CN108896449B - 一种气溶胶同步测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气溶胶同步测量系统，其包括：光路模块、气路模块、腔体模块、光声光谱信号处理模块、腔衰荡信号处理模块和控制模块，光路模块包括激光器、隔离器、准直光阑组以及多级转向光通路；腔体模块包括缓冲腔和光声池；光声光谱信号处理模块包括微音器，微音器外接放大器；腔衰荡信号处理模块包括光电探测器以及外接的放大器和采集卡；控制模块包括控制器、对采集到的信号进行处理的计算机以及电源组。通过在同一腔体中同时实现对大气气溶胶的腔衰荡和光声光谱的测量，在同一本体、同一背景下完成参数测量，实现同步一体化获取气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数，降低误差，从而精确的获取大气气溶胶的光学性质。

Description

一种气溶胶同步测量系统

技术领域

本发明涉及气体监测技术领域，尤其涉及一种气溶胶同步测量系统。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮在空气中的固体或液体微粒，大气气溶胶不仅影响大气辐射和气候变化，还影响军事、无线激光通信和环境领域，严重的二次气溶胶将导致环境污染，故掌握其化学特性具有重要的意义。采用光学方法对其进行特性研究是研究大气气溶胶化学特性的重要途径，同时获取气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数是获取气溶胶单次散射反照率等光学性质的重要手段。但大气气溶胶具有极大的时间和空间变率，且不确定性较大，采用不同技术在不同设备上测量同一对象时，得出的结果会出现较大的误差。

发明内容

本发明提供了一种气溶胶同步测量系统，旨在减少测量误差，以精确的获取大气气溶胶的光学性质。

本发明提供了一种气溶胶同步测量系统，其包括：

光路模块，所述光路模块包括激光器，所述激光器的激光发射方向上依次设有隔离器和准直光阑组以及设于所述隔离器和准直光阑组之间用于改变激光路线的多级转向光通路；

腔体模块，所述腔体模块包括可供所述激光穿过的多个缓冲腔，所述缓冲腔之间设有光声池；

气路模块，用于对所述腔体模块提供测量用气体；

光声光谱信号处理模块，所述光声光谱信号处理模块包括与所述光声池相连的微音器以及与所述微音器外接的锁相放大器；

腔衰荡信号处理模块，所述腔衰荡信号处理模块包括光电探测器，所述光电探测器设于所述激光的方向上最末端的所述缓冲腔的端头，所述光电探测器依次外接放大器和采集卡；以及，

控制模块，所述控制模块包括对上述电子元件进行控制的控制器、对采集到的信号进行处理的计算机以及电源组。

本发明实施例通过在同一腔体中同时实现对大气气溶胶的腔衰荡和光声光谱的测量，在同一本体、同一背景下完成参数测量，实现同步一体化获取气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数，降低误差，从而精确的获取大气气溶胶的光学性质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的调节架的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的固定架的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的缓冲腔的结构图；

图5是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的光声池的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的控制器的控制示意图；

图7是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的固定支架的截面示意图；

图8是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的微音器密封件的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的模块示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1和图9，图1是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的结构示意图，图9是本发明实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的模块示意图，其包括光路模块、气路模块、腔体模块、光声光谱信号处理模块、腔衰荡信号处理模块以及控制模块，光路模块，用于提供激光；光路模块包括激光器，激光器的激光发射方向上依次设有隔离器和准直光阑组以及设于隔离器和准直光阑组之间用于改变激光路线的多级转向光通路；腔体模块包括可供激光穿过的多个缓冲腔，缓冲腔之间设有光声池；气路模块用于对腔体模块提供测量用气体；光声光谱信号处理模块包括与光声池相连的微音器以及与微音器外接的锁相放大器；腔衰荡信号处理模块包括光电探测器，光电探测器设于激光的方向上最末端的缓冲腔的端头，光电探测器依次外接放大器和采集卡；控制模块包括对上述电子元件进行控制的控制器、对采集到的信号进行处理的计算机以及电源组。

通过在同一腔体中同时实现对大气气溶胶的腔衰荡和光声光谱的测量，在同一本体、同一背景下完成参数测量，实现同步一体化获取气溶胶的消光系数、吸收系数和散射系数，降低误差，从而精确的获取大气气溶胶的光学性质，同时设置多级转向光通路可有效节约设备占用空间，对各种测验环境的适应性强。

参见图1，在本实施例提供的一种气溶胶同步测量系统的结构示意图中，光路模块包括激光器2，激光器2的激光发射方向上依次设有隔离器3和准直光阑组6；气路模块包括用于输送保护气体的第一气路模块以及用于输送待测气体的第二气路模块，第一气路模块包括存储保护气体的存储罐21、将保护气体的输送管道进行分流的三通管22、以及设于三通管22的两个出口连接管上用于控制保护气体流量的流量控制器23、25，第二气路模块包括连接于待测气体输入管道上的三通电磁阀28，三通电磁阀28的第一出口的连接管上依次设有流量控制器30和温湿度计31，三通电磁阀28的第二出口连接管并联于三通电磁阀的第一出口与流量控制器30之间，第二出口连接管上设有过滤器29；腔体模块包括可供激光器2的激光穿过的第一缓冲腔11和第二缓冲腔15，以及夹设于第一缓冲腔11和第二缓冲腔15之间的光声池12，第一缓冲腔11的激光入射端的端头设有第一高反镜7，第二缓冲腔15的激光射出端头设有第二高反镜19，第一高反镜7内侧的第一缓冲腔11的内壁上朝内依次设有与三通管22的一个出口连接管(图中2101)相连的第一进气口24和用于输入待测气体的第二进气口32，第二高反镜19内侧的第二缓冲腔15的内壁上朝内依次设有与三通管22的另一个出口连接管(2102)相连的第三进气口26和用于抽出待测气体的出气孔33，第一进气口24和第二进气口32之间以及第三进气口26和出气口33之间均设有隔离光阑(10和16)；光声光谱信号处理模块包括与光声池12相连的两个微音器13和14，微音器13和14外接有锁相放大器3901；腔衰荡信号处理模块包括设于第二高反镜19外侧的第二缓冲腔15端头的光电探测器20，光电探测器20依次外接放大器3902和采集卡3903；控制模块包括对上述电子元件进行控制的控制器1、对采集到的信号进行处理的计算机3904以及电源组(4001-4005)。

具体地，在进行大气气溶胶测验前，向高反镜和隔离光阑之间的腔体内吹扫保护气体(如第一高反镜9和隔离光阑10之间的腔体)，以备在后续测试中对高反镜镜面进行保护，保护气体自第一进气口24和第二进气口26进入对应的腔体。待测气体从输送口27进入，依次经三通电磁阀28、流量控制器30和温湿度计31至第三进气口32，从第三进气口32进入第一缓冲腔11内，在经由光声池12至第二缓冲腔15内，最后由抽气泵34在出气口33处抽离。在整个腔体内的保护气体和待测气体达到预定要求后，启动激光器2，激光器2的激光依次经由隔离器3和准直光阑组6水平射入腔体内，激光自第一缓冲腔11的端头沿着腔体的中线水平射入，依次通过第一高反镜7、隔离光阑10、穿过第一缓冲腔11进入光声池12、进入第二缓冲腔15后通过隔离光阑16、第二高反镜19和光电探测仪20后离开测量腔体。光声池12的侧壁设有两个微音器(13和14)，微音器13和14采集到的信号进入锁相放大器3901后，将信号输出到计算机3904进行显示。光电探测仪20采集到的信号经放大器3902放大后进输送至采集卡3903，经由采集卡3903将采集到的信号数字化后倒入计算机3904进行显示。在经过本发明实施例提供的系统测量后可实现以下数据的获取。

具体地，腔衰荡技术基于朗伯比尔(lambert-Beer)定律，采用高反镜多次反射增加光程的方式提高探测能力，通过其计算消光系数的表达式为：

在表达式1-1中，α_ext为消光系数，d为腔体实际长度，Ls为样品长度，c为光速，τ(v)为样品气体衰荡时间，τ₀为本底衰荡时间。

具体地，光声光谱是通过吸收激发，从而在无辐射跃迁过程中产生热，造成周期性的压力波动形成声波，不受散射光等因素干扰，通过其计算待测气体的吸收系数的表达式为：

在表达式1-2中：S_PA为光声信号幅值，S_m为麦克风响应灵敏度，C_cell为光声池的池常数，α_abs为待测气体吸收系数，P_laser为激光光功率的峰值。

具体地，运行系统，控制接三通电磁阀28的控制支路信号，使三通电磁阀28动作，待测气体不通过过滤器29，经过数字式质量流量控制器30和温湿度计31进入缓冲腔，此时，待测气体可认为是气体和气溶胶的混合气体，对激光有影响的包括气溶胶的散射系数和吸收系数，以及特定气体和本底的吸收系数，特定气体和使用的波长相关。此时，衰荡腔测量的是混合气体的消光系数，光声光谱测量的是气溶胶、特定气体和本底的吸收系数，两者消减即为气溶胶的散射系数。以此来获取气溶胶的散热系数的过程表达式为：

α_混ext＝α_{气溶胶scat}+α_气溶胶abs+α_{特定气体abs}+α_本底 (1-3)

α_CRD＝α_混ext (1-4)

α_PAS＝α_气溶胶abs+α_{特定气体abs}+α_本底 (1-5)

α_{气溶胶scat}＝α_CRD-α_PAS (1-6)

在表达式(1-3)至(1-6)中：α_混ext为混合气体的消光系数，α_{气溶胶scat}为待测气溶胶的散热系数，α_气溶胶abs为待测气溶胶的吸收系数，α_{特定气体abs}为特定气体(保护气体)的吸收系数，α_本底为测量腔体内部本底的吸收系数，α_PAS是光声光谱测量的吸收系数，其为气溶胶、特定气体和本底的吸收系数之和，α_CRD是衰荡腔测量消光系数，其为混合气体的消光系数。

具体地，运行系统，控制接三通电磁阀28控制支路1信号，使三通电磁阀28动作，待测气体通过过滤器29，经过数字式质量流量控制器30和温湿度计31进入缓冲腔，此时，衰荡腔测量的只有特定气体和本底的吸收系数，与混合气体的消光系数之差即为气溶胶的消光系数。以此来获取气溶胶的散热系数的推断过程表达式为：

α_混ext1＝α_{特定气体abs}+α_本底 (1-7)

α_气溶胶ext＝α_混合ext-α_混合ext1＝α_{气溶胶scat}+α_气溶胶abs (1-8)

由于吸收系数等于消光系数减去散射系数，故上式与前测散射系数之差为气溶胶的吸收系数，其表达式为：

α_{气溶胶scat}＝α_气溶胶ext-α_气溶胶abs (1-9)

在表达式(1-7)至(1-9)中：α_混ext1为过滤后的混合气体的消光系数，α_{气溶胶scat}为待测气溶胶的散热系数，α_气溶胶abs为待测气溶胶的吸收系数，α_{特定气体abs}为特定气体(保护气体)的吸收系数，α_本底为测量腔体内部本底的吸收系数。

进一步地，大气气溶胶单次散射反照率也可通过本方案所的测量数据进行获取，单次散射反照率为散射系数与总消光系数的比值。

在一实施例中，多级转向光通路包括多个反射镜以及用于固定反射镜的镜架，反射镜在镜架上的位置以及反射镜的镜面角度均为可调，可例如图1中的反射镜4和5，通过反射镜4和5实现激光光路的转向，以满足更多实验场景的需要，适应性强，同时，通过在镜架上对反射镜进行调整可快速对激光光路的走向进行调整，校准方便，效率高。

在一实施例中，第一缓冲腔11和第二缓冲腔15包括用于固定及保护第一高反镜7和第二高反镜19的固定架(9和17)，以及对第一高反镜7和第二高反镜19进行调节的调节架(8和18)，固定架9和17分别连接于第一缓冲腔11和第二缓冲腔15的腔体的端部，第一进气口24和第二进气口26开设于固定架9和17的侧壁上。

具体地，固定架9对应固定保护第一高反镜7，其设于第一缓冲腔11的端部，第一高反镜7对应设有用于对高反镜镜面进行调节的调节架8，第一进气口24对应为第一高反镜7提供保护气体；固定架17对应固定保护第二高反镜19，其设于第二缓冲腔15的端部，第二高反镜19对应设有用于对高反镜镜面进行调节的调节架18，第二进气口26对应为第二高反镜19提供保护气体。

参见图2，在一实施例中，调节架(8/18)包括第一固定孔801、垫片放置孔802、通光孔803、调节螺纹孔804以及调节杆固定螺纹孔805，调节架(8/18)通过第一固定孔801与固定架(9/17)相连，调节杆806自调节螺纹孔804伸入，调节杆806通过调节杆固定螺纹孔805进行锁紧，通光孔803为激光光路通孔。

具体地，调节架8通过第一固定孔801与固定架9相连，第一固定孔801可使用连接螺钉进行连接，激光自通光孔803射入，通过调节调节杆806对高反镜的镜面进行调节，来控制激光射入的方向。

参见图3，在一实施例中，固定架(9/17)包括第二固定孔901、与第一固定孔802对应的固定螺纹孔902、密封圈槽903、用于固定高反镜的第三固定孔904以及用于安置固定圆环形垫片906的第四固定孔905，固定架9通过第二固定孔901与第一缓冲腔11相连，调节杆806伸入第四固定孔905内调节第一高反镜7平面，控制激光沿水平对中穿过第一高反镜7。

参见图4，在一实施例中，第一缓冲腔11包括第一固定挂耳1101、第一密封圈槽1102、与第二固定孔901对应的第五固定孔1103、第二密封圈槽1105以及第六固定孔1106，第五固定孔1103设于第一固定挂耳1101上，第一密封圈槽1102内设有用于实现第一缓冲腔11与固定架9之间气路密封的密封圈，第二密封圈槽1105内设有用于实现第一缓冲腔11与光声池12之间气路密封的密封圈，第六固定孔1106用于实现第一缓冲腔11与光声池12之间的连接。

参见图5在一实施例中，光声池12两侧设有光声池固定挂耳1104，光声池固定挂耳1104上开设有与第一缓冲腔11和第二缓冲腔15相固定的安装孔和用于安置密封圈的密封圈槽，光声池12的侧壁开设有用于安装微音器13和14的安装孔。

参见图8在一实施例中，安装孔处设有微音器密封件，密封件上开设有微音器安装孔密封圈槽12031、用于固定密封件的密封件固定孔12032以及供微音器密插入的微音器孔12033。

参见图6在一实施例中，控制器1输出控制信号经四通接头107转接为第一转接信号101、第二转接信号102和第三转接信号103，第一转接信号101作为调制激光器支路控制激光器2，第二转接信号102和第三转接信号103作为双路锁相放大器3901锁频支路的控制频率；控制器1输出激发信号经三通接头108转接为第四转接信号105和第五转接信号106，第四转接信号105作为接三通电磁阀28控制支路控制进气是否经过过滤器29，第五转接信号106作为接采集卡3电磁阀控制信号支路控制采集卡3903，控制器1的触发支路104同时用于触发采集卡3903。

在一实施例中，微音器13和14接收到的信号进入锁相放大器3901，锁相放大器3901经第二转接信号102和第三转接信号103控制，输出信号至计算机3904显示。

参见图7，在一实施例中，还包括用于安置腔体模块、光路模块以及气路模块的固定支架35。

具体地，固定支架35用于对整个系统进行支撑，固定支架35设有对应上述光学元器件(如隔离器3、准直光缆组6等)的光学镜架，固定支架35可例如采用间隔的托架，或采用整体式的连体架。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种气溶胶同步测量系统，其特征在于，包括：

光路模块，所述光路模块包括激光器，所述激光器的激光发射方向上依次设有隔离器和准直光阑组以及设于所述隔离器和准直光阑组之间用于改变激光路线的多级转向光通路；

腔体模块，所述腔体模块包括可供所述激光穿过的多个缓冲腔，所述缓冲腔之间设有光声池；

气路模块，用于对所述腔体模块提供测量用气体，所述气路模块包括用于输送保护气体的第一气路模块以及用于输送待测气体的第二气路模块，所述第一气路模块包括存储所述保护气体的存储罐、将所述保护气体的输送管道进行分流的三通管、以及设于所述三通管的两个出口连接管上用于控制所述保护气体流量的流量控制器，所述第二气路模块包括连接于所述待测气体输入管道上的三通电磁阀，所述三通电磁阀的第一出口连接管上依次设有流量控制器和温湿度计，所述三通电磁阀的第二出口连接管并联于所述三通电磁阀的第一出口与所述流量控制器之间，所述第二出口连接管上设有过滤器；

光声光谱信号处理模块，所述光声光谱信号处理模块包括与所述光声池相连的微音器以及与所述微音器外接的锁相放大器；

腔衰荡信号处理模块，所述腔衰荡信号处理模块包括光电探测器，所述光电探测器设于所述激光的方向上最末端的所述缓冲腔的端头，所述光电探测器依次外接放大器和采集卡；以及，

控制模块，所述控制模块包括控制器、对采集到的信号进行处理的计算机以及电源组，所述控制器用于对所述光路模块、所述气路模块、所述光声光谱信号处理模块以及所述腔体信号处理模块内的电子元件进行控制；

其中，所述腔体模块包括可供所述激光穿过的第一缓冲腔和第二缓冲腔，以及夹设于所述第一缓冲腔和第二缓冲腔之间的光声池，所述第一缓冲腔的光束入射端的端头设有第一高反镜，所述第二缓冲腔的光束射出端头设有第二高反镜，所述第一高反镜内侧的所述第一缓冲腔的内壁上朝内依次设有与所述三通管的一个出口连接管相连的第一进气口和用于输入待测气体的第二进气口，所述第二高反镜内侧的所述第二缓冲腔的内壁上朝内依次设有与所述三通管的另一个出口连接管相连的第三进气口和用于抽出待测气体的出气口，所述第一进气口和所述第二进气口之间以及所述第三进气口和所述出气口之间均设有隔离光阑。

2.根据权利要求1所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述第一缓冲腔和所述第二缓冲腔包括用于固定及保护所述第一高反镜和所述第二高反镜的固定架，以及对所述第一高反镜和第二高反镜进行调节的调节架，所述固定架连接于所述第一缓冲腔和所述第二缓冲腔的腔体的端部，所述第一进气口和所述第二进气口开设于所述固定架的侧壁上。

3.根据权利要求2所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述调节架包括第一固定孔、垫片放置孔、通光孔、调节螺纹孔以及调节杆固定螺纹孔，所述调节架通过所述第一固定孔与所述固定架相连，调节杆自所述调节螺纹孔伸入，所述调节杆通过所述调节杆固定螺纹孔进行锁紧，所述通光孔为光束光路通孔。

4.根据权利要求3所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述固定架包括第二固定孔、与所述第一固定孔对应的固定螺纹孔、密封圈槽、用于固定所述高反镜的第三固定孔以及用于安置固定圆环形垫片的第四固定孔，所述固定架通过所述第二固定孔与所述第一缓冲腔相连，所述调节杆伸入所述第四固定孔内调节高反镜平面，控制激光沿水平对中穿过高反镜。

5.根据权利要求4所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述第一缓冲腔包括第一固定挂耳、第一密封圈槽、与所述第二固定孔对应的第五固定孔、第二密封圈槽以及第六固定孔，所述第五固定孔设于所述第一固定挂耳上，所述第一密封圈槽内设有用于实现所述第一缓冲腔与所述固定架之间气路密封的密封圈，所述第二密封圈槽内设有用于实现所述第一缓冲腔与所述光声池之间气路密封的密封圈，所述第六固定孔用于实现所述第一缓冲腔与所述光声池之间的连接。

6.根据权利要求1所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述控制器输出控制信号经四通接头转接为第一转接信号、第二转接信号和第三转接信号，所述第一转接信号作为调制光束支路控制所述激光，所述第二转接信号和第三转接信号作为所述锁相放大器锁频支路的控制频率；所述控制器输出激发信号经三通接头转接为第四转接信号和第五转接信号，所述第四转接信号作为接三通电磁阀控制支路控制进气是否经过所述过滤器，所述第五转接信号作为接采集卡电磁阀控制信号支路控制所述采集卡。

7.根据权利要求6所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述微音器接收到的信号进入所述锁相放大器，所述锁相放大器经第二转接信号和第三转接信号控制，输出信号至所述计算机进行显示。

8.根据权利要求1所述的气溶胶同步测量系统，其特征在于，所述多级转向光通路包括多个反射镜以及用于固定所述反射镜的镜架，所述反射镜在所述镜架上的位置以及所述反射镜的镜面角度均为可调。