CN103616334A - 光腔衰荡气溶胶消光仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统及气路系统。所述光路系统包括光源、光腔、调光系统；所述气路包括样气气路和保护气路，安装在光腔前后，包括电磁三通阀、气溶胶过滤器及气泵，所述电磁三通阀、气溶胶过滤器和继电器一起构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，由数字延迟发生器、光电倍增管、稳压电源、计算机及高速数据采集卡。本发明具有以下优点：精确度高，可以达到10^-1Mm^-1；时间分辨率高,可以达到20s；对样品进行原位测量，对样品的影响小。

Description

光腔衰荡气溶胶消光仪

技术领域

本发明涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪。

背景技术

大气气溶胶指在空气中悬浮的颗粒物或液滴，会对光产生散射和吸收，两者综合作用下，使光在通过大气时发生衰减现象。这种大气气溶胶对光的衰减作用可以由其消光系数准确表述。从国内外现有技术来看，为了测量大气气溶胶的消光系数，通常采用分别测量气溶胶的散光系数和吸收系数，这两个系数的加和就是气溶胶的消光系数。目前，散射系数的测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到10^-1Mm^-1,但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。吸收的测量通常采用滤膜采样吸收技术和光声光电光谱技术，这两种技术由于器件灵敏度限制，或在测量过程中可能改变气溶胶本身性质，具有误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点。

滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测量一定流量情况下单位时间内截留在滤膜表面的气溶胶对特定波长光的吸收，扣除滤膜本身的散光效应，得到大气气溶胶的吸收系数。大气气溶胶的光学性质与其形态有紧密联系，滤膜技术很难评估堆积在滤膜表面相较于悬浮在空气中的形态对吸收系数的影响是增加还是减少。另外，在测量过程中引入了滤膜，由于其特殊的纤维结构导致的截面敏感性问题，不同滤膜的空白值一致性较差，造成较大的实验不确定度。同时，滤膜采样吸收仪的光源并非采用单色光源，在筛选各特定波长光的过程中波长（或频率）分布较宽，也会引起测量误差，测量的不准确性达到30%，无法满足对实际大气气溶胶消光系数准确、快速变化的测量。

为了避免引入滤膜对气溶胶消光系数测量的影响，上世纪80年代光声光电光谱仪被发明用以实现气溶胶光学性质的原位测量。气溶胶吸收特定波长光后会以释放热能的方式退激，释放的热能使气溶胶的周围气体介质按光的频率产生周期性压力波动，由高灵敏微音器检测放大后得到光声信号,光声信号的强度即气溶胶对特定波长光的吸收。由于光声光电光谱仪对特定波长光吸收所导致的热能释放，可能使气溶胶所含的硝酸铵等易挥发物质挥发到气体介质中，或者改变湿度条件进而使气溶胶含水量和粒径发生变化，最终影响对消光系数的测量，增大测量误差。

为了更加准确地测量大气气溶胶消光系数，光腔衰荡光谱吸收技术被应用到气溶胶的光学测量领域。光腔衰荡光谱吸收技术由O’ Keefe 在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体分子吸收光谱的研究中。由于这一技术将样品的吸收路径增加到几十公里，所以与其它传统的吸收光谱技术相比有很高的灵敏度，其检测限达到10^-4 Mm^-1。

光腔衰荡光谱技术是将一束短脉冲激光被耦台进入到一个光学谐振腔中，谐振腔由一对平行相对、曲率半径为r, 反射率为R的反射镜组成。耦合进入光腔内的光脉冲会在两个反射镜之间发生多次反射，同时通过后腔镜后会有一小部分光强漏出光腔并被置于其后的光电探测器接收。当光脉冲第n+1次到选后腔镜时，漏出的光强为                                                

，则相邻两次经由后腔镜漏出的光强差为

。上式两边求和得

，写为积分的形式，即

。一般说来，实验所用的两片腔镜的反射率都很高R = R₁ ≈ R₂ ≈ 1，将式

代入上式得，可以近似为

。以上各式中，L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间，n为光脉冲在光腔中来回反射的次数。

当腔体中有气体存在时，上式为

,其中，

。可以看出τ ₀ 由光腔本身的参数(腔长，腔镜平均反射率) 和气体的消光系数（α _g，ext. ）决定，它通常被称为光腔的衰荡时间。当光腔内存在气溶胶时，上式变为

。其中，α _s, ext 是气溶胶的消光系数，l是样品的吸收光程长度，α _g, ext 是光腔内总的气体消光系数。所以，

。由此可知，如果测出有气溶胶和无气溶胶两者衰荡时间的倒数差，就可以确定其消光系数：

。

实际大气中除气溶胶外，还包括其他气体组分会对激光产生吸收，尤其是二氧化氮。二氧化氮作为城市重要污染物，其浓度变化可以达到几十到100ppb，其消光系数与浓度的比值为0.35 Mm^-1/ppb（标准大气压、室温、532 nm波长），所以其对大气消光系数的影响可以达到35 Mm^-1。在测量大气气溶胶消光系数时，二氧化氮的浓度变化改变大气气体组分的α _g ext. 进而影响到τ ₀ ，仅仅依靠一天一次或数次地人工测量去除颗粒物后大气气体组分的得到τ ₀ 无法消除背景变化带来的误差。为了保证测得的气溶胶消光系数的准确性与可靠性，并且达到无人看管、自动运行的要求，光腔衰荡气溶胶消光仪安装了自动校零装置，可以实时对背景进行校零。

另外，与气体分子不同，大气气溶胶非常容易黏附在高反镜表面，在无保护的情况下高反镜的反射率R会随着颗粒物的黏附而不断降低，衰荡时间减小，使测量的灵敏度大大降低。如果τ ₀ 低于一定数值，就需要擦拭高反镜并重新调试装置，不利于长时间测量的准确性和一致性。为了消除这种误差在高反镜前通入高纯气体形成保护区，保证镜面不受气溶胶污染。

发明内容

为了克服传统测量技术在测量过程中改变气溶胶本身性质，误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点，本发明的目的在于提供一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其运用光腔衰荡光谱技术对大气气溶胶的消光系数进行原位测量，并有效扣除大气其他气体组分对测量的影响，达到无人看管、自动运行、低误差、低检测限、快速实时监测的目的。

本发明解决上述技术问题具体所采取的技术方案如下：

一种光腔衰荡气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中：

所述光源为激光器1；所述光腔2由腔体和高反射镜12组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜12通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜12平行相对，高反射镜12镜面朝向光腔2内部，高反射镜12装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔2之间；

所述气路系统包括继电器6、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15和气泵10，其中继电器6、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15位于光腔2的前部，气泵10位于光腔2的后部，所述数据采集卡11、继电器6、电磁三通阀7的气溶胶过滤器15依次连接，构成了自动校零装置；

所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管8、稳压电源9、计算机5及高速数据采集卡4组成，光路控制部分由数字延迟发生器3构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡4；数字延迟发生器3的输出端连接高速数据采集卡4，稳压电源9连接光电倍增管8，光电倍增管8的输出端连接高速数据采集卡4，高速数据采集卡4连接计算机5，计算机5连接数据采集卡11；所述光电倍增管8作为探测器，用于接收激光信号。

本发明中，其中所述光路调节系统包括两个反射镜13以及一组可调节光栅14，激光器1的出光口对准一个反射镜13的入光口，所述反射镜13的出光口对准光栅14的入光口，光栅14的出光口对准另一个反射镜13的入光口，另一个反射镜13的出光口对准光腔2的中心，即激光器1发出的光通过所述两个反射镜13反射和光栅14调节后平行进入光腔2的中心。

本发明中，所述激光器1为中心波长在绿光波段的半导体泵浦高频脉冲激光器，激光由外触发器触发，并具有金属散热支架。

本发明中，所述高反射镜12为中心反射波段540 nm，反射率99.9985%的高反射镜，所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体。

本发明中，所述气路系统还包括背景气体气路和气溶胶气路，背景气体气路和气溶胶气路共用同一样的管路，样气经电磁三通阀7后分为两个进气路；一进气路直接进入腔体，构成气溶胶供应气路；一路气路经过气溶胶过滤器15后构成背景气体气路。所述电磁三通阀由一个继电器6控制三通阀打开的方向，电脑程序通过数据采集卡11输出数字模拟信号，使继电器通或断，达到控制电磁阀气流方向，在断时即0位置，大气气溶胶通过气溶胶过滤器后进入光腔进行校零，测定τ ₀ ；在通时即1位置，大气气溶胶直接进入光腔以测量消光系数，测定τ。

本发明中，所述气路系统还包括保护气路，保护气路分为两条支路，保护气路在光腔2的临近其高反射镜12的位置连通于所述光腔2，以将保护气通入到光腔2每个高反射镜的镜面前端；其中的保护气采用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物。 

本发明中，所述电磁三通阀7采用L型三通球阀，气溶胶过滤器15采用高效气溶胶颗粒过滤器，滤除效率99.998%；气泵采用可调流量隔膜泵，流量范围1-10 L/min。

本发明中，其中所述数据采集部分包括数字延迟发生器3、计算机5以及高速数据采集卡4，其中所述数字延迟发生器3的输出端同时连接光源和数据采集卡4，构成光路控制部分，用于触发光源脉冲与计算机运行程序，所述光电倍增管8的输出端连接于所述数据采集卡4，所述数据采集卡4和计算机5相连；其中所述光电倍增管8采用稳压电源9提供的高压电；所述数据采集卡为采集数24、采集速率100MHz的双通道高速数据采集卡；所述数字延迟发生器3的精确度达到纳秒级。

 本发明具有以下优点：

（1）精确度高，消光系数的测量精度可以达到10^-1 Mm^-1；

（2）时间分辨率高,可以达到20s；

（3）对样品进行原位测量，对样品的影响小。

附图说明

图1光腔衰荡气溶胶消光仪示意图； 

图2 光腔结构示意图；

图3 电磁阀工作状态示意图；

图4 消光系数与不同粒径标准小球浓度关系图；

图5为能见度随时间变化图；

图6消光系数随时间变化图；

图中标号：1、激光器；2、光腔；3、数字延迟发生器；4、高速数据采集卡；5、计算机；6、继电器；7、电磁三通阀；8、光电倍增管；9、稳压电源；10、气泵；11、数据采集卡；12、高反射镜；13、反射镜；14、光栅；15、气溶胶过滤器；16、流量计。

具体实施方式

下面通过具体实施例，结合附图对本发明提供的装置予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：如图1所示为光腔衰荡气溶胶消光仪示意图。

所述光腔衰荡气溶胶消光仪包括光路系统、电路系统及其气路系统。

光腔2使用圆柱形不锈钢管光腔，光腔长度越长，衰荡时间越长，灵敏度也越高，腔体直径为42mm，进样口直径12mm，出样口直径12mm，腔体两端制作法兰接口用于固定高反射镜12并保持密闭。较大的进样口可以保证气溶胶样品的最小损失。两端法兰前有直径 3mm的管口，通入高纯气体以在高反射镜12前形成保护区，保证镜面不受气溶胶污染。使用铝合金自行加工支架，光腔2内部及所有管接口均打磨抛光处理。

高反射镜12选用中心反射波段540 nm，反射率99.9985%的高反镜，曲率半径6 m，直径0.8 英尺。激光器1选用532 nm波长的半导体泵浦调Q激光器，激光由外触发器触发，单束脉冲能量10μJ，激光器配以具有良热导能力的金属铝支架。

进一步的根据本发明所述的光腔衰荡消光仪，将激光器1及其支架、一组反射镜13、一组光栅14、光腔2及其支架、光电倍增8管依次如图1所示安装在光学板上，再将高反射镜12用法兰螺丝固定在光腔两端，镜面平行相对，朝向光腔内部，组成光路系统。

进一步的根据本发明所述的光腔衰荡消光仪，将高纯氮、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15、气泵10依次如图1所示连接在光腔前后，形成气路系统。当测量气体背景时,电磁三通阀7将样气通过气溶胶过滤器15通入腔体中,当测量气溶胶时,样气直接通入腔体。电磁三通阀阀采用L型三通球阀，内壁光滑，密闭性好，不会吸附颗粒物，使用24 V电源驱动。电磁阀工作状态示意图如图3所示，数据采集卡11、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15和继电器6一起构成了自动校零装置，电脑程序通过数据采集卡11输出数字模拟信号，使继电器通或断，达到控制电磁阀气流方向。在断时即0位置，大气气溶胶通过高效气溶胶过滤器后进入光腔进行校零，测定τ ₀ ；在通时即1位置，大气气溶胶直接进入光腔以测量消光系数，测定τ。气溶胶过滤器15采用气溶胶颗粒过滤器，滤除效率99.998%。在常压3L/ min流量的情况下，即使大气污染情况严重，仍可以完全去除气溶胶颗粒，并且不影响样气气体组分。气泵10采用可调流量隔膜泵，流量范围1-10 L/min，可根据实际情况调整，一般设定为3 L/min。具有长时间连续工作能力，适用于野外工作。保护气体采用99.99%的高纯氮气，不含气溶胶颗粒物，对532 nm波长光无吸收。

将激光器1、数字延迟发生器3、光电倍增管8、高速数据采集卡4、稳压电源9、电磁三通阀7依次连接，形成电路系统。高速数据采集卡4为采集数24、采集速率100MHz的高速数据采集卡。光电倍增管8具有响应快、灵敏度高的特点，采用稳压电源9提供高压电源，保证信号的稳定。衰荡时间为10-60 μs，100 MHz的高速数据采集卡4可以保证光电倍增管8的输入和激光触发信号的真实性，避免衰荡曲线的失真。精确度达到纳秒级的数字延迟发生器用于触发激光和计算机5，激光触发后，在光腔2内形成衰荡，而由高反射镜12漏出的激光由光电倍增管8转化为电信号，由高速数据采集卡4采集后记录在电脑程序中，形成衰荡曲线。衰荡曲线平均1000次后，拟合得到τ（有气溶胶时）和τ ₀ （无气溶胶时），代入公式 计算得到大气气溶胶的消光系数值， 式中L 为光腔长度，c为光速，l是样品的吸收光程长度，

为气溶胶大气气体的衰荡时间，

为背景大气气体的衰荡时间，测量的时间分辨率可以达到20 s。

光腔衰荡气溶胶消光仪的使用步骤如下：

首先，打开激光，调整调光镜位置，使激光在两面高反射镜12的中央，即光腔2的中线上来回反射，形成衰荡。运行电脑程序，控制高速数据采集卡，触发激光信号，调高光电倍增管电压，获得激光衰荡曲线；

其次，将气路接通大气，打开气泵10，流速控制在3 L/min。打开电脑程序，设置校零与测量时间（一般情况下，分别设为5分钟和30分钟，即每半小时校零一次），运行程序。程序自动控制电磁阀转动到0位置，进行校零，测量大气中气态成分的衰荡时间，并自动记录至程序中；校零结束后，自动进入测量阶段，电磁阀转动到1位置，测量大气的衰荡时间，利用公式，即可获得大气气溶胶的消光系数。

我们测量了已知折光指数的聚苯乙烯小球的光学性质。

我们分别测量了8个粒径的小球的消光系数与浓度的关系。部分结果如图4所示。图中各个点就是我们测量的结果，线则是线性拟合得到。消光系数随着颗粒物浓度的增加而线性增加，气溶胶的消光截面(σ_ext)通过关系式

_ext=σ_ext×N 得到，在这个公式中N是颗粒物的浓度，因此，颗粒物的消光截面就是消光系数与浓度线性拟合的斜率，图中每一条直线的拟合的误差都小于3%。我们同时应用测得的消光系数计算标准小球的折光指数为1.597+0.00i ，与之前Riziq （2007）得到的折光指数是1.598+0.00i 接近。

消光系数可以通过公式L_v=3.91/

_ext转换为能见度L_v，我们将检测的能见度与上海气象局用Vaisala FD12直接测量的能见度进行比较。观测地点位于上海市杨浦区复旦大学(31o17′47.14″N, 121o30′14.94″E)环境科学与工程系实验室内。观测时间是2009年5月28到6月2日。外场的空气通过一根高出房顶3m，共计6m长，直径为12mm的不锈钢管引入腔体里，流速为1.0 LPM，结果如图5、图6 所示。图中列出了消光系数、由消光系数推算的能见度以及上海气象局监测的宝山站和浦东站的能见度值。图6显示了能见度随时间变化的关系。黑色的曲线是光腔衰荡气溶胶消光仪测量得到的结果，点和点线的曲线是分别是浦东和宝山站测量的结果。复旦大学位于上海的杨浦区，与宝山和浦东两区相邻，与宝山气象局(31o23′34″ N, 121o29′37″ E)的距离是 11.3 Km，与浦东气象局(31o13′10″ N，121o33′09″ E )的距离是9.3 Km。在观测期间，能见度从1.6km到20.8km变化。可以看出我们的测量结果与浦东和宝山气象局的结果变化一致，而且得到的曲线平滑许多，这主要是因为光腔衰荡气溶胶消光仪的标准偏差比较低。

Claims (7)

1.一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中：

所述光源为激光器(1)；所述光腔(2)由腔体和高反射镜(12)组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜(12)通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜(12)平行相对，高反射镜(12)镜面朝向光腔(2)内部，高反射镜(12)装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔(2)之间；

所述气路系统包括继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)和气泵(10)，其中继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)位于光腔(2)的前部，气泵(10)位于光腔(2)的后部，所述数据采集卡(11)、继电器(6)、电磁三通阀(7)的气溶胶过滤器(15)依次连接，构成了自动校零装置；

所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管(8)、稳压电源(9)、计算机(5)及高速数据采集卡(4)组成，光路控制部分由数字延迟发生器(3)构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡(4)；数字延迟发生器(3)的输出端连接高速数据采集卡(4)，稳压电源(9)连接光电倍增管(8)，光电倍增管(8)的输出端连接高速数据采集卡(4)，高速数据采集卡(4)连接计算机(5)，计算机(5)连接数据采集卡(11)；所述光电倍增管(8)作为探测器，用于接收激光信号。

2.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述光路调节系统包括两个反射镜(13)以及一组可调节光栅(14)，激光器(1)的出光口对准一个反射镜(13)的入光口，所述反射镜(13)的出光口对准光栅(14)的入光口，光栅(14)的出光口对准另一个反射镜(13)的入光口，另一个反射镜(13)的出光口对准光腔(2)的中心，即激光器(1)发出的光通过所述两个反射镜(13)反射和光栅(14)调节后平行进入光腔(2)的中心。

3.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述激光器(1)为中心波长在绿光波段的半导体泵浦高频脉冲激光器，激光由外触发器触发，并具有金属散热支架。

4.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述高反射镜(12)为中心反射波段540 nm，反射率99.9985%的高反射镜，所述腔体为圆柱形不锈钢管腔体。

5.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述气路系统还包括背景气体气路和气溶胶气路，背景气体气路和气溶胶气路共用同一条管路，样气经电磁三通阀(7)后分为两个进气路；一进气路直接进入腔体，构成气溶胶供应气路；一路气路经过气溶胶过滤器(15)后构成背景气体气路。

6.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述气路系统还包括保护气路，保护气路分为两条支路，保护气路在光腔(2)的临近其高反射镜(12)的位置连通于所述光腔(2)，以将保护气通入到光腔(2)每个高反射镜的镜面前端；其中的保护气采用高纯氮气且不含气溶胶颗粒物。

7.根据权利要求1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述电磁三通阀(7)采用L型三通球阀，气溶胶过滤器(15)采用高效气溶胶颗粒过滤器，滤除效率99.998%；气泵采用可调流量隔膜泵，流量范围1-10 L/min。

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