CN108181267B

CN108181267B - 一种小型前向散射能见度仪校准系统

Info

Publication number: CN108181267B
Application number: CN201711369351.XA
Authority: CN
Inventors: 张建锋; 潘孙强; 陈哲敏; 胡朋兵; 陈宁; 郭斌
Original assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Current assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2021-01-26
Anticipated expiration: 2037-12-18
Also published as: CN108181267A

Abstract

本发明提供一种小型前向散射能见度仪校准系统，涉及检测技术领域。它包括：密闭模拟舱、颗粒物发生器、搅拌风扇、能见度测量参考模块、计算机，能见度测量参考模块基于腔增强原理，使得模拟舱密闭腔体内能见度测量基线缩短至0.5米以内。本发明解决了现有技术中前向散射能见度的校准模拟舱基线太长、均匀性难保证的技术问题。本发明有益效果为：颗粒物粒径一致，不易吸附、团聚，使校准、检测实验更具有重复性。基于腔增强原理的能见度测量参考模块可以将测量基线缩短至0.5米以内，大大缩小了能见度仪校准模拟舱体的体积，降低成本。腔镜的镜面采用特制的保护气罩保护，避免混入到测量区域对能见度产生影响。

Description

一种小型前向散射能见度仪校准系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其是涉及一种基于腔增强能见度测量标准模块的校准系统。

背景技术

能见度是气象观测的要素之一。能见度对轮渡、高速公路、航空领域等都会产生较大影响。测量能见度的仪器主要有两类：透射式能见度仪和散射式能见度仪。透射式能见度仪需要几十甚至上百米的基线，对空间、成本要求高，应用不多。散射式能见度仪占地空间小，使用方便，价格较低，在气象、交通等领域得到广泛应用。不同厂家的前向散射能见度仪的观测准确度和稳定性均有差别。目前，还没有针对该类仪器的检定规程、校准规范等标准出台，量值溯源体系空白。为了解决仪器的检测和校准问题，国内的相关单位建立了能见度环境模拟舱。中国专利申请公布号CN104713852A，申请公布日2015年6月17日，名称为“一种可控能见度大气模拟系统”的发明专利申请，是其中的一种。它主要由大气环境模拟舱、气溶胶发生系统、供气循环系统、超净室、外部显示系统及控制系统构成，在大气环境模拟舱的外部设置气溶胶发生系统，在大气环境模拟舱一端部安装供气循环系统，在大气环境模拟舱的另一端设置超净室，在超净室内安装外部显示系统、控制系统，大气模拟环境舱设置有气溶胶喷出口，大气模拟环境舱设置有进气口及出气口。该技术方案采用透射式能见度仪作为标准，模拟舱长度受透射式能见度仪的基线限制，普遍需10米到50米长。长的舱体内部环境的均匀性很难保证，而且对场地要求高，投入大，很难普遍应用。

发明内容

为了解决现有技术中前向散射能见度的校准模拟舱基线过长、对场地要求高，很难普遍应用的技术问题，本发明提供一种小型前向散射能见度仪校准系统，达到大大缩小检测系统的体积，用粒径一致的单分散气溶胶颗粒作为能见度模拟介质，检测实验更具有重复性的目的。

本发明的技术方案是：一种小型前向散射能见度仪校准系统，它包括：模拟舱，为密闭腔体结构，带有空气净化系统，用于调节密闭腔体内能见度；颗粒物发生器，用于向模拟舱密闭腔体投放单分散固体气溶胶颗粒物；搅拌风扇，使模拟舱密闭腔体内的颗粒物均匀分布；能见度测量参考模块，用于给出能见度标准参考值，对被校准仪器进行对比或修正；计算机，位于模拟舱密闭腔体外，与能见度测量参考模块电连接，用于处理、显示数据；能见度测量参考模块基于腔增强原理，使得模拟舱密闭腔体内能见度测量基线缩短至0.5米以内。采用单分散固体气溶胶颗粒物作为能见度环境模拟介质，颗粒物粒径一致，固体颗粒与液体颗粒相比更稳定，使校准、检测实验更具有重复性。大大缩小了能见度仪校准舱体的体积，降低了成本。

作为优选，能见度测量参考模块包括成“凹”形的腔体结构的外壳，外壳腔体内设有激光器、半透半反镜、反射镜、光电倍增管、数据采集卡和光电探测器，位于外壳凹陷处设有一对腔镜，形成谐振腔，激光器发出的光束经过半透半反镜分为两束光，光束Ⅰ入射到光电探测器，光束Ⅱ经过反射镜反射后，入射到谐振腔，在谐振腔内经过多次反射后入射到光电倍增管，光电探测器、光电倍增管输出的电信号输入给数据采集卡，数据采集卡输出调制信号给激光器，用于强度调制，数据采集卡与计算机电连接，计算机通过软件锁相运算，还原出光电探测器和光电倍增管的信号幅值。

作为优选，腔镜外设有保护气罩，保护气罩设有相互连通的气道和腔镜孔，气道贯通保护气罩上下表面，腔镜孔贯通保护气罩左右表面，腔镜位于腔镜孔内；形成保护镜面的气层，使镜面不会被颗粒物污染，避免镜面反射率降低，保证探测精度。

作为优选，激光器与半透半反镜之间设有由凸透镜Ⅰ和凸透镜Ⅱ组成的光束整形镜组，凸透镜Ⅱ的焦距是凸透镜Ⅰ焦距的3-5倍，凸透镜Ⅰ和凸透镜Ⅱ之间的距离是两个凸透镜焦距之和；对光束进行扩束，信号波动小，随机误差小。

作为优选，气道截面右侧内表面为光面，左侧内表面成W形，以腔镜孔中轴线为对称轴对称布置。

作为优选，气道长度为L，气道截面右侧内表面截面轮廓线为直线、左侧内表面截面轮廓线由直线AB段、圆弧BC段和直线CD段连接而成，轮廓线直线AB段与右侧内表面截面轮廓线平行，距离为H1；左侧内表面截面轮廓线与右侧内表面截面轮廓线最近距离为H2、最远距离为H3，最远距离H3位于截面左侧内表面截面轮廓线对称轴上；轮廓线直线CD段与右侧内表面截面轮廓形成夹角α；L为10-15mm、H1为5-10mm、H2为0.5-1.5mm、H3为1-3mm、α为3°-5°；进入腔镜孔气流流速加快，减小保护气的发散角和周围空气回流，更好地保护镜面。

作为优选，保护气罩使用的气体为纯氮气，进气流量为2-3L/min，出气流量为0.1-0.5L/min；形成保护气层，防止保护气从通光孔大量流出造成实验误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用单分散固体气溶胶颗粒物作为能见度环境模拟介质，颗粒物粒径一致，固体颗粒与液体颗粒相比更稳定，不易吸附、团聚，使校准、检测实验更具有重复性。基于腔增强原理的能见度测量参考模块可以将测量基线缩短至0.5米以内，大大缩小了能见度仪校准模拟舱体的体积，降低成本，同时也使得模拟舱内部颗粒物分布更加均匀。能见度测量参考模块采用开放式光路，与封闭式光路相比，避免了颗粒物在腔体内部的沉积，以及对能见度环境的破坏。腔镜的镜面采用特制的保护气罩保护，在保护镜片的同时，将保护气抽走，避免混入到测量区域对能见度产生影响。

附图说明

附图1为本发明连接示意图；

附图2为能见度测量参考模块连接示意图；

附图3为图2中E-E剖视图。

图中：1-模拟舱；2-颗粒物发生器；3-搅拌风扇；4-能见度测量参考模块；5-计算机；6-被校准仪器；401-激光器；402-隔离器；403-光束整形镜组；404-半透半反镜；405-反射镜；406-窗口片；407-腔镜；408-保护气罩；409-凸透镜；410-滤光片；411-光电倍增管；412-数据采集卡；413-光电探测器；414-外壳；4031-凸透镜Ⅰ；4032-凸透镜Ⅱ；4081-气道；4082-腔镜孔。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1-3所示，一种小型前向散射能见度仪校准系统，它包括：模拟舱1、颗粒物发生器2、搅拌风扇3、能见度测量参考模块4和计算机5。模拟舱1为矩形密闭腔体结构。模拟舱1最小尺寸为长2m、宽1m、高1m、带有空气净化功能，用于调节密闭腔体内能见度。颗粒物发生器2型号为TSI3475，位于模拟舱1外，通过管子与模拟舱1密闭腔体内连通，用于向模拟舱1密闭腔体投放单分散固体气溶胶颗粒物。单分散固体气溶胶颗粒物直径为0.3um-8um。单分散固体气溶胶颗粒物作为能见度环境模拟介质。搅拌风扇3有四个，分布在模拟舱1密闭腔体内的四个角落。对角位置的搅拌风扇3高低交错，扇面平行，使风向平行，在模拟舱1密闭腔体内形成两股交错的环形空气流动动力，使得单分散固体气溶胶颗粒物均匀分布。能见度测量参考模块4，位于模拟舱1密闭腔体内。能见度测量参考模块4包括成“凹”形的腔体结构的外壳414。外壳414腔体内设有激光器401、隔离器402、光束整形镜组403、半透半反镜404、反射镜405、窗口片406、凸透镜409、滤光片410、光电倍增管411、数据采集卡412和光电探测器413。激光器401、隔离器402、光束整形镜组403和半透半反镜404依次排列。激光器401采用532nm的激光器，功率200mW，光束发散角小于1.5mrad，光斑约1mm。由于激光发散角很小，近似平行光。隔离器402用于防止激光被镜面反射回激光器导致噪声。光束整形镜组403由凸透镜Ⅰ4031和凸透镜Ⅱ4032组成。凸透镜Ⅰ4031靠近激光器401。由于激光束近似平行光，光束整形镜组403只需对光束进行扩束即可。凸透镜Ⅰ4031和凸透镜Ⅱ4032之间的距离是两个凸透镜焦距之和。凸透镜Ⅱ4032的焦距是凸透镜Ⅰ4031焦距的3-5倍，这样，可以将光束放大到3mm-5mm。位于外壳414凹陷处设有一对腔镜407。一对腔镜407之间的距离为40cm。腔镜407的凹面为反射面，激光波长对应的波段反射率不低于99.9％。腔镜407为平凹高反镜。两块平凹高反射镜组成谐振腔。窗口片406有一对，分别位于外壳414凹陷处的侧壁。谐振腔位于两个窗口片406之间。反射镜405、一对窗口片406和一对腔镜407共轴。凸透镜409将透射光会聚到光电倍增管411的探测面。滤光片410的峰值透过波长与激光器401波长相对应，消除外界光干扰。腔镜407外设有保护气罩408。保护气罩408设有气道4081和腔镜孔4082。气道4081贯通有保护气罩408上下表面。腔镜孔4082贯通有保护气罩408左右表面。腔镜孔4082为圆孔，腔镜407位于腔镜孔4082内。气道4081两端为圆孔。气道4081截面右侧内表面为光面，左侧内表面成W形，以腔镜孔4082中轴线为对称轴对称布置。图3为气道4081的截面图，如图所示：气道4081截面右侧内表面截面轮廓线为直线。气道4081左侧内表面截面轮廓线由直线AB段、圆弧BC段和直线CD段连接而成。轮廓线ABCD以腔镜孔4082中轴线为对称轴对称布置。轮廓线直线AB段与右侧内表面截面轮廓线平行，距离为H1，H1为8mm。左侧内表面截面轮廓线与右侧内表面截面轮廓线最近距离为H2、最远距离为H3，最远距离H3位于截面左侧内表面截面轮廓线对称轴上。左侧内表面截面轮廓线与右侧内表面截面轮廓线最近点为C点、最远点为D点。H2为1mm、H3为2mm。轮廓线直线CD段与右侧内表面截面轮廓形成夹角α，α为5°。保护气罩408使用的气体为氮气。氮气从进气口进入，进气流量为2.5L/min。从出气口流出，出气流量为0.3L/min。计算机5，位于用于模拟舱1密闭腔体外，与能见度测量参考模块4电连接，用于处理、显示数据。

能见度测量参考模块4基于腔增强原理，使得模拟舱1密闭腔体内能见度测量基线缩短至0.5米以内。激光器40发出的光束经过隔离器402射入光束整形镜组403，光束整形镜组403将光束放大后射入半透半反镜404。半透半反镜404将光束分为光束Ⅰ和光束Ⅱ两束光。光束Ⅰ入射到光电探测器413。光电探测器413将光信号转换成电信号输出给数据采集卡412。光束Ⅱ经过反射镜405反射后从左边的窗口片406射出外壳414，穿过左边的腔镜407，射入谐振腔。光束在谐振腔两块腔镜407之间来回多次反射，谐振腔内的单分散固体气溶胶颗粒物对光进行消光。当光多次反射时，谐振腔内的颗粒物获得很长的吸收路径，使得腔增强光谱具有很高的探测灵敏度。有效吸收路径L＝d/(1-R)，d是一对腔镜407间的距离，R反射率，若反射率为0.999，想要获得50m的有效吸收路径，则反射镜的距离只需要5cm，而透射式能见度仪需要50m。光束在谐振腔经过多次反射，最后出射光依次穿过右边的腔镜407、右边的窗口片406、凸透镜409、滤光片410入射到光电倍增管411。光电倍增管411将光信号转换成电信号输出给数据采集卡412。数据采集卡412输出调制信号给激光器401，用于激光变成脉冲光。数据采集卡412将电压信号传输给计算机5。由于信号非常微弱，微伏量级，远低于噪声，所以，从数据采集卡412直接采集到的数据，是无法直接得到想要的信号。计算机5用labview软件，借助锁相运算的程序，从采集卡的信号中提取出光强信号，还原出光电探测器413参考光幅值和光电倍增管411的测量光幅值。

根据柯西米德定律，能见度表达式为

σ-消光系数。

能见度的测量归根结底是消光系数的测量。腔增强激光测量消光系数的原理：两块平凹高反射镜(腔镜407)组成谐振腔，光束在两块反射镜之间来回多次反射，谐振腔内的气溶胶颗粒对光进行消光，当光多次反射时，谐振腔内的颗粒物获得很长的吸收路径，使得腔增强光谱具有很高的探测灵敏度。通过测量光强的衰减，可得到消光系数，计算式为：

R-腔镜反射率；

d-腔镜间距离；

I₀-无颗粒物时的测量光强；

I-有颗粒物时的测量光强；

为了避免激光光源波动带来测量误差，增加了参考光束Ir，利用Ir对测量光强进行实时修正，可避免光源波动带来的影响，修正后的消光系数为

模拟舱1内的能见度为V：

腔镜407在实际使用时，实际反射率与标称反射率有差别，可通过NO₂标定得到。经实验，模拟舱1可产生10m-10000m的能见度环境。能见度测量参考模块4在2000m以内的测量不确定度不大3％(k＝2)。被校准仪器6放置在模拟舱1内，被校准仪器6所在区域与能见度测量参考模块4所在区域位于同一水平线。

下面为前向散射能见度仪VAISALA PWD20的校准实验及结果。在能见度为100m，500m，1000m三个测量点附近测量，步骤如下：

步骤一：将被校准仪器6通过支架固定在模拟舱1内，测量区域与能见度测量参考模块4的测量区域位于同一水平线。关闭舱门，对舱内空气进行净化，当能见度测量参考模块4的能见度值不再升高时，读取此时的k₀值，输入到测量软件，进行初始化。

步骤二：在模拟舱1中通入单分散固体气溶胶颗粒物，同时开启搅拌风扇3，当能见度测量参考模块4测量的能见度值达到100m左右时，关闭颗粒物通道，待稳定后，记录测量点1的数据，每隔1分钟读取一次标准能见度值Vsi、被被校准仪器6的测量能见度值Vmi，共读取6组(i＝1,2,3,4,5,6)。

步骤三：开启模拟舱1的空气净化开关，使能见度升高，当能见度测量参考模块4的能见度测量值达到500m附近时，关闭空气净化开关，重复步骤二，得到测量点2处的数据。

步骤四：开启模拟舱1空气净化开关，当能见度测量参考模块4能见度测量值达到1000m附近时，关闭空气净化开关，重复步骤二，得到测量点3处的校准数据。

取每个测量点处6组数据的示值误差平均值作为该点附近的示值误差，计算式为

下表是校准结果。V_s为能见度测量参考模块4的测量值，V_m为被校准仪器6的测量值，ΔV_r为相对误差，

为平均相对误差。

Claims

1.一种小型前向散射能见度仪校准系统，其特征在于：它包括，模拟舱（1），为密闭腔体结构，带有空气净化系统，用于调节密闭腔体内能见度；颗粒物发生器（2），用于向模拟舱（1）密闭腔体投放单分散固体气溶胶颗粒物；搅拌风扇（3），使模拟舱（1）密闭腔体内的颗粒物均匀分布；能见度测量参考模块（4），用于给出能见度标准参考值，对被校准仪器进行对比或修正；计算机（5），位于模拟舱（1）密闭腔体外，与能见度测量参考模块（4）电连接，用于处理、显示数据；所述能见度测量参考模块（4）基于腔增强原理，使得模拟舱（1）密闭腔体内能见度测量基线缩短至0.5米以内；

所述能见度测量参考模块（4）包括成“凹”形的腔体结构的外壳（414），外壳（414）腔体内设有激光器（401）、半透半反镜（404）、反射镜（405）、光电倍增管（411）、数据采集卡（412）和光电探测器（413），位于外壳（414）凹陷处设有一对腔镜（407），形成谐振腔，所述激光器（401）发出的光束经过半透半反镜（404）分为两束光，光束Ⅰ入射到光电探测器（413），光束Ⅱ经过反射镜（405）反射后，入射到谐振腔，在谐振腔内经过多次反射后入射到光电倍增管（411），光电探测器（413）、光电倍增管（411）输出的电信号输入给数据采集卡（412），数据采集卡（412）输出调制信号给激光器（401），用于强度调制，数据采集卡（412）与计算机（5）电连接，计算机（5）通过软件锁相运算，还原出光电探测器和光电倍增管的信号幅值；

所述腔镜（407）外设有保护气罩（408），保护气罩（408）设有相互连通的气道（4081）和腔镜孔（4082），气道（4081）贯通保护气罩（408）上下表面，腔镜孔（4082）贯通保护气罩（408）左右表面，所述腔镜（407）位于腔镜孔（4082）内；

所述气道（4081）截面右侧内表面为光面，左侧内表面成W形，以腔镜孔（4082）中轴线为对称轴对称布置。

2.根据权利要求1所述的一种小型前向散射能见度仪校准系统，其特征在于：所述激光器（401）与半透半反镜（404）之间设有由凸透镜Ⅰ（4031）和凸透镜Ⅱ（4032）组成的光束整形镜组（403），凸透镜Ⅱ（4032）的焦距是凸透镜Ⅰ（4031）焦距的3-5倍，凸透镜Ⅰ（4031）和凸透镜Ⅱ（4032）之间的距离是两个凸透镜焦距之和。

3.根据权利要求1所述的一种小型前向散射能见度仪校准系统，其特征在于：气道（4081）长度为L，气道（4081）截面右侧内表面截面轮廓线为直线、左侧内表面截面轮廓线由直线AB段、圆弧BC段和直线CD段连接而成，轮廓线直线AB段与右侧内表面截面轮廓线平行，距离为H1；左侧内表面截面轮廓线与右侧内表面截面轮廓线最近距离为H2、最远距离为H3，最远距离H3位于截面左侧内表面截面轮廓线对称轴上；轮廓线直线CD段与右侧内表面截面轮廓形成夹角α；L为10-15mm、H1为5-10mm、H2为0.5-1.5mm、H3为1-3mm、α为3°-5°。

4.根据权利要求1所述的一种小型前向散射能见度仪校准系统，其特征在于：所述保护气罩（408）使用的气体为纯氮气，进气流量为2-3L/min，出气流量为0.1-0.5L/min。