CN103712914A - 同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，包括气路系统、光腔、第一光电倍增管、第二光电倍增管，第一光电倍增管用于光腔透射光的检测，第二光电倍增管用于散射光积分测量且从光腔侧面伸入光腔，气路系统周期性地为光腔提供样品气体或背景气体。本发明通过气路系统周期性地将背景气体和带有气溶胶的样品气体通入光腔，用第一光电倍增管和第二光电倍增管分别检测光腔的透射光和散射光，通过拟合分别得到背景气体的衰荡时间和样品气体的衰荡时间，计算气溶胶的消光系数；同时计算透射光和散射光强的比值，得到气溶胶的散射系数，其检测误差小、精度高。本发明可应用于大气气溶胶光学性质在线分析检测。

Description

同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪

技术领域

本发明涉及大气气溶胶光学性质在线检测领域，特别是涉及一种同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪。

背景技术

大气气溶胶是全球和区域气候变化重要的驱动因子，但同时气溶胶也是目前气候研究中最大的不确定性来源之一，其原因除了全球尺度上大气气溶胶来源的多样性、时空分布差异较大外，测量技术的限制对气溶胶吸收特性测量上的极大不确定性也是一个重要原因。研究能够同时测量消光系数和散射系数或同时测量散射系数和吸收系数的新技术，对大气科学研究以及气象领域具有重要的实用价值和意义。

光腔衰荡光谱技术基于高反镜的多次反射特性，在较短的距离内实现了长等效光程（可达数千米甚至数十千米），具有超高灵敏度和低检测限的优点，非常适合于大气气溶胶的光学性质研究以及各种痕量气体的检测分析。

目前，消光系数可通过光腔衰荡光谱技术准确测量，不确定性小于3%，而散射系数的测量已经比较成熟，使用积分浊度仪，其不确定性最低可达5%；两者结合准确测量出消光系数和散射系数，再计算得到吸收系数和单次散射反照率将是一种理想的测量方法。但是该方法，采用两台不同的仪器分别测量消光系数和散射系数，会受到样品分析时间的同步性不确定的影响；更重要的是，消光系数测量的工作波长通常与散射系数测量的工作波长不一致，需要附加的计算，将两者统一到同一波长，会引入计算方法误差，增加单次散射反照率测量的不确定性。因此，开发能够在同一台仪器上同时测量气溶胶消光系数和散射系数的方法，同时得到气溶胶吸收系数和单次散射反照率，对提高系数吸收和单次散射反照率测量的准确度和可靠性，具有极其重要的意义。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪。

本发明所采用的技术方案是：

一种同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，包括光路系统、检测系统和气路系统，所述光路系统包括光源和接收光源输出光的光腔，所述检测系统包括数据处理装置和分别与数据处理装置信号连接的第一光电倍增管、第二光电倍增管，所述第一光电倍增管用于光腔透射光的检测且位于光腔输出端，所述第二光电倍增管用于散射光积分测量且从光腔侧面伸入光腔，所述气路系统周期性地为光腔提供样品气体或背景气体。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二光电倍增管垂直于光腔内的光路方向且位于光腔内光路侧面的中部。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光路系统包括导入装置，所述导入装置位于光源及光腔之间，将光源输出光导入光腔内。

作为上述技术方案的进一步改进，所述导入装置包括一次反射镜、二次反射镜、第一光阑和第二光阑，光线先经过一次反射镜和二次反射镜的反射后调整光束方向，再依次通过第一光阑和第二光阑以调整光束直径，最后进入光腔。

作为上述技术方案的进一步改进，所述光腔包括垂直于光路方向的入射高反镜和透射高反镜，所述入射高反镜和透射高反镜均为平凹镜，其中各凹面镀高反膜，各凹面相对安装，光从入射高反镜和透射高反镜中心穿过。

作为上述技术方案的进一步改进，所述气路系统包括分别连接光腔的供气装置和抽气装置，所述供气装置包括并联连接的样品气路和背景气路，所述样品气路和背景气路的输入端接有气路选择单元。

作为上述技术方案的进一步改进，所述背景气路上接有过滤器。

作为上述技术方案的进一步改进，所述气路选择单元为电动三通阀，所述电动三通阀的两个出口分别连接样品气路和背景气路，入口连接待测气体。

作为上述技术方案的进一步改进，所述抽气装置为抽气泵，所述抽气泵为光腔进气提供动力。

作为上述技术方案的进一步改进，所述数据处理装置包括分别信号连接第一光电倍增管和第二光电倍增管的数据采集卡，所述数据采集卡连接上位机。

本发明的有益效果是：本发明通过气路系统周期性地将背景气体和带有气溶胶的样品气体通入光腔，用第一光电倍增管和第二光电倍增管分别检测光腔的透射光和散射光，通过拟合分别得到背景气体的衰荡时间和样品气体的衰荡时间，计算气溶胶的消光系数；同时计算透射光和散射光强的比值，得到气溶胶的散射系数，在此基础上，可进一步得到气溶胶的吸收系数、单次散射反照率等大气气溶胶的光学性质的重要参数，其检测误差小、精度高。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明的构造原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，包括光路系统、检测系统和气路系统，光路系统包括光源和接收光源输出光的光腔1，检测系统包括数据处理装置和分别与数据处理装置信号连接的第一光电倍增管2、第二光电倍增管3，第一光电倍增管2用于光腔1透射光的检测且位于光腔1输出端，第二光电倍增管3用于散射光积分测量且从光腔1侧面伸入光腔1，气路系统周期性地为光腔1提供样品气体或背景气体。本实施例利用光腔衰荡光谱法通过测量光腔的透射光得到气溶胶的消光系数，同时，利用与积分浊度计类似但有区别的原理，即测量光腔中气溶胶在一定角度内的散射光的积分，再与透射光进行对比，计算得出气溶胶的散射系数。

在本实施例中，光腔1内形成一个检测区，检测区处于光路的照射范围，气溶胶所占据的区域内。优选的，第二光电倍增管3垂直于光腔1内的光路方向且位于检测区侧面的中部，用于光腔1内气溶胶的散射光积分的测量，该光电倍增管可检测到角度为5°~175°的散射光。

优选的，光源为脉冲激光器14，光路系统还包括导入装置，导入装置位于激光器14及光腔1之间，将激光光束导入光腔1内。导入装置由一次反射镜4、二次反射镜5、第一光阑6和第二光阑7组成，一次反射镜4和二次反射镜5为平面反射镜，可使激光光束在光腔1所在区域的一定角度内任意调节；第一光阑6和第二光阑7用于限制激光光束的直径，便于光路调节；光线先经过一次反射镜4和二次反射镜5的反射后平行于光腔1且依次通过第一光阑6和第二光阑7以调整光束直径，最后进入光腔1。

优选的，光腔1包括垂直于激光光束的入射高反镜8和透射高反镜9，入射高反镜8和透射高反镜9均为平凹镜，两个平凹镜与激光器14的发射波长相匹配，其中各凹面镀高反膜，曲率半径为1mm，反射率高于99.99%，各凹面相对安装，光从入射高反镜8和透射高反镜9中心穿过。第一光电倍增管2位于透射高反镜9的后端，用于接收从光腔1中透射出的光信号，并将光信号转化为电信号以便进行光信号变化的观测，该光电倍增管主要用于气溶胶消光系数的检测。

本实施例中，数据处理装置包括分别信号连接第一光电倍增管2和第二光电倍增管3的数据采集卡13，数据采集卡13连接上位机。数据采集卡13采集第一光电倍增管2和第二光电倍增管3的电信号，并将其数字化后传输给上位机电脑进行处理，计算得到消光系数和散射系数，并导出吸收系数和单次散射反照率。

优选的，气路系统包括分别连接光腔1的供气装置和抽气装置。抽气装置为抽气泵12，为光腔1进气提供动力。供气装置包括并联连接的样品气路和背景气路，样品气路和背景气路的输入端接有作为气路选择单元的电动三通阀11，电动三通阀11的两个出口分别连接样品气路和背景气路，入口连接待测气体，背景气路上接有过滤器10。过滤器10可将待测气体中的气溶胶去除，作为测量的背景；电动三通阀11用于背景气体和待测样品气体的切换。

本实施例中的检测系统还包括一个主控电路15，该主控电路15实现对光源、电动三通阀11、抽气泵12、数据采集卡13的供电和控制以及第一光电倍增管2和第二光电倍增管3的供电。

本实施例的工作原理是：激光器14发出的脉冲激光，先后经一次反射镜4和二次反射镜5调节，穿过第一光阑6和第二光阑7，然后从入射高反镜8的一端耦合进入到光腔1中，由于光腔1的反射率极高，激光在光腔1中来回振荡，同时镜片存在一定的透射，激光光强会缓慢下降，从而在光腔1中形成衰荡，光强随着时间的变化呈单指数衰减。可通过透射高反镜9后端的第一光电倍增管2检测透射光的变化，来反映光腔1中光的变化趋势，衰荡的快慢可用衰荡时间衡量，衰荡时间越大，光衰减越慢；反之，衰荡时间越小，光衰减越快；如果光腔1中存在消光介质，如气溶胶，激光的衰减就会加快，反映为衰荡时间变小，通过测量到的衰荡时间，可计算出腔体中介质的消光系数。实际工作中，由抽气泵12提供气路动力，驱使待测样品气体不断进入到仪器中，进行测量。通过电动三通阀11切换由样品气体和经过滤器10过滤后的背景气体，分别测得包含气溶胶和不含气溶胶时的消光系数，两者相减，即可得到气溶胶的消光系数。同时，位于光腔1侧面的第二光电倍增管3可检测到光腔1中气溶胶的散射光变化情况，散射光与光腔1中的光强呈正比关系，散射光与入射光的比值即为散射系数，而第一光电倍增管2检测到的透射光与光腔1中的光强也成正比关系，这样可以先计算第二光电倍增管3和第一光电倍增管2检测到的光强的比值，再通过校正实验准确得到气溶胶的散射系数。过程中，所有电子部件的供电和控制均由主控电路15完成，第一光电倍增管2和第二光电倍增管3的电信号由数据采集卡13进行采集、数字化后再传输到上位机，进行数据处理。

该光谱仪及检测的方法由于不受光源强度的影响，且等效光程长，具有灵敏度高、检测限低的特点。

本实施例可同时得到气溶胶的消光系数和散射系数，进一步可计算出气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等气溶胶光学性质的关键参数，可大大提高仪器的使用价值、扩展仪器的应用范围。

以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，包括光路系统、检测系统和气路系统，其特征在于：所述光路系统包括光源和接收光源输出光的光腔(1)，所述检测系统包括数据处理装置和分别与数据处理装置信号连接的第一光电倍增管(2)、第二光电倍增管(3)，所述第一光电倍增管(2)用于光腔(1)透射光的检测且位于光腔(1)输出端，所述第二光电倍增管(3)用于散射光积分测量且从光腔(1)侧面伸入光腔(1)，所述气路系统周期性地为光腔(1)提供样品气体或背景气体。

2.根据权利要求1所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述第二光电倍增管(3)垂直于光腔(1)内的光路方向且位于光腔(1)内光路侧面的中部。

3.根据权利要求1所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述光路系统包括导入装置，所述导入装置位于光源及光腔(1)之间，将光源输出光导入光腔(1)内。

4.根据权利要求3所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述导入装置包括一次反射镜(4)、二次反射镜(5)、第一光阑(6)和第二光阑(7)，光线先经过一次反射镜(4)和二次反射镜(5)的反射后调整光束方向，再依次通过第一光阑(6)和第二光阑(7)以调整光束直径，最后进入光腔(1)。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述光腔(1)包括垂直于光路方向的入射高反镜(8)和透射高反镜(9)，所述入射高反镜(8)和透射高反镜(9)均为平凹镜，其中各凹面镀高反膜，各凹面相对安装，光从入射高反镜(8)和透射高反镜(9)中心穿过。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述气路系统包括分别连接光腔(1)的供气装置和抽气装置，所述供气装置包括并联连接的样品气路和背景气路，所述样品气路和背景气路的输入端接有气路选择单元。

7.根据权利要求6所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述背景气路上接有过滤器(10)。

8.根据权利要求6所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述气路选择单元为电动三通阀(11)，所述电动三通阀(11)的两个出口分别连接样品气路和背景气路，入口连接待测气体。

9.根据权利要求6所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述抽气装置为抽气泵(12)，所述抽气泵(12)为光腔(1)进气提供动力。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的激光光腔衰荡光谱仪，其特征在于：所述数据处理装置包括分别信号连接第一光电倍增管(2)和第二光电倍增管(3)的数据采集卡(13)，所述数据采集卡(13)连接上位机。

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