CN110040973A - 一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法 - Google Patents

一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大气科学与环境科学技术领域，且公开了一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，包括如下步骤：步骤一：取下激光雨滴谱仪放射器端和接收器端的玻璃基底；步骤二：在氢氟酸中加入水配混成浓度为40%的氢氟酸溶液；步骤三：将步骤一中取得的玻璃基底放置在氢氟酸溶液中进行浸泡清洗，清洗完成后取出备用。该激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，通过玻璃基底上涂覆有的一层稀土元素改性的纳米疏水化学涂层，由于该涂层具有疏水性和清洁性，可以抗雾滴的干扰和分解污染物从而达到自清洁目的，具备可以显著提高激光雨滴谱仪测量能力和测量精度的优点。

Description

一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法
技术领域
本发明涉及大气科学与环境科学技术领域，具体为一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法。
背景技术
雨量信息是气象监测、机场观测系统、交通控制、科学研究等应用的重要指标，雨滴谱是雨量信息的一个重要内容，也是当前云降水物理学研究的重要热点之一，因此，当前有许多雨滴谱的测量仪器。
一般情况下，激光雨滴谱的使用环境都是在外场，受到大气温度、湿度和大气污染成分影响，另外，如果在一些多雾的外场观测还会受到雾的影响。通过在外场观测使用激光雨滴谱仪和文献报道发现，激光雨滴谱仪的发射和接收端容易产生凝结物或者附着物，直接影响激光雨滴谱仪的测量能力或测量精度。为了去除这种影响，通常情况下，是启动激光雨滴谱的加热装置对接收器进行加热，除去接收器上的凝结物或附着物，但效果不是很理想；针对这情况，发明专利“CN201410459212.6”(激光雨滴谱仪加热控制方法)采用加热的方法去除，这些凝结物或附着物。虽然从文献上看，提高了清除效果，但是由于大气污染的加剧，大气成分变得复杂，很多附着物都包含大量的有机成分，加热清除，只能除去水分，从而导致这些有机污染物吸附于激光雨滴谱仪的发射端和接收端，进而影响了测量的准确性。同时，如果是在雨雾环境下测量，例如在山区通常降水的会伴随雾的发生，一旦产生浓雾情况，水滴很容易附着在发射和接收端上，在这种情况下即使有加热装置也不能迅速及时的去除附着的水滴，从而影响了测量雨滴谱的准确性。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，具备可以显著提高激光雨滴谱仪测量能力和测量精度的优点，解决了目前的激光雨滴谱仪仅通过加热方式去除附着的水滴效率有限，影响了测量雨滴谱的准确性的问题。
(二)技术方案
为实现具备可以显著提高激光雨滴谱仪测量能力和测量精度的目的，本发明提供如下技术方案：一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，包括如下步骤：
步骤一：取下激光雨滴谱仪放射器端和接收器端的玻璃基底；
步骤二：在氢氟酸中加入水配混成浓度为30～50％的氢氟酸溶液；
步骤三：将步骤一中取得的玻璃基底放置在氢氟酸溶液中进行浸泡清洗，清洗完成后取出备用；
步骤四：准备一个能控制加热温度的化学气相反应室，将步骤三中清洗后得出玻璃基底放入化学气相反应室内，再将体积比为20～25:1的高压氮气通入化学气相反应室内与玻璃基底接触反应进行第二步清洗操作；
步骤五：再往化学气相反应室内通入经过预处理的四乙氧基硅烷进行加热反应，其中四乙氧基硅烷与玻璃基底的质量比为2～4：1；
步骤六：在步骤五的基础上向化学气相反应室内再通入氨水并加热反应，其中氨水与玻璃基底的质量比为2～4:1；
步骤七：在步骤六的基础上向化学气相反应室内继续通入四氯化钛并加热反应；
步骤八：在步骤七的基础上相化学气相反应室内通入稀土元素化合物并加热反应；
步骤九：获得含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层沉积于玻璃基底上，经20～25min自然冷却后取出；
步骤十：将步骤九中附有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层的玻璃基底安装在激光雨滴谱仪的激光发射器的发射端和激光接收器的接收端上。
优选的，所述步骤三中对玻璃基底进行浸泡清洗的时间为15～20min。
优选的，所述步骤五中对四乙氧基硅烷的预处理具体为除尘、脱水和净化分离。
优选的，所述步骤五中化学气相反应室的加热温度调至105°-110°，加热反应时间为15-20min。
优选的，所述步骤六中氨水的含氨浓度为17％。
优选的，所述步骤七中的四氯化钛为纯度98％、浓度1.2mol/L的溶液。
优选的，所述步骤六中化学气相反应室的加热温度调至120°-130°，加热反应时间为20-25min。
优选的，所述步骤七中化学气相反应室的加热温度调至130°-140°，加热反应时间为17-22min。
优选的，所述步骤八中化学气相反应室的加热温度调至180°-220°，加热反应时间为30-45min。
一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰的装置，包括激光发射器、激光接收器、激光发射器玻璃基底、激光接收器玻璃基底和处理模块；
所述激光发射器用于发射平行激光；
所述激光接收器用于接收发射端的平行激光，并将接收的激光进行光电转换，将转换后的电子信号发送至所述处理模块；
所述处理模块用于检测接收激光接收器的电信号，判断激光强度，当判断出所述强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径；
所述激光发射器玻璃基底和激光接收器玻璃基底经过权利要求1的步骤涂覆有一层含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，具备以下有益效果：
该激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，通过在激光发射器发射端和激光接收器端涂覆的一层含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层，激光接收器用于接收所述激光发射器发射的激光，透过激光发射器发射端涂层和激光接收器接收端涂层，到达激光接收器的激光并将接收到的激光进行光电转换，将转换后的电信号发送至处理模块，处理模块用于依据接收到的电信号判断激光接收器的激光强度是否发生突变式的下降，即判断激光接收器接收的激光强度与基准强度对比，减少值是否大于预设值，若是，根据所述接收到的电信号，计算雨滴直径，在外场雨滴谱观测过程中，能使得水滴与发射端和接收端接触角增大，无法吸附于玻璃上，从而迅速及时去除水滴，特别是在雨雾条件下，这种迅速及时除去水滴能够保证激光雨滴谱的测量精确性，具有抗干扰性；同时，稀土杂化改性自清洁疏水性纳米涂层中的催化成分，能催化氧化分解有机分子，使得不溶的有机大分子，分解成可溶性的小分子，通过雨水冲刷自清洁激光雨滴谱仪器的发射和接收端，提高了激光雨滴谱仪器的测量能力。
附图说明
图1为本发明提出的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰装置的结构示意图。
图中：1激光发射器、2激光接收器、3激光发射器玻璃基底、4激光接收器玻璃基底。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
请参阅图1，一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，包括如下步骤：
步骤一：取下激光雨滴谱仪放射器端和接收器端的玻璃基底；
步骤二：在氢氟酸中加入水配混成浓度为40％的氢氟酸溶液；
步骤三：将步骤一中取得的玻璃基底放置在氢氟酸溶液中进行浸泡清洗，清洗完成后取出备用；
步骤四：准备一个能控制加热温度的化学气相反应室，将步骤三中清洗后得出玻璃基底放入化学气相反应室内，再将体积比为25:1的高压氮气通入化学气相反应室内与玻璃基底接触反应进行第二步清洗操作；
步骤五：再往化学气相反应室内通入经过预处理的四乙氧基硅烷进行加热反应，其中四乙氧基硅烷与玻璃基底的质量比为4：1；
步骤六：在步骤五的基础上向化学气相反应室内再通入氨水并加热反应，其中氨水与玻璃基底的质量比为2:1；
步骤七：在步骤六的基础上向化学气相反应室内继续通入四氯化钛并加热反应；
步骤八：在步骤七的基础上相化学气相反应室内通入La(TMHD)3并加热反应；
步骤九：获得含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层沉积于玻璃基底上，经20min自然冷却后取出；
步骤十：将步骤九中附有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层的玻璃基底安装在激光雨滴谱仪的激光发射器的发射端和激光接收器的接收端上。
步骤三中对玻璃基底进行浸泡清洗的时间为15min。
步骤五中对四乙氧基硅烷的预处理具体为除尘、脱水和净化分离。
步骤五中化学气相反应室的加热温度调至108°，加热反应时间为15min。
步骤六中氨水的含氨浓度为17％。
步骤七中的四氯化钛为纯度98％、浓度1.2mol/L的溶液。
步骤六中化学气相反应室的加热温度调至125°，加热反应时间为20min。
步骤七中化学气相反应室的加热温度调至135°，加热反应时间为17min。
步骤八中化学气相反应室的加热温度调至205°，加热反应时间为30min。
一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰的装置，包括激光发射器1、激光接收器2、激光发射器玻璃基底3、激光接收器玻璃基底4和处理模块；
激光发射器1用于发射平行激光；
激光接收器2用于接收发射端的平行激光，并将接收的激光进行光电转换，将转换后的电子信号发送至所述处理模块；
处理模块用于检测接收激光接收器2的电信号，判断激光强度，当判断出所述强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径；
激光发射器玻璃基底3和激光接收器玻璃基底4经过权利要求1的步骤涂覆有一层含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层。
在步骤五、步骤六、步骤七和步骤八的加热反应中均进行通氧促进反应。
对比有、无涂层的雨滴谱仪
由此可知，无涂层时，水滴在样片表面呈椭圆状，其接触角为48.2°；有涂层时，样片表面水滴呈圆球状，其接触角为155.1°，呈现为超疏水性，并且水的滚动角为4°，这样水滴很难附着，即使有雾滴或者雨滴飘上，也很容易滚落，实现抗雾水干扰功能；无涂层时，大气有机污染物粘附在激光发射器和接收器端外部玻璃上，无法顺水流脱落，有涂层时，大气有机污染物绝大多数能够自然脱落，实现了自清洁功能；在波长600-800nm波长激光的透过率，是有涂层大于无涂层，这样不影响雨滴谱仪的测量雨滴谱。
综上所述，该激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，使用时，将稀土杂化改性自清洁疏水性纳米材料涂覆抹于激光雨滴谱仪器的发射端和接收端上，激光接收器用于接收所述激光发射器发射的激光，透过激光发射器发射端涂层和激光接收器接收端涂层，到达激光接收器的激光并将接收到的激光进行光电转换，将转换后的电信号发送至处理模块，处理模块用于依据接收到的电信号判断激光接收器的激光强度是否发生突变式的下降，即判断激光接收器接收的激光强度与基准强度对比，减少值是否大于预设值，若是，根据所述接收到的电信号，计算雨滴直径，在外场雨滴谱观测过程中，能使得水滴与发射端和接收端接触角增大，无法吸附于玻璃上，从而迅速及时去除水滴，特别是在雨雾条件下，这种迅速及时除去水滴能够保证激光雨滴谱的测量精确性，具有抗干扰性；同时，稀土杂化改性自清洁疏水性纳米涂层中的催化成分，能催化氧化分解有机分子，使得不溶的有机大分子，分解成可溶性的小分子，通过雨水冲刷自清洁激光雨滴谱仪器的发射和接收端，提高了激光雨滴谱仪器的测量能力。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一： 取下激光雨滴谱仪放射器端和接收器端的玻璃基底；
步骤二：在氢氟酸中加入水配混成浓度为30～50%的氢氟酸溶液；
步骤三：将步骤一中取得的玻璃基底放置在氢氟酸溶液中进行浸泡清洗，清洗完成后取出备用；
步骤四：准备一个能控制加热温度的化学气相反应室，将步骤三中清洗后得出玻璃基底放入化学气相反应室内，再将体积比为20～25:1的高压氮气通入化学气相反应室内与玻璃基底接触反应进行第二步清洗操作；
步骤五：再往化学气相反应室内通入经过预处理的四乙氧基硅烷进行加热反应，其中四乙氧基硅烷与玻璃基底的质量比为2～4：1；
步骤六：在步骤五的基础上向化学气相反应室内再通入氨水并加热反应，其中氨水与玻璃基底的质量比为2～4:1；
步骤七：在步骤六的基础上向化学气相反应室内继续通入四氯化钛并加热反应；
步骤八：在步骤七的基础上相化学气相反应室内通入稀土元素化合物并加热反应；
步骤九：获得含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层沉积于玻璃基底上，经20～25min自然冷却后取出；
步骤十：将步骤九中附有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层的玻璃基底安装在激光雨滴谱仪的激光发射器的发射端和激光接收器的接收端上。
2.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤三中对玻璃基底进行浸泡清洗的时间为15～20min。
3.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤五中对四乙氧基硅烷的预处理具体为除尘、脱水和净化分离。
4.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤五中化学气相反应室的加热温度调至105°-110°，加热反应时间为15-20min。
5.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤六中氨水的含氨浓度为17%。
6.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤七中的四氯化钛为纯度98%、浓度1.2mol/L的溶液。
7.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤六中化学气相反应室的加热温度调至120°-130°，加热反应时间为20-25min。
8.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤七中化学气相反应室的加热温度调至130°-140°，加热反应时间为17-22min。
9.根据权利要求1所述的一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰方法，其特征在于：所述步骤八中化学气相反应室的加热温度调至180°-220°，加热反应时间为30-45min。
10.一种激光雨滴谱仪自清洁和抗干扰的装置，其特征在于：包括激光发射器（1）、激光接收器（2）、激光发射器玻璃基底（3）、激光接收器玻璃基底（4）和处理模块；
所述激光发射器（1）用于发射平行激光；
所述激光接收器（2）用于接收发射端的平行激光，并将接收的激光进行光电转换，将转换后的电子信号发送至所述处理模块；
所述处理模块用于检测接收激光接收器（2）的电信号，判断激光强度，当判断出所述强度发生突变时，根据所述激光强度的突变量计算下落粒子的直径；
所述激光发射器玻璃基底（3）和激光接收器玻璃基底（4）经过权利要求1的步骤涂覆有一层含有稀土元素改性的纳米疏水化学涂层。
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