，发射部分包括激光器、分光棱镜和直角射镜，激光器发射的光束经分光棱镜分成两束光后，一束被分光界面反射，形成参考通道光束，另一束透过分光界面投射到直角棱镜，经直角棱镜反射，形成测量通道光束。

其中，接收单元采用光电探测总成，包括金属圆筒、设置在圆筒前部的会聚透镜、圆筒后部的光电探测器和圆筒内的小光阑。

其中，测量池设有输入光窗口、输出光窗口和进气口、出气口，其出气口与一取样气泵相连；所述参考池也设有输入光窗口、输出光窗口和进气口、出气口，其进气口设有滤膜，其出气口与另一取样气泵相连。

其中，测量池内为含气溶胶的待测气体；参考池内为气溶胶被滤除的参考气体。

其中，光电信号处理单元包括：前置放大器、带通滤波电路和精密有效值转换电路。

其中，数据采集单元采用双路同步取样电路，两个通道的光束经各自接收单元、光电信号处理单元处理后，再经双路同步取样电路送入计算机控制单元。

本发明黑碳气溶胶消光系数测量方法，其测量步骤包括：

（1）通过LD发射光脉冲序列，经准直后成为平行光发出，用分光棱镜将该光束分成近于相等强度的两束光；

（2）两束光分别通过测量池通道和参考池通道后，再分别由接收单元接收，其中测量池内为含气溶胶的待测气体；参考池内为气溶胶被滤除的参考气体；

（3）每通道接收的信号分别由经光电信号处理单元处理后，经数据采集单元后，送入计算机控制单元；

（4）由计算机控制单元计算两通道探测到的光功率之比，并取对数运算，获得气溶胶的消光系数。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明采用单光源双光束探测光束技术，探测光束来自同一光源，能有效抑制探测光束由于光源发出光强度变化产生的影响。声光光谱被认为是准确测定气溶胶吸收系数的方法，但光束通过气溶胶时还受到气溶胶粒子的散射，因此，并不能给出对光的消光系数；滤膜法（如石英滤膜等）可以测量气溶胶的消光系数，但不是气体状态的气溶胶，而是一定时间内气体通过滤膜时沉积在滤膜上的气溶胶粒子，因此，滤膜法并不能真正实时测量气体的气溶胶消光系数。本发明的另一个显著优点是，能够实时测量气体的消光系数。

附图说明

图1为大气消光系数测量装置的结构框图；

图2为实施例的光发射部分总成结构示意图；

图3为实施例的光电探测总成结构示意图；

图4为实施例的气体采样装置结构示意图，图4（甲）为测量通道取样装置，图4（乙）为参考通道取样装置；

图5为计算机控制单元的主控流程图。

图中：1-激光器驱动电源；2-半导体激光器；3-分光棱镜；4-直角射镜；5-测量池大气进口；6-测量池；7-测量池出口；8-测量通道光电探测总成；9-测量通道前置放大器；10-测量通道带通滤波器；11-测量通道真有效值转换器；12-参考池进气口；13-滤膜；14-参考池；15-参考池出气口；16-参考通道光电探测总成；17-参考通道前置放大器；18-参考通道带通滤波器；19-参考通道真有效值转换器；20-双通道同步数据采集单元（由CD4066多路开关和采样/保持电路AD582组成）；21-计算机控制单元；22-聚四氟乙烯垫板；23-激光器安装座；24-发射单元安装基板；25-固定螺丝；26-固定螺丝；27-固定螺丝；28-聚四氟乙烯垫板；29-分光棱镜夹板；30-直角棱镜夹板；31或31'-会聚透镜；32或32'-光阑；33或33'-金属圆筒；34或34'-光电探测器；35-测量池输入光窗口；36-测量池输出光窗口；37-测量池壁筒；38-连接管；39-测量通道取样气泵；40-参考池输入光窗口；41-参考池输出光窗口；42-参考池壁筒；43-滤膜夹持环；44-连接管；45-参考通道取样气泵。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的大气气溶胶消光系数测量装置，它包括发射部分、取样部分和探测部分。发射部分包括激光驱动电源1、半导体激光器2、分光棱镜3和直角棱镜4，激光器驱动电源1设置有激光器温度控制电路、光功率调制电路和光功率稳定电路，保证激光器发出光波长和功率不随环境的变化而变化，并且有效抑制环境光变化对测量的影响，半导体激光器2与激光器驱动电源1连接，发射出一定频率的光脉冲。

取样部分包括测量池6和参考池14，测量池6和参考池14的结构、几何尺度和材质相同，参考池进气口设置了高性能滤膜13，滤膜13由滤膜夹持器固定在参考池的进气口，滤除气溶胶；微型取样气泵39和45由计算机控制单元21内的驱动电路驱动；

探测部分包括光电探测总成8和16、光电信号处理单元，数据采集单元20和计算机控制单元21。光探测总成接收单元采用Si光电探测器，每个探测器前安放一个小光阑32或32'，各光阑前设置一个会聚透镜31或31'，其作用是将接收到的光束会聚后通过光阑投射到探测器34或34'上，光阑32或32'具有限制光接收单元视场角的作用，抑制主光路以外的杂散光进入光电探测器34或34'。探测器的输出信号输入各自的光电信号处理单元，经各光电信号处理单元输出的信号经数据采集单元送入计算机控制单元21处理；由计算机控制单元21计算消光系数。

光电信号处理单元包括：前置放大器9、17，带通滤波电路10、18和精密有效值转换电路11、19，精密真有效值转换电路由AD736组成，计算机控制单元21由MSP430单片机为核心构成，其内部自带12位A/D转换器，该A/D转换器的输入端与AD736输出端联接。

测量池与参考池的两端分别设置了一个光学窗口35、36和40、41，测量池和参考池的出气口7、15分别通过连接管38和44连接到取样器泵39和45的进气口。

本发明的工作过程：

如图1、图2、图3、图4所示：

首先打开取样气泵电源后，取样气泵39和45开始工作，参考池14内流过的气体气溶胶被滤除，测量池内流过的气体为含气溶胶的待测气体。

本发明的半导体激光器2在驱动电源的驱动下发射出频率1.0 kHz平行光束的光脉冲序列，经分光棱镜3分成近于等光强的两束光，一束被分光界面反射，形成参考通道光束，另一束透过分光界面投射到直角棱镜4，经反射形成测量通道光束。

参考通道光束通过参考池14后到达接收单元的会聚透镜31，会聚到光电探测总成16的光电探测器34'表面，光电探测器34'将接收到的光信号转换为电信号，参考通道的电信号经前置放大器17、带通滤波器18、被有效值转换电路19转换为直流电压信号，其大小正比于探测器接收到的参考光功率；测量通道光束通过测量池6后到达光接收单元的透镜31'，会聚到光电探测总成8的光电探测器34表面，光电探测器34将接收到的光信号转换为电信号，测量通道的电信号经前置放大器9、带通滤波器10、被有效值转换电路11转换为直流电压信号，其大小正比于探测器接收到的测量光功率；

计算机控制单元21通过多路（两路）同步取样电路20分别获得参考通道和测量通道光信号的平均功率，按下面的式（8）、（9）、（10）和（11）计算气溶胶的消光系数。

本发明的工作原理：

当强度为                                                

平行光束通过一段路程为大气时，根据朗伯-比尔定律可得经过该段大气后光强度

为：

                               (1)

为大气的消光系数。

大气中除了标准大气分子外，还包含气溶胶粒子，因此大气的消光系数包括标准大气分子和气溶胶粒子两部分的贡献，大气的消光系数

可表述为

                              (2)

式中

与分别为气溶胶和标准大气分子的消光系数。

本发明采用双通道差分测量方法，利用分光棱镜将入射平行光束分为两束，分别透过测量池和滤除大气气溶胶的参考池，同时检测两个通道的出射光强，由测得两束光强度之比求，得到大气气溶胶的消光系数。

在本检测系统（图1）中，分光棱镜的透射比为

、反射光束比为

，激光器发出的光强度为

，则进入测量池的光束强度为

，进入参考池的光束强度为

。发明装置中，测量池与参考池长度相等，均为

，光束通过测量池后的出射光强为

                               (3)

其中

、

分别为测量池光入射端和光出射端的透过率，

为直角棱镜的透过率。同理得到光束通过参考池后的出射光强为

                               (4)

其中

、

分别为参考池光入射端和光出射端的透过率。

由式（3）和式（4）得，透过池后测量光与参考光强度之比为

                            (5)

令，则待测大气气溶胶吸收系数为

                              

                                 (6)

通常情况下，分光棱镜的透射比

和反射光比

接近相等，k9玻璃制作的直角棱镜透过率为0.92左右，镀增透膜后

接近于1，用同材质材料制作的池端面镜，它们的透过率几乎相等，故因子

很小。式（3）和式（4）表明：气溶胶消光系数

与激光器发出的光强度无关，表明本发明能有效抑制光源波动产生的影响。

本发明为抑制环境光的影响，探测光束调制为频率为1.0 kHz的光脉冲，光电探测器将光脉冲转换为电流脉冲，测量通道光电流为

                              

                             (7)

通过前置放大器9，电流信号被转换为电压信号，经过有增益的带通滤波器10后，消除环境杂散光信号，带通滤波器10输出1.0 kHz的正弦波，经真有效值转换电路11，成为直流电压，

与测量通道光强度平均值

成正比

                              (8)

其中，比例系数

与光电探测器的光-电流转换系数、前置放大器的电流-电压转换率、带通滤波器的增益和真有效值转换电路转换系数等有关。

同理，可得参考通道的直流电压为

                               (9)

其中。

为比例系数，

为参考通道光强度的平均值。可以通过调节电路元件参数，使得

，因此，透过池后测量光与参考光平均强度之比为

                                 

                               (10)

根据式（10），可将待测气溶胶消光系数用采集到的直流电压表达为

                           (11)

式（11）表明只要测得两通道相对应光强度的电压值，就可以确定待测气体的消光系数，本发明不仅避免了半导体激光器出射光强不稳定给测量带来的影响，同时也减少了大气分子对测量结果的干扰，且两个通道光强检测电路参数不对称也通过定标得到了解决。可以实时监测大气气溶胶消光系数。

Claims (7)

1.一种双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，它包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机控制单元，接收单元探测的信号经光电信号处理单元后，送入计算机控制单元，其特征在于：该装置还包括一取样部分，取样部分包括测量池和参考池；所述发射部分的光束分为两束分别通过测量池通道和参考池通道，并分别经各自的接收单元和光电信号处理单元后，再经数据采集单元送入计算机控制单元；其中，测量池设有输入光窗口、输出光窗口和进气口、出气口，其出气口与一取样气泵相连；所述参考池也设有输入光窗口、输出光窗口和进气口、出气口，其进气口设有滤膜，其出气口与另一取样气泵相连。

2.根据权利要求1所述的双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，其特征在于：所述发射部分包括激光器、分光棱镜和直角射镜，激光器发射的光束经分光棱镜分成两束光后，一束被分光界面反射，形成参考通道光束，另一束透过分光界面投射到直角棱镜，经直角棱镜反射，形成测量通道光束。

3.根据权利要求1所述的双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，其特征在于：所述接收单元采用光电探测总成，包括金属圆筒、设置在圆筒前部的会聚透镜、圆筒后部的光电探测器和圆筒内的小光阑。

4.根据权利要求1所述的双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，其特征在于：其中测量池内为含气溶胶的待测气体；参考池内为气溶胶被滤除的参考气体。

5.根据权利要求1所述的双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，其特征在于：光电信号处理单元包括：前置放大器、带通滤波电路和精密有效值转换电路。

6.根据权利要求1所述的双通道透射式气溶胶消光系数测量装置，其特征在于：所述数据采集单元采用双路同步取样电路，两个通道的光束经各自接收单元、光电信号处理单元处理后，再经双路同步取样电路送入计算机控制单元。

7.黑碳气溶胶消光系数测量方法，其特征是：其测量步骤包括：

（1）通过LD发射光脉冲序列，经准直后成为平行光发出，用分光棱镜将光束分成近于相等强度的两束光；

（2）两束光分别通过测量池通道和参考池通道后，再分别由各自的接收单元接收，其中测量池内为含气溶胶的待测气体；参考池内为气溶胶被滤除的参考气体；

（3）每通道接收的信号分别由各自的光电信号处理单元处理后，经数据采集单元后，送入计算机控制单元；

（4）由计算机控制单元计算两通道探测到的光功率之比，并取对数运算，获得气溶胶的消光系数。

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