CN103048285B - 利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，基于光与粒子相互作用，粒子吸收光产生热效应，粒子散射光不产生热量等特点，某一波长的光在充满气溶胶的绝热玻璃管中传输，气溶胶粒子对光的吸收效应可以通过玻璃管内的温度传感器测量得到；本发明直接测量粒子对光的吸收效应，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，测量中有效扣除了空气分子吸收的干扰，可以对大气气溶胶进行连续的实时在线测量，为气象环保部门的定量化监测，为研究气溶胶的微物理特性，都展示了很好的应用前景。

Description

利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法

技术领域

本发明涉及气溶胶微物理特性测量领域，具体涉及一种利用光-热转换法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，它可以实时测量大气气溶胶吸收系数。

背景技术

气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气科学的很多领域都与气溶胶有关。大气气溶胶粒子的存在直接影响了光在大气中的传播，造成光在大气中的衰减。大气中气溶胶粒子对光的散射和吸收特性是影响光传播的主要因素之一，气溶胶粒子的吸收系数（折射率虚部）是决定大气气溶胶吸收特性的重要参数，在大气辐射收支平衡中起着重要的作用，气溶胶辐射强迫效应的正负在很大程度上取决于其吸收系数的大小。气溶胶粒子对光的吸收，还造成了大气中一些气溶胶粒子间以及气溶胶粒子和气体间的光化学反应，产生了很多尚不可测的影响。而气溶胶的吸收系数直接反映了碳气溶胶的污染程度，况且气溶胶吸收系数在研究气候变化、卫星遥感和颗粒物污染等方面是不可获缺的参数。因此，研究实际大气气溶胶吸收的测量方法有着重要的科学和应用价值。

大气中的气溶胶粒子主要集中在近地面边界层内，由于地理位置、环境和气象条件的变化，气溶胶的化学成分较为复杂，由于除含有沙尘、矿物质、烟灰、沥青和煤烟等成分外，还常含有硫酸盐、硝酸盐、硅酸盐和碳酸盐等。不同地区气溶胶基本微物理参数特别是气溶胶吸收系数的时空变化差异很大，因此，许多研究人员对气溶胶粒子吸收系数的测量方法进行了研究。目前，直接测量气溶胶吸收特性的方法还不多，对于气溶胶粒子吸收的测量，是一个重要而又很难解决的问题。因此研究测量大气气溶胶吸收系数的方法是一项很有意义和迫切需要的工作。

气溶胶粒子对光的吸收系数很小，典型值为 10 ^- 3 ～10 ^- 6 m^-1，它对光吸收的同时总伴有对光的散射，测量时一般不能很好地消除散射的影响，导致准确测量气溶胶粒子对光的吸收系数极其困难。目前，关于气溶胶对光的吸收及折射率虚部的测量已有很多报道，对气溶胶吸收系数的测量方法可以简单概括为三类：（1）测量气溶胶粒子吸收光的能量后产生的声波来确定粒子的吸收系数即光声光谱法。当气溶胶受到调制或脉冲光照射时，气溶胶粒子吸收光产生热，热量传给空气，从而产生声波。麦克风输出的电压与声压成正比，声压与气体吸收的热量成比例，即间接与光吸收系数成比例。散射光不产生热量，它对声波的产生没有影响，所以光声法很成功地消除了散射光对光吸收系数测量的影响。光声法系统的结构简单，但受腔的热损耗、粒子的湿度等因素的影响较大。（2）测量直接采样得到的气溶胶粒子样品的吸收系数，如积分片法和采样光度计法。以采样光度计法为例，采样光度计(Sampling Photometer)用滤膜采集大气气溶胶粒子，并用光纤传感器监测滤膜的反射光。随着滤膜上大气气溶胶粒子的增多，反射光强逐渐减弱。大气气溶胶粒子的吸收系数σ_a由公式给出：

σ_a=(Area/Vol)·ln(Rf₀/Rf)·C

式中Area为滤膜面积，Vol为采集空气的体积(m³)，Rf₀为第i个周期滤膜的反射光强，Rf为第i+1个周期滤膜的反射光强，C为校正系数。这一测量方法是基于激光传输理论的基础上，根据激光传输理论对于沉积在漫反射基片上的吸收粒子，激光传输仅对吸收敏感。在漫反射基片上聚集的粒子随时间的增加而增加，信号光的衰减与聚集粒子的厚度成正比，即光的衰减是气溶胶粒子累积吸收的结果。通过信号光和参考光以及对气流速度的分析便可得到吸收系数。由于该方法在测量中改变了气溶胶粒子的自然悬浮状态，滤膜收集到的粒子的光学特性可能与实际大气中情况有所不同。还有，该方法忽略了多次散射效应和后向散射以及一些界面反射等的影响，这些都可能会造成较大的测量误差。（3）碳元素法。测量碳元素，因为元素碳是大气气溶胶中的主要吸光物质，所以可通过测量气溶胶中元素碳的含量来研究气溶胶的吸收特性和吸收系数，而元素碳浓度法需要对气溶胶元素碳浓度的精确测量，需要知道元素碳的质量吸收效率并确定元素碳是被测气溶胶中唯一有意义的吸收成分。

本发明利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的测量方法，基于光与粒子相互作用，粒子吸收光产生热效应，粒子散射光不产生热量等特点，某一波长的光在充满气溶胶的绝热玻璃管中传输，气溶胶粒子对光的吸收效应可以通过玻璃管内的温度传感器测量得到；本发明直接测量粒子对光的吸收效应，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，测量中有效扣除了空气分子吸收的干扰，可以对大气气溶胶进行连续的实时在线测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有大气气溶胶吸收系数测量技术的不足，提供一种结构巧妙、环境适应性强、可以实时测量的新方法。本发明的方法可以有效测量多种大气气溶胶吸收系数，具有原理简单、操作方便、检测灵敏度高等特点。

本发明采用的技术方案是：

利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，其特征在于：包括绝热玻璃管，所述的玻璃管内外壁间有一真空带，玻璃管被一个真空绝热箱包围，玻璃管设有气溶胶入口、出口和光束入口，所述气溶胶入、出口分别位于玻璃管的两端且均垂直于玻璃管，气溶胶入口设有气阀和过滤器，气溶胶出口设有抽气泵；所述玻璃管的两端分别设有一个凹面镜，玻璃管的其中一端作为光束入口，光束入口设有激光器作为光源，激光器与光束入口之间的光路上设有平行光管、分光镜，激光器发射出的光束经过平行光管使光束准直，再通过分光镜产生两束准直光束，分别作为参考光和入射光；所述的参考光全部能量进入光电探测器，转化为对应的电信号，所述的玻璃管内放置高灵敏度的温度传感器，所述的入射光进入玻璃管并在玻璃管内与气溶胶粒子相互作用，使周围温度产生微小变化，光电探测器、温度传感器的电信号输出端接入带AD转换器的单片机，单片机还控制连接激光器、气阀、抽气泵，单片机通过连接的USB接口连接计算机，具体测量过程包括以下步骤：

（1）在玻璃管的气溶胶入口装上过滤器，让波长为λ的入射光进入玻璃管，通过没有气溶胶的干净大气传输，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₁，同时波长为λ的参考光直接进入光电探测器，记录光电探测器检测对应的光强I₁，把信息反馈给单片机，单片机控制调整激光器电源，使光电探测器检测对应的光强一直稳定在I₁处，确保入射光的稳定；

（2）拿掉玻璃管的气溶胶入口的过滤器，让气溶胶均匀进入玻璃管内，开启玻璃管的气溶胶出口的抽气泵，使气溶胶粒子在玻璃管内均匀分布，然后关闭抽气泵和气溶胶入口的气阀，开启入射光电源，让激光穿过待测大气气溶胶，激光与粒子相互作用，气溶胶粒子的散射光透光玻璃管壁消耗在真空绝热箱中，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动使玻璃管内的温度升高，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₂；

（3）步骤（1）、（2）中，温度传感器检测到的温度变化分别转化为数字信号并经过单片机处理后接入计算机，计算机内部软件建立了气溶胶吸收系数测量公式：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{abs}}=\frac{T_2-T_1}{T_0}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{abs}\left(C\right)}$

其中T₀为测量系统事先标定出的，在相同实验条件下，充入已知吸收系数（β_abs(c)）碳气溶胶的温度变化， 由此，计算得出待测气溶胶的吸收系数β_abs。

本发明的原理是：

光与气溶胶粒子相互作用，粒子吸收光产生热，热量传给空气，从而使周围温度发生变化，铂丝温度传感器的测量精度可以达到10 ^- 4，跨越4个量级，温度变化与气体吸收的热量成比例，即直接与光吸收系数成比例，粒子散射光不产生热量，它对温度的产生没有影响，所以光热法很成功地消除了散射光对光吸收系数测量的影响。测量系统由发射光单元、绝热玻璃管、绝热箱、光电探测单元、温度传感器以及控制和信号处理单元组成。玻璃管内外壁间有一真空带，玻璃管被一个真空绝热箱包围，玻璃管内放置一温度传感器，两端设置凹面镜，使入射光在管内来回震荡，气溶胶粒子的散射光透过玻璃管壁消耗在绝热箱中，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动使玻璃管内的温度升高。

利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的方法需要定标以便确定两个定标参数，定标步骤如下：

（1）在玻璃管的气溶胶入口装上过滤器，让波长为λ的入射光进入玻璃管，通过没有气溶胶的干净大气传输，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₁，同时波长为λ的参考光直接进入光电探测器，记录光电探测器检测的光强I₁，把信息反馈给反馈电路，反馈电路控制调整激光器电源，使光电探测器检测对应的光强一直稳定在I₁处；

（2）拿掉玻璃管的气溶胶入口的过滤器，让黑炭发生器发生的气溶胶粒子均匀进入玻璃管内，开启玻璃管的气溶胶出口的抽气泵，使气溶胶粒子在玻璃管内均匀分布，然后关闭抽气泵和气溶胶入口的气阀，并装上过滤器，开启入射光电源，让激光穿过待测大气气溶胶，激光与粒子相互作用，气溶胶粒子的散射光透过玻璃管壁消耗在绝热箱中，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动使玻璃管内的温度升高，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₀，根据已知黑炭粒子的吸收系数β_abs(c)和测量的T₀可以计算得出待测气溶胶粒子的吸收系数β_abs。

本发明的优点及有益效果是：

1、原位测量，保持了光和大气气溶胶粒子客观的相互作用；

2、测量原理直接简单，设计巧妙，操作方便；

3、直接测量吸收产生的温度变化和扣除分子吸热产生的温度变化，反馈电路消除了光电转换中光强波动对于测量结果的影响；

4、使用碳气溶胶进行参数标定，大大提高了测量范围和精度。

5、本发明利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的测量方法，基于光与粒子相互作用，粒子吸收光产生热效应，粒子散射光不产生热量等特点，某一波长的光在充满气溶胶的绝热玻璃管中传输，气溶胶粒子对光的吸收效应可以通过玻璃管内的温度传感器测量得到；本发明直接测量粒子对光的吸收效应，测量过程中不改变粒子的悬浮状态，测量中有效扣除了空气分子吸收的干扰，可以对大气气溶胶进行连续的实时在线测量，为气象环保部门的定量化监测，为研究气溶胶的微物理特性，都展示了很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的吸收系数的测量示意图。

具体实施方式

如图1所示，利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，包括有玻璃管1，玻璃管1内外壁间有一真空带15，玻璃管1被一个真空绝热箱包围，玻璃管1设有气溶胶入口2、出口3和光束入口7，气溶胶入口、出口2、3分别位于玻璃管1的两端且均垂直于玻璃管1，气溶胶入口2设有气阀4和过滤器5，气溶胶出口3设有抽气泵6，所述玻璃管1的两端设有两个凹面镜7、8，其中光由7处进入玻璃管内；光束入口7设有激光器9作为光源，激光器9与光束入口7之间的光路上设有平行光管、分光镜10，激光器9发射出的光束经过平行光管使光束准直，再通过分光镜10产生两束光束准直光束，分别作为参考光和入射光，参考光全部能量进入光电探测器11，转化为对应的电信号，玻璃管1内放置高灵敏度温度传感器12，用于测量玻璃管1内温度的微小变化，入射光在玻璃管1内与气溶胶粒子相互作用，使周围温度产生微小变化，光电探测器11、温度传感器12的电信号输出端接入带AD转换器的单片机13，单片机13还控制连接激光器9、气阀4、抽气泵6，单片机通过连接的USB接口连接计算机14；具体测量过程包括以下步骤：

（1）在玻璃管1的气溶胶入口2装上过滤器5，让波长为λ的入射光进入玻璃管1，通过没有气溶胶的干净大气传输，并记录温度传感器12检测的温度变化信息T₁，同时波长为λ的参考光直接进入光电探测器11，记录光电探测器11检测对应的光强I₁；

（2）拿掉玻璃管1的气溶胶入口2的过滤器5，让气溶胶均匀进入玻璃管内，开启玻璃管的气溶胶出口的抽气泵6，使气溶胶粒子在玻璃管内均匀分布，然后关闭抽气泵6和气溶胶入口2的气阀4，开启入射光激光器9，让激光穿过待测大气气溶胶，激光与粒子相互作用，气溶胶粒子的散射光透过玻璃管壁消耗在绝热箱中，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动使玻璃管内的温度升高，并记录温度传感器12检测的温度变化信息T₂，同时记录光电探测器11检测对应的光强I₂，如果I₂不等于I₁，把信息反馈给激光器9，调整电源电压，直至I₂等于I₁；

（3）步骤（1）、（2）中，温度传感器12检测到的温度变化分别转化为数字信号并经过单片机13处理后接入计算机14，计算机内部软件建立了气溶胶吸收系数测量公式：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{abs}}=\frac{T_2-T_1}{T_0}{\mathrm{\β}}_{\mathrm{abs}\left(C\right)}$

其中T₀为测量系统事先标定出的，在相同实验条件下，充入已知吸收系数（β_abs(c)）碳气溶胶的温度变化， 由此，计算得出气溶胶的吸收系数β_abs。

Claims (1)

1.利用光-热法测量大气气溶胶吸收系数的新方法，其特征在于：包括绝热玻璃管，所述的玻璃管内外壁间有一真空带，玻璃管被一个真空绝热箱包围，玻璃管设有气溶胶入口、出口和光束入口，所述气溶胶入、出口分别位于玻璃管的两端且均垂直于玻璃管，气溶胶入口设有气阀和过滤器，气溶胶出口设有抽气泵；所述玻璃管的两端分别设有一个凹面镜，玻璃管的其中一端作为光束入口，光束入口设有激光器作为光源，激光器与光束入口之间的光路上设有平行光管、分光镜，激光器发射出的光束经过平行光管使光束准直，再通过分光镜产生两束准直光束，分别作为参考光和入射光；所述的参考光全部能量进入光电探测器，转化为对应的电信号，所述的玻璃管内放置高灵敏度的温度传感器，所述的入射光进入玻璃管并在玻璃管内与气溶胶粒子相互作用，使周围温度产生微小变化，光电探测器、温度传感器的电信号输出端接入带AD转换器的单片机，单片机还控制连接激光器、气阀、抽气泵，单片机通过连接的USB接口连接计算机，具体测量过程包括以下步骤：

（1）在玻璃管的气溶胶入口装上过滤器，让波长为                                                的入射光进入玻璃管，通过没有气溶胶的干净大气传输，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₁，同时波长为的参考光直接进入光电探测器，记录光电探测器检测对应的光强I₁，把信息反馈给单片机，单片机控制调整激光器电源，使光电探测器检测对应的光强一直稳定在I₁处，确保入射光的稳定； 

（2）拿掉玻璃管的气溶胶入口的过滤器，让气溶胶均匀进入玻璃管内，开启玻璃管的气溶胶出口的抽气泵，使气溶胶粒子在玻璃管内均匀分布，然后关闭抽气泵和气溶胶入口的气阀，开启入射光电源，让激光穿过待测大气气溶胶，激光与粒子相互作用，气溶胶粒子的散射光透过玻璃管壁消耗在真空绝热箱中，气溶胶粒子的吸收转化为分子热运动使玻璃管内的温度升高，并记录温度传感器检测的温度变化信息T₂；

（3）步骤（1）、（2）中，温度传感器检测到的温度变化分别转化为数字信号并经过单片机处理后接入计算机，计算机内部软件建立了气溶胶吸收系数测量公式：

其中T₀为测量系统事先标定出的，在相同实验条件下，充入已知吸收系数碳气溶胶的温度变化， 由此，计算得出待测气溶胶的吸收系数。