CN112098351B - 一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气溶胶光学特性监测领域，具体涉及一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪。包括光学模块，光声腔模块和数据处理模块，光声腔模块包括设置在光学模块出光光路上的气体吸收池和垂直于出光光路设置的声学谐振腔；光学模块包括激光二极管、光纤、光纤准直器和第一反射镜、第二反射镜，第一反射镜和第二反射镜设置在气体吸收池两侧且中心水平共轴；数据处理模块包括与声学麦克风依次电连接的前置放大器、锁相放大器和数据采集卡及数据终端处理设备。本发明对气溶胶吸收及消光系数进行同步测量，最终可完整的获得气溶胶的光学特性参数。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶光学特性监测领域，具体涉及一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪。
技术背景
气溶胶是大气中的主要污染物，其存在对于地球辐射能量平衡，全球气候以及大气能见度起着重要的作用。开展气溶胶光学特性的测量有助于实现气溶胶的源解析，分析气溶胶的混合态以及时空变化规律，为大气气溶胶的综合治理提供有益的参考。然而由于缺乏合适的科学仪器及方法，目前关于气溶胶光学特性的测量值仍然存在比较大的不确定性。目前关于气溶胶光学特性的测量仪器大多采用多个仪器联用分别选择气溶胶消光、吸收、散射中的两个参数进行测量，然后利用消光等于吸收与散射之和进行另外一个光学参数的分析，进一步获得气溶胶的单次散射反照度。
然而在采用多个仪器联用时，一方面不得不考虑气溶胶分流分别进入不同仪器所带来的测量误差。另一方面不同仪器所用的光波段具有或多或少的差异，尽管利用气溶胶的光学波长依赖特性理论上可以解决不同仪器光波段差异所带来的问题，但是气溶胶的光学波长依赖特性自身会随着气溶胶的种类，尺寸，混合态或老化等发生变化，无法精确的确定不同气溶胶的光学波长依赖特性，因此不同仪器光波段差异的问题可能不能利用气溶胶光波长依赖特性得到有效解决。
近年来宽带腔增强吸收光谱技术与积分球结合实现了在同一样品体积内气溶胶的消光系数与散射系数的同步测量，该技术有效的解决了不同仪器分开联用引起的气溶胶分流所带来的测量误差，并且有效的减小了样品体积，减少了样品交换时间，系统响应时间也明显提高。同时由于仅采用单个光源避免了光波段差异所带来的测量误差。然而宽带腔增强吸收光谱技术与积分球结合虽能有效对气溶胶的消光系数和散射系数同步测量，但据文献报导，当气溶胶的消光系数主要由散射系数组成时(这种情况在实际大气中比较常见)，其测量误差一般较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪。
本发明采用了以下技术方案：
一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，包括光学模块，光声腔模块和数据处理模块，
所述光声腔模块包括设置在所述光学模块出光光路上的气体吸收池和垂直于所述出光光路设置的声学谐振腔，所述声学谐振腔的一端为开放端，所述开放端贯穿所述气体吸收池一侧池壁的中部并构成固定连接，另一端为封闭端，所述封闭端设置有声学麦克风。
优选的，所述光学模块包括激光二极管、光纤、光纤准直器和设置在所述气体吸收池两端的第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜与所述气体吸收池两端设置有间隙，且第一反射镜和第二反射镜与气体吸收池中心水平共轴。
优选的，所述数据处理模块包括与所述声学麦克风电连接的前置放大器、与所述前置放大器输出端电连接的锁相放大器和与所述锁相放大器输出端电连接的数据采集卡及数据终端处理设备。
优选的，所述第一反射镜和第二反射镜均为平凹透镜，平凹透镜的凹面均朝向气体吸收池相对设置，所述平凹透镜的另一面为平面，所述光纤准直器连接在光纤上，并设置在第一反射镜的平面侧，所述第一反射镜上设置有通光孔供所述光纤准直器的出射光光通过。
优选的，所述数据处理模块还包括设置在气体吸收池远离光学模块一端的光电二极管，所述光电二极管设置在气体吸收池的出光光路上，并与所述数据采集卡电连接。
优选的，所述光学模块还包括激光二极管控制器与信号发生器，所述激光二极管、激光二极管控制器与信号发生器依次电连接实现激光二极管的调制以及稳定的光功率输出；所述信号发生器的TTL输出端还与锁相放大器的输入端电连接提供参考信号。
优选的，所述气体吸收池的两端分别设置有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片和第二窗片的大小与气体吸收池的口径相匹配，并封闭所述气体吸收池的两端。
进一步优选的，所述激光二极管发出的光束在气体吸收池内借助第一反射镜和第二反射镜多次来回反射，气体吸收池内的气溶胶吸收光能后产生声波信号，所述声波信号的波长λ与所述声学谐振腔的长度L满足λ＝4L；所述声学谐振腔封闭端与声学麦克风的连接处为声波的波腹处，所述声学谐振腔开放端与气体吸收池的交界面为声波的波节处。
进一步优选的，在满足工作要求的前提下，所述气体吸收池的内径设置的尽量大，方便光线的通过。
进一步优选的，所述气体吸收池的内壁镀有聚四氟乙烯膜。
本发明的有益效果在于：
1)本发明利用光电二极管测量得到的光声腔中有无气溶胶的光信号，即可依据朗伯比尔定律实现气溶胶消光系数的测量；此外，气体吸收池吸收光束光能产生声波信号进入侧向的声学谐振腔实现驻波放大并在声波腹处被声学麦克风测量，将声波信号转化为电信号实现气溶胶吸收系数的测量；通过对测量得到气溶胶的吸收系数，消光系数的分析处理，进一步可实现气溶胶的散射系数、单次散射反照度的同步测量，可有效解决仪器联用以及宽带腔增强吸收光谱与积分球结合所面临的问题。
2)本发明中气体吸收池的内壁镀有聚四氟乙烯膜，可有效解决长期外场测量气溶胶吸收特性时所面临的气溶胶易粘附在吸收池内壁的问题；由于光线在吸收池之间的多次来回反射增加了光源的有效功率，从而使气溶胶的光吸收探测灵敏度极大的提高；同时本发明由于自身带有气体吸收池可实现痕量气体浓度的测量，从而可单独完成声学谐振腔的标定工作，因此本系统无需再利用其它仪器进行声学谐振腔的标定。
3)本发明将传统声学共振腔与吸收池结合，同时吸收池与一对反射镜结合形成了一个光学多通池，实现了侧向声共振对气溶胶吸收特性的高灵敏度测量，最终可完整的获得气溶胶的光学特性参数。由于气溶胶的吸收系数、消光系数、散射系数以及单次散射反照度均在同一样品池中进行，避免了传统样品分流分别进行气溶胶吸收与消光测量所引起的测量误差。更重要的是，本发明的光声腔腔体体积较小，气溶胶在系统内的交换时间大大减小，从而使系统响应时间明显加快，更加适用在气溶胶成分变化迅速的环境如汽车尾气测量中的应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中光线在气体吸收池内，在第一反射镜和第二反射镜间的反射光路示意图。
图中标注符号的含义如下：
10-激光二极管 11-激光二极管控制器 12-信号发生器
21-第一反射镜 22-第二反射镜 30-光纤 31-光纤准直器
50-气体吸收池 51-第一窗片 52-第二窗片 60-声学谐振腔
70-声学麦克风 81-前置放大器 82-锁相放大器 83-数据采集卡
84-数据终端处理设备 85-光电二极管 90-固定装置
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
如图1-2所示，一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，包括光学模块，光声腔模块和数据处理模块，
光声腔模块包括设置在光学模块出光光路上的气体吸收池50和垂直于出光光路设置的声学谐振腔60，声学谐振腔60的一端为开放端，开放端贯穿气体吸收池50一侧池壁的中部并构成固定连接，另一端为封闭端，封闭端设置有声学麦克风70。
光学模块包括激光二极管10、光纤30、光纤准直器31和设置在气体吸收池两端的第一反射镜21和第二反射镜22，且第一反射镜21和第二反射镜22与气体吸收池50两端设置有间隙，且第一反射镜21和第二反射镜22与气体吸收池50中心水平共轴。
数据处理模块包括与声学麦克风70电连接的前置放大器81、与前置放大器81输出端电连接的锁相放大器82和与锁相放大器82输出端电连接的数据采集卡83及数据终端处理设备84。
第一反射镜21和第二反射镜22均为平凹透镜，平凹透镜的凹面朝向气体吸收池相对设置，平凹透镜的另一面为平面，光纤准直器31连接在光纤30上，并设置在第一反射镜21的平面侧，所述第一反射镜21上设置有通光孔供所述光纤准直器31的出射光光通过。
数据处理模块还包括设置在气体吸收池50远离光学模块一端的光电二极管85，光电二极管85设置在气体吸收池50的出光光路上，第二反射镜22在出光光路上开设通孔供光线通过，光电二极管85与数据采集卡83电连接。
光学模块还包括激光二极管控制器11与信号发生器12，激光二极管10、激光二极管控制器11与信号发生器12依次电连接实现激光二极管10的调制以及稳定的光功率输出；信号发生器12的TTL输出端与锁相放大器82输入端电连接提供参考信号。
气体吸收池50的两端还分别设置有第一窗片51和第二窗片52，第一窗片51和第二窗片52的大小与气体吸收池的口径相匹配，并封闭气体吸收池50的两端，窗片材质为石英；气体吸收池50的侧壁还设置有样品的入口和出口。
本系统光源的调制方式为振幅调制，其调制频率为声学谐振腔60的一阶纵向共振频率。
工作时，激光二极管10发出的光线经光纤准直器31准直后穿过第一反射镜21上方开设的通孔和第一窗片51进入气体吸收池50，并在气体吸收池50内借助第一反射镜21和第二反射镜22的凹面实现光线的来回多次反射，气体吸收池50内的气溶胶吸收光能后产生声波信号，光线最终经第二窗片52和第二反射镜22下方开设的通孔进入到光电二级管85中。光电二极管85将收集到的光信号转化为电信号经数据采集卡83采集显示在数据终端处理设备84上，进行气溶胶消光特性的分析处理。声学谐振腔60对声波信号驻波放大随后被声学麦克风70所测量，声波的波长λ与声学谐振腔60长度L满足关系式λ＝4L。
声学谐振腔60在声学麦克风70处为硬声场边界，形成波腹。声学谐振腔60与气体吸收池50的交界处为软声场边界，形成波节。声波信号经前置放大器81放大输入到锁相放大器82进行解调，同时信号发生器12输出TTL信号输入到锁相放大器82作为参考信号。解调出来的声波信号经数据采集卡83传输至数据终端处理设备84如笔记本电脑进行进一步的分析处理。
在满足工作要求的前提下，气体吸收池50的内径可设置的足够大方便光线的通过。
本实施方式中，气体吸收池50的内径即通光口径设置较大以方便光线的多次来回反射，从而增加光源的有效功率，提高气溶胶吸收探测灵敏度。
光线在吸收池中的来回反射构成了一个光学多通池，其出射光经光电二极管监测，然后依据朗伯比尔定律获得气溶胶的消光系数。其中朗伯比尔定律可表示为αext＝1/L·ln(I0/I)，αext为消光系数，L为有效光程，I与I0分别为有无气溶胶时所测得的光信号。
气体吸收池50的内壁镀有聚四氟乙烯膜，可有效解决长期外场测量气溶胶吸收特性时所面临的气溶胶易粘附在吸收池内壁的问题。
气体吸收池50和声学谐振腔60的外侧设置有一体式固定装置90以减小气体吸收池50和声学谐振腔60间位置变化引起的振动。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，包括光学模块，光声腔模块和数据处理模块，其特征在于，
所述光声腔模块包括设置在所述光学模块出光光路上的气体吸收池（50）和垂直于所述出光光路设置的声学谐振腔（60），所述声学谐振腔（60）的一端为开放端，所述开放端贯穿所述气体吸收池（50）一侧池壁的中部并构成固定连接，另一端为封闭端，所述封闭端设置有声学麦克风（70）；
所述光学模块包括激光二极管（10）、光纤（30）、光纤准直器（31）和设置在所述气体吸收池两端的第一反射镜（21）和第二反射镜（22），所述第一反射镜（21）和第二反射镜（22）与所述气体吸收池（50）两端设置有间隙，且第一反射镜（21）和第二反射镜（22）与气体吸收池（50）中心水平共轴；
所述数据处理模块包括与所述声学麦克风（70）电连接的前置放大器（81）、与所述前置放大器（81）输出端电连接的锁相放大器（82）和与所述锁相放大器（82）输出端电连接的数据采集卡（83）及数据终端处理设备（84）；
所述数据处理模块还包括设置在气体吸收池（50）远离光学模块一端的光电二极管（85），所述光电二极管（85）设置在气体吸收池（50）的出光光路上，所述第二反射镜（22）在出光光路上开设通孔供光线通过，所述光电二极管（85）与所述数据采集卡（83）电连接；
所述气体吸收池（50）的两端分别设置有第一窗片（51）和第二窗片（52），所述第一窗片（51）和第二窗片（52）的大小与气体吸收池的口径相匹配，并封闭所述气体吸收池（50）的两端。
2.如权利要求1所述的一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，其特征在于，所述第一反射镜（21）和第二反射镜（22）均为平凹透镜，平凹透镜的凹面均朝向气体吸收池相对设置，所述平凹透镜的另一面为平面，所述光纤准直器（31）连接在光纤（30）上，并设置在第一反射镜（21）的平面侧，所述第一反射镜（21）上设置有通光孔供所述光纤准直器（31）的出射光光通过。
3.如权利要求2所述的一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，其特征在于，所述光学模块还包括激光二极管控制器（11）与信号发生器（12），所述激光二极管（10）、激光二极管控制器（11）与信号发生器（12）依次电连接实现激光二极管（10）的调制以及稳定的光功率输出；所述信号发生器（12）的TTL输出端还与锁相放大器（82）输入端电连接提供参考信号。
4.如权利要求1所述的一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，其特征在于，所述激光二极管（10）发出的光束在气体吸收池（50）内借助第一反射镜（21）和第二反射镜（22）多次来回反射，气体吸收池（50）内的气溶胶吸收光能后产生声波信号，所述声波信号的波长λ与所述声学谐振腔（60）的长度L满足λ＝4L；所述声学谐振腔（60）封闭端与声学麦克风（70）的连接处为声波的波腹处，所述声学谐振腔（60）开放端与气体吸收池（50）的交界面为声波的波节处。
5.如权利要求1所述的一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，其特征在于，在满足工作要求的前提下，所述气体吸收池（50）的内径设置的尽量大，方便光线的通过。
6.如权利要求1所述的一种适用于气溶胶吸收及消光系数同步测量的光声光谱仪，其特征在于，所述气体吸收池（50）的内壁镀有聚四氟乙烯膜。
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