CN108931489B - 一种基于led光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统 - Google Patents

一种基于led光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统 Download PDF

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于LED光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。本发明系统由LED灯、平面反射镜、主凹面镜、角反射镜、次镜、光纤、光谱仪以及电脑等构成。LED灯在平面镜产生的虚像位于主凹面镜焦点附近，光束经主凹面镜准直后进入到大气中，经一段距离传输后到达角反射镜，光束被沿原路反射回主凹面镜，再由次镜聚焦后汇聚到光纤中，通过光谱仪分光及光电转换后得到吸收光谱信息；使用最小二乘法对光谱进行解析，将标定后的NO2标准吸收光谱作为乙二醛反演的拟合项，以降低NO2对乙二醛分析的干扰，从而达到对大气中乙二醛浓度的精准测量。

Description

一种基于LED光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱 系统
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。
背景技术
乙二醛是一种存在于大气中的最小α二羰基物质，主要来源于生物质燃烧的直接排放以及挥发性有机物（VOCs）与OH自由基的氧化反应，氧化过程中还伴随着臭氧的产生。该物质的大气寿命仅为几个小时，随后又将通过与OH自由基氧化以及气溶胶表面的非均相反应进行去除，因此该物质对于大气氧化性和二次有机气溶胶形成的研究极其重要。
对于该物质的测量主要集中在色谱、质谱以及光谱技术，其中气相和液相色谱对于样品的前处理过程较为繁琐，且不能快速、实时在线测量；质谱技术对于机械真空度以及高压电源等方面要求较高，极大的增加了科研成本以及操作难度；用于测量乙二醛的光谱类技术主要为激光诱导荧光光谱（LIF）、非相干宽带光源腔增强吸收光谱（IBBCEAS）和长光程差分光学吸收光谱（LP-DOAS）。其中LIF对于真空要求较高，和质谱技术存在同样的弊端；IBBCEAS的光路调节十分精细，温度及机械振动都将影响最终的测量效果，对于仪器的维护要求过高，气体通过管路导入仪器内部也将对测量结果造成一定误差；LP-DOAS能够在不影响大气任何状态的条件下，对其进行实时在线测量，且机械结构较为简单，成本较低，操作和维护十分方便。
LP-DOAS的光源通常为氙灯，但由于氙灯的发射光谱在乙二醛吸收较强的波段（455nm附近）存在明显的光谱结构，且该结构会随着温度和电压等因素发生改变，极大的干扰了乙二醛的反演，本发明利用LED（发光二极管）灯作为光源，由于LED光源本身光谱平滑，没有尖锐的发射峰，因此，光谱本身对乙二醛的测量不造成干扰，大幅度提高了测量精度。本发明通过将LED灯直接置于光路中，通过添加一组散热装置保证其稳定工作，极大程度的提高了光能利用率。
由于乙二醛和NO2在455nm波段均有吸收，而NO2的大气浓度和吸收截面较高，且网上公开的吸收截面[1]由于仪器传递函数的差异将对乙二醛的反演造成极大干扰，本发明使用标定后的NO2标准吸收光谱作为最小二乘法的拟合项，有效地降低了这一干扰。
发明内容
本发明旨在弥补现有技术的不足，提供一种精度高、能耗低的用于测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。
本发明提供的用于测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统，是基于LED光源的，即将低能耗、高转化功率的LED灯系统置于光路中，减小散热装置的尺寸，在最低限度影响光路传播的情况下，提高返回光强，增加信噪比；通过标定实验获取干扰物质NO2的标准吸收谱，结合最小二乘法实现对乙二醛的准确反演，从而精确测量大气中乙二醛浓度。
本发明提供的基于LED光源的测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统，包括：LED灯、平面反射镜、主凹面镜、次镜、角反射镜、光纤、光谱仪以及电脑；LED灯在平面镜4产生的虚像位于主凹面镜6焦点附近，因此光束以近平行方式（浅蓝色光线）在大气中传输一段距离后到达角反射镜7，光束沿原路（深蓝色光线）反射回主凹面镜6，再由次镜5聚焦后汇聚到光纤9中，通过光谱仪10分光及光电转换后得到吸收光谱信息；使用最小二乘法对光谱进行解析，将标定后的NO2标准吸收光谱作为拟合项，以降低NO2吸收结构对乙二醛分析的干扰，从而达到对大气中乙二醛浓度的精准反演。
本发明中，所述LED灯中心波长为455~460nm，半高全宽为20~30nm，可覆盖乙二醛的主要吸收峰，其供电功率为3~5W，光能转化率20%~30%；LED灯还配备散热器与风扇，将热能及时散去，保证光源的正常工作。
本发明中，所述散热器材质为紫铜，其导热效果极佳，外形类似圆柱，减小对到达主凹面镜上光强的影响，圆柱侧面刻有密集的V形深槽，沿圆柱轴线呈环形分布（如图1），圆柱端面抛光，并钻有螺纹孔以固定LED灯，LED灯与散热器之间涂有导热硅脂。
本发明中，所述LED灯、散热器通过支杆固定在装有风扇的水平平移台上，风扇吹向散热器，通过调节水平平移台控制传输光束的尺寸，以适应距离不同的角反射镜。
本发明中，所述NO2标准吸收光谱是通过仪器标定实验获得的，通过测得同一标气浓度下，不同光程的吸收光谱，绘制拟合曲线，得到1ppb*km的标准吸收光谱，并以此作为最小二乘法中的拟合项。
本发明与现有技术相比的优点在于：传统光源为氙灯，其灯谱在乙二醛吸收峰位置有一组极强的尖峰，且强度随着温度和供电电压发生改变，在乙二醛的反演过程中，该光谱结构极大的干扰了乙二醛的反演结果，而使用LED灯作为光源，其发射光谱平滑，成功避免了由于光源本身所造成的测量误差；LED灯能耗小而光能转化率高，极大降低了热能的产生，通过配合使用合适尺寸的紫铜散热器，在不影响光路传输的情况下，保证LED灯稳定工作且有最大的返回光；使用了标定实验得到NO2的标准吸收光谱，作为最小二乘法的拟合项，减小了NO2吸收结构对乙二醛反演的干扰。
附图说明
图1为本发明装置LED灯及散热器机械图。
图2为本发明装置的光路传输过程示意图。
图3为乙二醛浓度的反演过程。
图4为使用NO2标定吸收光谱对乙二醛反演精度提高的实例。
图中标号：1为LED灯，2为散热器，3为水平平移台，4为平面镜，5为次镜，6为主凹面镜，7为角反射镜，8为光纤头，9为光纤，10为光谱仪，11为数据传输线，12为电脑，13为风扇，14为支杆，15为望远镜底板，16为支杆固定螺纹孔。
具体实施方式
如图1给出了本发明中涉及的LED灯1和散热器2，散热器2外形为圆柱体，其上下端面做抛光处理，并钻有螺纹孔以固定LED灯1，且两者之间涂有导热硅脂；散热器2侧面开有许多V型槽，沿着圆柱中轴线环形分布；侧面靠近上端面附近钻有支杆固定螺纹孔16，通过图2所示的支杆14将整套系统固定在水平平移台3上；水平平移台3上还装有风扇13，并固定在望远镜光路底板15上。散热器2和风扇13可以有效地将LED灯产生的热量散去以保证LED灯稳定工作。
保证LED灯稳定工作后，依据图2所示，LED灯1产生的发散光经镀有高反射率膜的平面镜4反射后传输至主凹面镜6，光束经过主凹面镜6准直后，以近平行光束的形式在大气中传输一段长距离，到达角反射镜7；角反射镜7将光束以原有的角度反射回至主凹面镜6，经聚焦凹面镜5汇聚到光纤头8，光纤9将返回的光信号传输到光谱仪10中，光谱仪10将光束进行分光和光电转换后通过数据传输线11将光谱信息输入到计算机12中，通过光谱采集软件及光谱反演得到光路传输过程中乙二醛的浓度。
由于网上公开的各类物质标准吸收截面是通过各类光学技术和不同型号的光谱仪测得，与本发明的实验装置的仪器传递函数存在很大差异，且NO2在大气中浓度远高于乙二醛，其吸收截面结构的准确性严重影响乙二醛的反演，本发明使用如图3所示的乙二醛反演流程对大气中乙二醛进行计算。通过测得LED灯谱和经过吸收物质后的光谱可以得到物质的吸收光谱信息，在NO2标定实验中，通过测得同一标气浓度、不同光程下的吸收光谱，以最大波峰波谷值作为纵坐标，绘制多点拟合直线，得到斜率后即可得到NO2在浓度为1ppb、光程为1km的吸收结构，即标准吸收光谱。在大气中乙二醛的测量过程中，软件采集返回光的光谱信息后得到吸收光谱，将NO2标准吸收光谱和乙二醛、水汽等物质的吸收光谱作为拟合项，使用最小二乘法对吸收光谱进行拟合，最终得到大气中乙二醛浓度信息。
下面通过一个实例用于说明标定NO2标准吸收光谱对于CHOCHO精确反演所起的作用，如下图4所示，选取一张实测（时间为2018年6月26日 17点）的吸收光谱以及灯谱，计算得到实测光谱的光学厚度（OD）值；通过NO2标准吸收光谱标定实验来获取该套实验装置的NO2标准吸收光谱，具体方式为：将同一浓度的NO2标准气体通入到不同长度的样品池中，分别获取相应的吸收光谱，选定最大波峰波谷值作为纵坐标，光程为横坐标绘制标准直线，并以此计算出1km*1ppb下NO2的标准吸收光谱。实例中分别使用标定的NO2标准吸收光谱和网上公开的NO2标准吸收光谱对实测OD值进行最小二乘法拟合，除了待分析的CHOCHO外，还将H2O、O3等作为干扰物质，后三种气体由于吸收截面小或者浓度低，对拟合效果影响不大，因此均选用网上公开的吸收截面。最小二乘法拟合后，可以发现NO2浓度的反演影响不大，仅在精度上提高了0.8%，而CHOCHO的反演精度则提高了9.3%左右；此外使用标定NO2吸收截面，其RMS值降低了50%，在此实例中（光程为2.6km），信噪比为1的情况下，CHOCHO的检出限由原来的307ppt降至153ppt。
[1]文件使用的网上公开气体吸收截面均来自
http://satellite.mpic.de/spectral_atlas/cross_sections 。

Claims (5)

1.一种基于LED光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统，其特征在于，包括：LED灯、平面反射镜、主凹面镜、次镜、角反射镜、光纤、光谱仪以及电脑；LED灯在平面镜产生的虚像位于主凹面镜焦点，光束经主凹面镜准直后进入到大气中，经一段距离传输后到达角反射镜，光束沿原路反射回主凹面镜，再由次镜聚焦后汇聚到光纤中，通过光谱仪分光及光电转换后得到吸收光谱信息；使用最小二乘法对光谱进行解析，将标定后的NO2标准吸收光谱作为拟合项，以降低NO2吸收结构对乙二醛分析的干扰，从而达到对大气中乙二醛浓度的精准反演。
2.根据权利要求1所述的差分吸收光谱系统，其特征在于，所述LED灯中心波长为455~460nm，半高全宽为20~30nm，可覆盖乙二醛的主要吸收峰，其供电功率为3~5W，光能转化率20%~30%。
3.根据权利要求1所述的差分吸收光谱系统，其特征在于，所述LED灯还配备有散热器与风扇，以便将热能及时散去，保证光源的正常工作。
4.根据权利要求3所述的差分吸收光谱系统，其特征在于，所述散热器材质为紫铜，外形类似圆柱，圆柱侧面刻有密集的V形深槽，沿圆柱轴线呈环形分布，圆柱端面抛光，并钻有螺纹孔以固定LED灯，LED灯与散热器之间涂有导热硅脂。
5.根据权利要求4所述的差分吸收光谱系统，其特征在于，所述LED灯、散热器通过支杆固定在装有风扇的水平平移台上，风扇吹向散热器，通过调节水平平移台控制传输光束的尺寸，以适应距离不同的角反射镜。
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