CN109724919A - 基于太阳跟踪的多组分大气污染气体检测光声光谱装置 - Google Patents

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牛明生
韩培高
杨尚国
宋连科
张树东
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Abstract

本发明公开了一种基于太阳跟踪的多组分大气污染气体检测光声光谱装置，主要用于监测大气中在太阳光光谱波段内一些具有特征吸收的气体分子，如二氧化硫、二氧化氮、臭氧等。系统通过把对太阳光聚焦的抛物境固定在太阳跟踪仪上对太阳进行实时跟踪，利用准直透镜把抛物镜聚焦后的太阳光进行准直进入分光装置，分光装置把不同波长的光分开后进行各自平行，然后通过斩波器进行振幅调制，调制光在光声池内产生的光声信号被探测器探测后输入电脑进行解调，反演出对应气体的浓度。系统以太阳作为光源，可实时连续测量大气中主要污染气体的浓度，系统结构简单、成本低廉、能够满足多组分大气污染气体检测的需求，为大气污染监测提供了一种新的监测手段。

Description

基于太阳跟踪的多组分大气污染气体检测光声光谱装置
技术领域
本发明涉及一种基于太阳跟踪的多组分大气污染气体检测光声光谱装置，尤其涉及一种大气污染气体监测领域。装置以太阳光作为光源，利用太阳跟踪仪对太阳进行跟踪，通过分光装置把不同波长的光进行分离，选择待测污染气体吸收波长，进入光声池中，利用光声效应在白天对大气污状况进行实时连续监测。
背景技术
大气污染是人们十分关注的问题，对大气污气体的监测、控制与治理具有重要的现实意义。因此，在大气污气体的监测、控制与治理领域，发展具有自主知识产权的新方法、新技术，能够为环境质量改善提供有力的科学技术保障。
光声光谱技术是一种零背景光谱技术，在微量气体探测方面有着高灵敏度、高选择性和大动态监测范围的优点，得到了国内外研究人员的重视，是一种灵敏度高和普适性强的光谱探测方法。传统的光声光谱技术都是基于一种光源对某一种气体进行测量，所用激光器价格十分昂贵，对实际大气中多组分痕量气体测量时就显示出其局限性。太阳光是一个典型的宽带光源，利用太阳光作为光源对大气污染气体进行监测，不需要对光源进行控制，也不受光源寿命的限制。因此，发展基于太阳光跟踪的多组分大气痕量气体光声光谱装置，不仅可以节省光源的成本、不需考虑光源寿命，而且可以实现大气痕量气体的实时连续监测，这是大气痕量污染气体探测技术的有益补充。光声光谱系统的光声池可以做的很小，其长度一般为5～15 cm，用很小的体积就可实现高灵敏度的探测。
发明内容
本发明主要提供一种能够对太阳进行跟踪、对实际大气污染气体进行多组分连续监测的高灵敏度光声吸收测量装置，可用于测量大气污染气体分子的光声吸收光谱，克服现有的单一光源需要进行电流、温度控制和光源寿命短等缺点。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：
一种基于太阳跟踪的多组分大气污染气体监测光声光谱装置，太阳光（1）照射到抛物面镜（2）上，光声信号与光源的强度有关，抛物镜（2）可根据待测气体吸收线强的大小设计，以便较强的太阳光能够聚焦，透镜（3）的焦点与抛物镜（2）的焦点重合，经透镜（3）的太阳光平行后照射到分光仪（4）上，分光仪（4）把不同波长的光分开后照射到聚焦镜（5）上，聚焦镜（5）把不同波长的光聚焦后照射到透镜阵列（6）上，透镜阵列（6）把不同波长的光准直后，照射到斩波器阵列（7）上，斩波器阵列（7）对入射光进行光强调制，调制的光进入光声池（8）产生光声信号，光声池（8）内产生的光声信号由装有前置放大器的探测器（9）进行探测，探测器（9）探测到的光声信号经前置放大后输入集成锁相放大器（10）进行解调，解调的信号输入到安装有采集卡和采集程序的电脑（11）进行处理，反演出相应气体的浓度。
抛物面镜（2）、透镜（3）、分光仪（4）、聚焦镜（5）、透镜阵列（6）、斩波器阵列（7）、光声池（8）和探测器（9）进行光路调整后集成固定在箱体（12）中；箱体（12） 通过支架（13）与抛物境（2）进行连接固定，然后固定在太阳跟踪仪（14）上，太阳跟踪仪（14）由装在电脑（10）内的软件进行跟踪控制。
光声池（8）内部有三个共振腔（15）（16）（17），共振腔（15）（16）（17）分别通过各自对应的通道（18）（19）（20）与麦克风（9）连接，共振腔（15）（16）（17）内产生的光声信号通过通道（18）（19）（20）被麦克风（9）探测。根据抑制噪声的需要，共振腔两边可以设定缓冲腔，缓冲腔的长度为共振腔的一半、半径为共振腔的两倍。
为确保测量精度的准确性，采用大气中氧气在线校准技术，通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号，实现共振频率和光声池常数的在线校准，以便能够准确实时在线监测大气污染气体。
附图说明
图1整个装置示意图
图2透镜阵列、斩波器阵列和光声系统示意图
图3 光声池内部结构图。
具体实施方式
首先通过电脑（11）的控制程序设定跟踪仪（14）的扫描步长，然后开始对大气污染气体进行测量；测量时太阳光（1）照射到抛物面镜（2）上进行聚焦，聚焦后的太阳光照射到透镜（3）上，透镜（3）的焦点与抛物面镜（2）的焦点重合，经透镜（3）的太阳光平行后照射到分光仪（4）上，分光仪（4）把不同波长的光分开，然后不同波长的光照射到聚焦镜（5）上，聚焦透镜（5）把不同波长的光聚焦后照射到透镜阵列（6）中对应的透镜上，透镜阵列（6）对不同波长的光进行准直，准直后的光被斩波器阵列（7）进行光强调制，调制的光进入光声池（8）产生光声信号，光声信号由装有前置放大器的探测器（9）进行探测，探测器（9）探测到的光声信号经前置放大后输入集成锁相放大器（10）进行解调，解调的信号输入到安装有采集卡和采集程序的电脑（11）进行处理，反演出相应气体的浓度。
为确保测量精度的准确性，采用大气中氧气在线校准技术，通过探测氧气在763.73nm附近的扫频信号及峰值信号，实现共振频率和光声池常数的在线校准，以便能够准确实时在线监测大气污染气体。

Claims (4)

1.基于太阳跟踪的多组分大气污染气体检测光声光谱装置，其特征在于：整个装置由光学系统，探测系统和跟踪系统组成；光学系统由抛物境（2），聚焦透镜（3），分光仪（4），聚焦镜（5），透镜阵列（6），斩波器阵列（7）组成；探测系统由光声池（8），探测器（9）,集成锁相放大器（10）和安装有采集卡和采集系统的电脑（11）组成；跟踪系统由封闭箱（12），支架（13）和太阳跟踪仪（14）组成；太阳光（1）照射到抛物面镜（2）上，经抛物镜（2）反射的光聚焦到抛物镜焦点上后照射到准直透镜（3）上，通过准直透镜（3）的光线平行照射到分光仪（4）上，分光仪（4）把不同波长的光分开后照射到聚焦镜（5）上进行反射，聚焦镜（5）把不同波长的光反射后照射到透镜阵列（6）上，透镜阵列（6） 由不同的透镜组成，把来自聚焦镜（5）不同波长的光进行准直，准直后的光通过斩波器阵列（7）调制照射到光声池（8）内不同的共振腔中产生光声信号，光声信号被安放在光声池（8）中间且装有前置放大器的自由场传声器（9）探测，探测后的信号通过前置放大后被集成锁相放大器（10）解调，然后送入装有采集卡和采集程序的电脑（10）进行处理。
2.根据权利1的要求，准直透镜（3），分光仪（4），聚焦镜（5），透镜阵列（6），斩波器阵列（7），光声池（8）和装有前置放大器的自由场传声器（9）经光路调节后集成在一起并固定安放在封闭箱（12）内，其中准直透镜（3）固定在封闭箱（12）的箱壁上，封闭箱（12）通过支架（13）与抛物境（2）固定在一起安装在太阳跟踪仪（14）上。
3.根据权利1的要求，光声池（8）内有3个共振腔，可同时测量三种污染气体，可根据实际需求设计聚焦镜（5）使不同波长的光分开的间隔更大，以减少不同波长光束之间的干扰。
4.根据权利要求1，太阳跟踪仪（14）由装有控制程序的电脑（11）进行控制，对太阳进行实时跟踪的时间可从每天太阳初升到下午落山，太阳跟踪仪的步长可根据监测连续性的需要进行设定。
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