CN112557326B - 一种多轴差分吸收光谱仪测量装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多轴差分吸收光谱仪测量装置及其工作方法，空间光耦合望远镜系统安装于电动调节架，空间光耦合望远镜系统与光谱仪连接，滤光片组件设置于空间光耦合望远镜系统的端部；滤光片组件上设有通孔、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔；滤光片组件安装于滤光片组件驱动机构，滤光片组件驱动机构能够驱动滤光片组件运动，使滤光片组件上的不同通孔能够与空间光耦合望远镜系统同轴；光谱仪、电动调节架、太阳光自动跟踪装置和滤光片组件驱动机构均与计算机连接。本发明能够跟踪太阳光的角度，将空间光耦合望远镜的角度调整至测量位，提高测量的准确性，同时还能够便捷的测量背景光谱、全光谱以及多种不同的目标气体的光谱。
Description
技术领域
本发明属于环境监测领域，具体为一种多轴差分吸收光谱仪测量装置及其工作方法。
背景技术
现有技术中多轴差分吸收光谱仪测量系统由望远镜，角度调节器、光纤、光谱仪与计算机等装置组成。望远镜接收太阳散射光，通过光纤传输至光谱仪中，角度调节器带动望远镜，测量每个角度下的大气吸收光谱信息，最终测量得到的光谱数据通过一条USB线传输至控制计算机中存储并计算，从而得到大气不同成分垂直柱浓度信息。但现有的测量系统当测量时太阳高度和强度发生变化时，测量光谱会发生漂移。同时现有的测量系统只能测量单一气体的浓度，使用受到了一定的局限性，此外测量时没有背景光谱和全光谱的测量会对最终计算结果带来误差。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多轴差分吸收光谱仪测量装置及其工作方法，本发明能够跟踪太阳光的角度，将空间光耦合望远镜的角度调整至测量位，提高测量的准确性，同时还能够便捷的测量背景光谱、全光谱以及多种不同的目标气体的光谱。
本发明采用的技术方案如下：
一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，包括空间光耦合望远镜系统、光谱仪、电动调节架、太阳光自动跟踪装置、计算机、滤光片组件和滤光片组件驱动机构，空间光耦合望远镜系统安装于电动调节架，空间光耦合望远镜系统与光谱仪连接，滤光片组件设置于空间光耦合望远镜系统的端部；滤光片组件上设有通孔、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔；滤光片组件安装于滤光片组件驱动机构，滤光片组件驱动机构能够驱动滤光片组件运动，使滤光片组件上的不同通孔能够与空间光耦合望远镜系统同轴；光谱仪、电动调节架、太阳光自动跟踪装置和滤光片组件驱动机构均与计算机连接。
优选的，滤光片组件采用圆盘结构，滤光片组件的中心与滤光片组件驱动机构连接，滤光片组件在其周向上开设有n个通孔；所述n个通孔中，其中一个通孔安装有遮光板，n-2个通孔分别安装有用于对不同气体进行测量的窄带滤光片，安装有遮光板的通孔作为遮光孔，安装有窄带滤光片的通孔作为滤光孔。
优选的，通孔、遮光孔以及滤光孔均为圆孔，且直径不小于空间光耦合望远镜系统光入口的直径。
优选的，滤光片组件与空间光耦合望远镜系统端部之间的间距为5-10mm。
优选的，滤光片组件驱动机构采用步进电机，步进电机的输出轴与空间光耦合望远镜系统的轴线平行，步进电机的输出轴与滤光片组件连接。
优选的，步进电机设置于空间光耦合望远镜系统的端部。
优选的，空间光耦合望远镜系统上设有标准气体入口和标准气体出口，标准气体入口和标准气体出口与空间光耦合望远镜系统内腔连通。
优选的，标准气体入口和标准气体出口分别位于空间光耦合望远镜系统的两端。
本发明如上所述多轴差分吸收光谱仪测量装置的使用方法，包括如下过程：
通过太阳光自动跟踪装置测量太阳高度角和光强；
计算机根据太阳光自动跟踪装置所测的数据控制电动调节架驱动空间光耦合望远镜系统运动，完成在不同角度下进行太阳吸收光谱的测量；
在不同角度下每次测量时，计算机控制滤光片组件驱动机构带动滤光片组件运动：当通孔运动至与空间光耦合望远镜系统同轴时，测量太阳光全光谱；当旋转至遮光孔时测量太阳光背景光谱；当运动不同的滤光孔时，测量不同气体的大气吸收光谱；
将所测得的大气吸收光谱进行计算，得到不同气体的浓度。
优选的，当本发明空间光耦合望远镜系统上设有标准气体入口和标准气体出口时；
本发明多轴差分吸收光谱仪测量装置的使用方法包括对空间光耦合望远镜系统进行标定：
标定时，从标准气体入口通入纯氮气进行零点的标定，然后分别通入不同浓度的待测量的标准气体，进行不同浓度点吸收光谱信息的采集，通过所述零点以及不同浓度点的吸收光谱信息和浓度关系，计算得到气体浓度的标定曲线，完成标定。
本发明具有如下有益效果：
本发明多轴差分吸收光谱仪测量装置通过设置太阳光自动跟踪装置，太阳光自动跟踪装置与计算机相连，因此利用太阳光自动跟踪装置对太阳光的跟踪信息，计算机能够控制电动调节架进行运动，对空间光耦合望远镜系统的俯仰角进行调节，因此可根据测量时的太阳光的高度角和强度，对测量光谱进行修正和补偿，使得空间光耦合望远镜系统降低或避免太阳高度和强度发生变化时，测量光谱会发生漂移的问题。通过设置滤光片组件，滤光片组件上设置通孔、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔，因此本发明能够一次性测量背景光谱、全光谱以及多种不同的目标气体的光谱，通过设置滤光片组件驱动机构，能够通过计算机来控制滤光片组件驱动机构使滤光片组上的通孔、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔进行自动切换，因此本发明在测量时无需通过人工干预，能够自动根据需求实现对不同目标气体光谱的测量。
进一步的，滤光片组件采用圆盘结构，滤光片组件的中心与滤光片组件驱动机构连接，滤光片组件驱动机构通过使滤光片组件进行旋转即可实现滤光片组件上的通孔、遮光孔以及若干个滤光孔进行切换测量，其操作简便易于实施，且可控性稿，能够提高测量精度。
进一步的，滤光片组件驱动机构采用步进电机，其具有小巧，转角控制精确，能够进一步保证测量精度。
进一步的，空间光耦合望远镜系统上设有标准气体入口和标准气体出口，标准气体入口和标准气体出口与空间光耦合望远镜系统内腔连通，因此通过标准气体入口和标准气体出口能够向空间光耦合望远镜系统通入标准气体，能够实现空间光耦合望远镜系统的在线校准，提高了校准效率，延长了空间光耦合望远镜系统的有效工作时间。
附图说明
图1为本发明多轴差分吸收光谱仪测量及标定装置的结构示意图；
图2为本发明采用的滤光片组件示意图。
图中记号：1、空间光耦合望远镜系统，2、传输光纤，3、光谱仪，4、电动调节架，5、太阳光自动跟踪装置，6、计算机。101、标准气体入口，102、标准气体出口，103、步进电机，104、滤光片组件。1041、通孔，1042、遮光片，1043、窄带滤光片1，1044、窄带滤光片2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图1，本发明多轴差分吸收光谱仪测量装置，包括空间光耦合望远镜系统1、光谱仪3、电动调节架4、太阳光自动跟踪装置5、计算机6、滤光片组件104和滤光片组件驱动机构，空间光耦合望远镜系统1安装于电动调节架4，空间光耦合望远镜系统1与光谱仪3连接，滤光片组件104设置于空间光耦合望远镜系统1的端部；滤光片组件104上设有通孔1041、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔；滤光片组件104安装于滤光片组件驱动机构，滤光片组件驱动机构能够驱动滤光片组件104运动，使滤光片组件104上的不同通孔能够与空间光耦合望远镜系统1同轴；光谱仪3、电动调节架4、太阳光自动跟踪装置5和滤光片组件驱动机构均与计算机6连接。
作为本发明优选的实施方案，参照图1和图2，滤光片组件104采用圆盘结构，滤光片组件104的中心与滤光片组件驱动机构连接，滤光片组件104在其周向上开设有n个通孔；所述n个通孔中，其中，一个通孔中什么也不装(用于直接通过太阳光)，一个通孔安装有遮光板1042，n-2个通孔分别安装有用于对不同气体进行测量的窄带滤光片，安装有遮光板1042的通孔作为遮光孔，安装有窄带滤光片的通孔作为滤光孔。
作为本发明优选的实施方案，通孔、遮光孔以及滤光孔均为圆孔，且直径不小于空间光耦合望远镜系统1光入口的直径。
作为本发明优选的实施方案，滤光片组件104与空间光耦合望远镜系统1端部之间的间距为5-10mm。
作为本发明优选的实施方案，滤光片组件驱动机构采用步进电机103，步进电机103的输出轴与空间光耦合望远镜系统1的轴线平行，步进电机103的输出轴与滤光片组件104连接。
作为本发明优选的实施方案，步进电机103设置于空间光耦合望远镜系统1的端部。
作为本发明优选的实施方案，空间光耦合望远镜系统1上设有标准气体入口101和标准气体出口102，标准气体入口101和标准气体出口102与空间光耦合望远镜系统1内腔连通。
作为本发明优选的实施方案，标准气体入口101和标准气体出口102分别位于空间光耦合望远镜系统1的两端。
实施例
本实施例多轴差分吸收光谱仪测量及标定装置，包括有空间光耦合望远镜1，空间光耦合望远镜1接收到的散射光通过传输光纤2传输至光谱仪3，光谱仪3将检测到的光谱信号传输至计算机6，经过计算机6分析处理得到大气成分垂直柱浓度信息。所述的空间光耦合望远镜1本身设计为可通入不同浓度的气体吸收池，空间光耦合望远镜1前部的由步进电机103控制的滤光片组件104(滤光片组件上有四个通孔，其中一个通孔上安装遮光板1042，一个通孔上安装带滤光片1，一个通孔上安装带滤光片2，另一个通孔什么也不装，光线能够直接从该通孔中穿过)，太阳光自动追踪装置5和高精度的电动调节架4构成空间光耦合望远镜1的俯仰角调节系统。滤光片组件4采用圆盘结构，滤光片组件4与步进电机103的输出轴连接，步进电机103由计算机6控制，进而带动滤光片组件4上的不同通孔与空间光耦合望远镜1前部同轴，用于测量和标定。
空间光耦合望远镜1设计为带有标准气体入口101和标准气体出口102的气体吸收池，标准气体入口101和标准气体出口102与空间光耦合望远镜1内腔连通、并分别位于空间光耦合望远镜1的前端和后端。
太阳光自动追踪装置5测量太阳光的高度角和强度，通过计算机6控制电动调节架4，在垂直方向(0°至90°)上，对空间光耦合望远镜1俯仰角进行调节。
太阳光自动追踪装置5能够测量当前测量时的太阳光的高度角和强度，当太阳高度角和光强发生变化时，通过计算机6对吸收光谱进行补偿和修正处理。当遇到阴雨天，测量到的太阳光强度偏差过大，阴雨天气系统自动停止测量。
当气体测量时，太阳光自动追踪装置5测量当前的太阳光的高度角和强度，计算机6控制步进电机103带动滤光片组件104旋转，当滤光片组件104旋转至遮光板位置上，用来测量空间光耦合望远镜1的背景噪声光谱；当旋转至窄带滤光片1的位置上，用来测量空间光耦合望远镜1的第一种气体的大气吸收光谱；当旋转至窄带滤光片2的位置上，用来测量空间光耦合望远镜1的第二种气体的大气吸收光谱；当旋转至通孔的位置上，用来测量空间光耦合望远镜1的大气全散射吸收光谱。其中窄带滤光片的截止波长由被测气体的特征吸收峰处的波长确定。
当气体标定时，计算机6控制电动调节架4将空间光耦合望远镜1调节至90°，太阳光自动追踪装置5测量当前的太阳光的高度角和强度，使用不同浓度的标准气体，对测量系统进行标定，得到气体的标定曲线。
本实施例如图2所示的滤光片组件104中，窄带滤光片1用于测量SO2，其波长为290-320nm，中心波长为307.1nm，半峰宽为10nm；窄带滤光片2用于测量NO2，其波长330-370nm，中心波长为350.0nm，半峰宽为10nm，计算机6通过控制步进电机104实现滤光片组件104的旋转。
当空间光耦合望远镜1进行标定时，太阳光自动跟踪装置5测量当前的太阳高度角和光强，由于太阳光高度角和强度变化当太阳天顶角最小时，观测仰角为90°时，大气中的SO2和NO2对于太阳光的吸收最小。在中午12:00，太阳天顶角最小，观测仰角为90°时，计算机6控制高精度电动调节架4，调节望远镜系统1俯仰角为90°，从望远镜的标准气体入口101通入纯氮气用于对系统零点的标定，然后分别0.5ppm，1ppm，2ppm的SO2和NO2标准气体进行三个浓度点吸收光谱信息的采集，通过四个点的吸收光谱信息和浓度关系，计算得到气体浓度的标定曲线。
当正常测量时，太阳光自动跟踪装置5首先测量当前的太阳高度角和光强，记录太阳高度角和光强。计算机6控制高精度电动调节架4分别在5°、10°、15°和20°的角度下进行太阳吸收光谱的测量。在不同角度下每次测量时，计算机6控制步进电机103带动滤光片组件104旋转，当旋转至通孔1041位置测量太阳光全光谱，当旋转至遮光片1042测量太阳光背景光谱，当旋转至窄带滤光片1处测量SO2的大气吸收光谱，当旋转至窄带滤光片2处测量NO2的大气吸收光谱。利用DOAS方法将所测得的光谱进行拟合计算，就得到了SO2气体和NO2气体的差分斜柱浓度分布图。
综上，本发明基于太阳光自动追踪装置的测量和标定系统，可根据测量时的太阳光的高度角和强度，对测量光谱进行修正和补偿；具有空间光耦合望远镜系统的气体标定系统，实现了对测量系统的标定，能够得到不同气体的标定曲线；通过设置滤光片组件，可以测量全光谱，背景光谱和气体的特征吸收光谱；本发明解决了现有多轴差分吸收光谱仪测量时，由于大气气溶胶及颗粒物对太阳光散射造成的测量误差以及测量装置线性曲线标定的问题，减小了测量误差，提高了测量精度。
Claims (7)
1.一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，包括空间光耦合望远镜系统（1）、光谱仪（3）、电动调节架（4）、太阳光自动跟踪装置（5）、计算机（6）、滤光片组件（104）和滤光片组件驱动机构，空间光耦合望远镜系统（1）安装于电动调节架（4），空间光耦合望远镜系统（1）与光谱仪（3）连接，滤光片组件（104）设置于空间光耦合望远镜系统（1）的端部；滤光片组件（104）上设有通孔（1041）、遮光孔以及若干个用于对不同气体进行测量滤光孔；滤光片组件（104）安装于滤光片组件驱动机构，滤光片组件驱动机构能够驱动滤光片组件（104）运动，使滤光片组件（104）上的不同通孔能够与空间光耦合望远镜系统（1）同轴；光谱仪（3）、电动调节架（4）、太阳光自动跟踪装置（5）和滤光片组件驱动机构均与计算机（6）连接；
空间光耦合望远镜系统（1）上设有标准气体入口（101）和标准气体出口（102），标准气体入口（101）和标准气体出口（102）与空间光耦合望远镜系统（1）内腔连通；
标准气体入口（101）和标准气体出口（102）分别位于空间光耦合望远镜系统（1）的两端；
通过太阳光自动跟踪装置（5）测量太阳高度角和光强；计算机（6）根据太阳光自动跟踪装置（5）所测的数据控制电动调节架（4）驱动空间光耦合望远镜系统（1）运动，完成在不同角度下进行太阳吸收光谱的测量。
2.根据权利要求1所述的一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，滤光片组件（104）采用圆盘结构，滤光片组件（104）的中心与滤光片组件驱动机构连接，滤光片组件（104）在其周向上开设有n个通孔；所述n个通孔中，其中一个通孔安装有遮光板（1042），n-2个通孔分别安装有用于对不同气体进行测量的窄带滤光片，安装有遮光板（1042）的通孔作为遮光孔，安装有窄带滤光片的通孔作为滤光孔。
3.根据权利要求1所述的一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，通孔、遮光孔以及滤光孔均为圆孔，且直径不小于空间光耦合望远镜系统（1）光入口的直径。
4.根据权利要求1所述的一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，滤光片组件（104）与空间光耦合望远镜系统（1）端部之间的间距为5-10mm。
5.根据权利要求1所述的一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，滤光片组件驱动机构采用步进电机（103），步进电机（103）的输出轴与空间光耦合望远镜系统（1）的轴线平行，步进电机（103）的输出轴与滤光片组件（104）连接。
6.根据权利要求5所述的一种多轴差分吸收光谱仪测量装置，其特征在于，步进电机（103）设置于空间光耦合望远镜系统（1）的端部。
7.权利要求1-6任意一项所述多轴差分吸收光谱仪测量装置的使用方法，其特征在于，包括如下过程：
通过太阳光自动跟踪装置（5）测量太阳高度角和光强；
计算机（6）根据太阳光自动跟踪装置（5）所测的数据控制电动调节架（4）驱动空间光耦合望远镜系统（1）运动，完成在不同角度下进行太阳吸收光谱的测量；
在不同角度下每次测量时，计算机（6）控制滤光片组件驱动机构带动滤光片组件（104）运动：当通孔（1041）运动至与空间光耦合望远镜系统（1）同轴时，测量太阳光全光谱；当旋转至遮光孔时测量太阳光背景光谱；当运动不同的滤光孔时，测量不同气体的大气吸收光谱；
将所测得的大气吸收光谱进行计算，得到不同气体的浓度；
空间光耦合望远镜系统（1）上设有标准气体入口（101）和标准气体出口（102）；
包括对空间光耦合望远镜系统（1）进行标定：
标定时，从标准气体入口（101）通入纯氮气进行零点的标定，然后分别通入不同浓度的待测量的标准气体，进行不同浓度点吸收光谱信息的采集，通过所述零点以及不同浓度点的吸收光谱信息和浓度关系，计算得到气体浓度的标定曲线，完成标定。
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Denomination of invention: A measurement device and working method for a multi axis differential absorption spectrometer Effective date of registration: 20231128 Granted publication date: 20230707 Pledgee: Industrial Bank Limited by Share Ltd. Xi'an branch Pledgor: XI'AN DINGYAN TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2023610000746 |