CN114354460A - 可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法，属于环境监测技术领域。该系统包括干燥器、静电迁移率分析仪、气溶胶测量腔、加湿器、红外光谱测量系统和定量分析单元。大气环境中颗粒物通过干燥管进入差分粒子电迁移仪，选择特定粒径气溶胶沉积到可控温湿度的气溶胶测量腔的载片上。红外光谱测量系统包括红外光源模块、测量模块和信号接收模块。本发明通过获取不同湿度条件下的气溶胶化学成分和液态水的红外光谱信号，拟合标准液态水光谱，从而直接计算气溶胶中液态水含量。本发明能够解决现有测量技术受气溶胶形状影响而导致误差大问题，实现了大气气溶胶中含水量的快速测量和分析。

Description

可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法。

背景技术

水是大气气溶胶的重要化学组成部分，它影响着大气颗粒物生成、增长和非均相化学反应等，决定了颗粒物的光学性质、化学反应活性以及在大气中的寿命等许多物理化学特性。因此，快速测量大气气溶胶中的含水量，对于理解气溶胶与水汽相互作用，雾霾形成机制以及云气候效应等至关重要。

目前，大气气溶胶中液态水定量测量方法，国内外常用的方法是采用串联吸湿性差分电迁移分析法(HTDMA)。“A study of aerosol liquid water content based onhygroscopicity measurements at high relative humidity in the North ChinaPlain”(Atmospheric Chemistry and Physics,2014,14,6417–6426)文献公开显示，串联吸湿性差分电迁移分析技术测量颗粒物吸湿前后粒径变化率，计算颗粒物含水量。“Watercontent of aged aerosol”(Atmospheric Chemistry and Physics,2011,11(3):911-920)公开显示另外一种是干燥-环境湿度颗粒物数谱测量(DAASS)方法，也实现大气气溶胶中含水量的测量，但其时间分辨率较低。中国专利CN 201911236468.X公开了一种纳米级颗粒物含水量快速测量装置及其测量方法，通过测量30％相对湿度和环境湿度状态下的大气纳米级颗粒物数浓度分布，反演得到纳米级(3-100nm)颗粒物含水量。中国专利CN202010863880.0公开了一种基于表面等离激元共振成像的纳米单颗粒物含水量测量装置及方法，通过纳米气溶胶成像计算单颗粒物粒径，从而实现纳米单颗粒物含水量的测量。上述这些方法假定气溶胶为球形，受大气气溶胶形状和密度等多因素影响，导致液态水测量结果误差较大。中国专利CN 202022678215.2公开了一种大气气溶胶痕量液态水含量的测量装置，通过测量石英晶体微天平测量信号，获得气溶胶样品吸收液态水的质量，但石英晶体微天平测量信号受外界环境参数条件的影响较大，无法实现液态水质量的快速实时测量和获取。

综上所述，国内外的各种大气溶胶含水量的测量系统和方法，测量精度较低，很难同时兼顾高精度与快速实时测量，因此，需要设计一种可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统及方法，该测量系统及方法利用构建标准液态水红外光谱和非线性最小二乘拟合算法，实现了气溶胶液态水准确快速测量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，包括干燥器、静电迁移率分析仪、气溶胶测量腔、加湿器和红外光谱测量系统；所述气溶胶测量腔包括两端开口的腔体以及分别安装在腔体两端开口处的透光镜片一与透光镜片二；所述腔体上开设有进气口和出气口；所述干燥器的出口接静电迁移率分析仪的入口，静电迁移率分析仪的出口与透光镜片一对应设置；所述加湿器的出口与进气口相连；所述气溶胶测量腔位于红外光谱测量系统的光路上。

进一步的，所述透光镜片一可拆卸安装在腔体一端的开口处；所述透光镜片二安装在腔体另一端的开口处，且透光镜片二与腔体开口处之间设有密封圈；所述透光镜片一和透光镜片二均采用硒化锌材质，透光镜片一的直径为3cm；所述腔体采用不锈钢材质。

进一步的，所述静电迁移率分析仪包括撞击器、X射线电中和器和差分电迁移率分析仪；所述撞击器的入口接干燥器的出口，撞击器的出口接X射线电中和器的入口，X射线电中和器的出口接差分电迁移率分析仪的入口，差分电迁移率分析仪的出口与透光镜片一相连。

进一步的，所述红外光谱测量系统包括红外光源、干涉仪、红外测量单元、红外探测器和采集分析软件；红外光源发出的红外光经干涉仪干涉后经过气溶胶测量腔达到红外探测器，采集分析软件用来采集和分析达到探测器的红外信号，并转化成红外吸收光谱；所述气溶胶测量腔放置在红外光谱测量系统的测量样品位置，气溶胶测量腔在红外光源发出的红外光的光路上；探测器获取气溶胶测量腔的光谱并发送到采集分析软件。

进一步的，所述加湿器的出气口通过三通阀与气溶胶测量腔的进气口相连，加湿器的出气口通过管路一与三通阀的进气口相连，三通阀的出气口一通过管路二接气溶胶测量腔的进气口，三通阀的出气口二接外界环境；所述管路二上安装有用于调节气体流量的针阀；所述管路一和管路二均采用聚四氟乙烯管；所述气溶胶测量腔的出气口连接有二通阀，所述二通阀用于在湿度调整过程中排放湿度气体。

本发明还涉及一种上述可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)大气气溶胶先进入干燥管进行干燥处理，再进入静电迁移率分析仪筛选出特定粒径的大气气溶胶，特定粒径的大气气溶胶从静电迁移率分析仪出来后沉积到透光镜片一上。在大气气溶胶先进入静电迁移率分析仪筛选出特定粒径前，必须经过干燥管干燥处理，这样能够保证产生的气溶胶基本处于干粒子状态，没有吸收液态水。

(2)将沉积用大气气溶胶的透光镜片一从腔体上拆下来，在腔体上安装上一片空白透光镜片一，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外单光谱发送给控制器，将该光谱作为背景光谱X0。

(3)将步骤(2)中的空白透光镜片一从腔体上拆卸下来，将步骤(1)中沉积有特定粒径大气气溶胶的透光镜片一，重新安装到气溶胶测量腔的腔体上，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外吸收光谱X1，采用公式X＝X1-X0求得大气气溶胶在环境湿度下的红外吸收光谱X。

(4)打开气溶胶测量腔的进气口和出气口，采用加湿器向气溶胶测量腔中通入设定湿度的气体，持续时间T后，关闭气溶胶测量腔的进气口和出气口，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外吸收光谱，获取大气气溶胶在特定湿度下的红外吸收光谱。

(5)调整加湿器输出的气体的湿度，重复步骤(4)，获取不同特定湿度下的大气气溶胶红外吸收光谱。

(6)获取含有吸收系数的液态水标准光谱，根据红外光谱测量系统中仪器的分辨率对含有吸收系数的液态水标准光谱进行插值，然后根据测量温度和理想气体状态方程，将液态水标准光谱转化成和大气气溶胶红外吸收光谱相同条件下的液态水红外吸收光谱。

(7)采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析。

进一步的，步骤(7)中所述的“采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析”，其具体步骤为：

(71)假设非线性系统的模型为y＝f(x，θ)，已知在若干个波数点x1，x2，x3……xn及对应的吸收系数为y1，y2，y3……yn，使拟合出来的y^fit与实际因变量y最接近。

非线性最小二乘拟合的目标函数为：

其中，θ待拟合曲线函数的参数。

(72)采用非线性最小二乘算法对大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，使Q的值最小。

(73)利用以下公式求得大气气溶胶中的液态水含量：

y^fit＝y_标准*A

其中，y＝f(x，θ)为测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱，y^fit＝f(x^fit，θ)为将测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱与液态水红外吸收光谱拟合后的光谱，y_标准为液态水红外吸收光谱，A为大气气溶胶中液态水含量。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明所述的测量系统及测量方法采用了红外光谱的光学方法无接触直接测量方式，测量气溶胶中液态水含量，具有结构简单、操作方便、无接触和无前处理等特点。

(2)本发明中所述的大气气溶胶中液态水含量的定量分析算法，采用了合成含有吸收系数的液态水红外吸收光谱，和测量红外光光谱通过非线性最小二乘拟合，进行多次迭代，使y_fit与实际因变量y最接近。此方法利用液态水的红外特征吸收峰和吸收参数，且考虑了仪器分辨率、环境温度的影响，可以适用于多型号仪器和各种外界环境条件，定量分析算法不受气溶胶形状和密度等影响，定量分析结果稳定，精确度高，可以实现大气气溶胶中水含量的定量分析。

(3)本发明采用撞击器式的模式对特定粒径的大气气溶胶进行沉积筛选，使大气气溶胶沉积到直径为3cm的透光镜片一上。考虑到进入红外光谱测量样品舱的红外光束直接大约为3cm，气溶胶沉积面积比红外透光光束稍小，本发明将透光镜片一的直径设定为3cm，这样能够保证沉积到硒化锌片上的气溶胶光斑很小，和通过硒化锌片的红外光谱差不多，从而既保证了大气气溶胶中液态水能够全部被测量，又能够消去气溶胶沉积膜不均匀带来的定量误差。

(4)本发明通过在加湿器的出气口与气溶胶测量腔的进气口之间设置三通阀，对进入到气溶胶测量腔的气体流量进行微调，这样可以保证进入气溶胶测量腔的气体流量小于1l/min，保证气溶胶测量腔内气体流量稳定，且不会对镜片上气溶胶造成损失。

(5)本发明通过在气溶胶测量腔的出气口处设置二通阀，既能够在湿度调整过程中排放湿度气体，又能够在测量过程中关闭二通阀，保证气溶胶测量腔内气流的稳定性、密封性。

(6)本发明的气溶胶测量腔采用直接为3cm，长度为2cm的圆柱体设计，主要考虑到进入红外光谱测量样品舱的红外光束直接大约为3cm，此光束大小和气溶胶测量腔的直径大致相当，保证红外光束经过透光镜片二全部进入到气溶胶测量腔中，且汇聚于透光镜片一上。除透光镜片一外，气溶胶测量腔采用密封设计(即在透光镜片二与气溶胶测量腔开口之间设置密封圈)，能够避免外界条件对测量光谱的影响。透光镜片一和透光镜片二选用硒化锌中红外透光材料，能够保证测量样品光谱中无其他杂质峰的引入，定量分析结果不受镜片的影响。

附图说明

图1是本发明中的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统的原理图；

图2a是气溶胶测量腔的结构示意图一；

图2b是气溶胶测量腔的结构示意图二；

图3a为红外光源打开时，气溶胶测量腔装有空白硒化锌基片的红外吸收光谱；

图3b为红外光源打开时，气溶胶测量腔装有沉积有大气气溶胶的硒化锌基片的红外吸收光谱；

图4为本发明中所述的非最小二乘法线性拟合示意图。

其中：

100、干燥器；200、静电迁移率分析仪，201、撞击器，202、X射线电中和器，203、差分电迁移率分析仪；300、气溶胶测量腔，301、进气口，302、透光镜片一，303、透光镜片二，304、出气口，305、腔体；400、加湿器，401、温度控制模块，402、Nafion管，403反馈和调制模块；500、红外光谱测量系统，501、红外光源，502、干涉仪，503、红外探测器，504、采集分析软件；600、定量分析算法模块，601、液态水标准红外吸收光谱，602、大气气溶胶红外吸收光谱，603、非线性最小二乘拟合算法；700、三通阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，包括干燥器100、静电迁移率分析仪200、气溶胶测量腔300、加湿器400和红外光谱测量单元红外光谱测量系统500。所述气溶胶测量腔300包括两端开口的腔体305以及分别安装在腔体305两端开口处的透光镜片一302与透光镜片二303；所述腔体305上开设有进气口301和出气口304。所述干燥器100的出口接差分粒子粒径筛选仪静电迁移率分析仪200的入口，差分粒子粒径筛选仪静电迁移率分析仪200的出口与透光镜片一302对应设置；所述加湿器400的出口与进气口相连；所述气溶胶测量腔300位于红外光谱测量单元红外光谱测量系统500的光路上。大气气溶胶通过干燥器去除水蒸气，经过静电迁移率分析仪筛选出特定粒径的气溶胶，特定粒径的气溶胶沉积到透光镜片一上。加湿器通过三通阀连接气溶胶测量腔进气口，用于调制气溶胶测量腔的湿度范围，气溶胶测量腔出气口连接二通阀，用于调整湿度过程中，湿度气体的排放。红外光谱测量系统测量气溶胶测量腔内不同湿度条件下的气溶胶化学成分和液态水的红外光谱信号，利用非线性最小二乘拟合算法精确计算气溶胶中液态水含量。该测量系统还包括定量分析算法模块600，定量分析算法模块包括液态水标准红外吸收光谱601、大气气溶胶红外吸收光谱602和非线性最小二乘拟合算法603三大部分，即利用非线性最小二乘拟合算法将液态水标准红外吸收光谱和大气气溶胶红外吸收光谱进行拟合，根据拟合结果获取大气气溶胶中的液态水含量。

如图2a和图2b所示，所述气溶胶测量腔300包括两端开口的腔体305以及分别安装在腔体305两端开口处的透光镜片一302与透光镜片二303；所述透光镜片一302可拆卸安装在腔体305一端的开口处；所述透光镜片二303安装在腔体305另一端的开口处，且透光镜片二303与腔体305开口处之间设有密封圈；所述透光镜片一302和透光镜片二303均采用硒化锌材质，透光镜片一302的直径为3cm；所述腔体305采用不锈钢材质。

如图1所示，所述静电迁移率分析仪200包括撞击器201、X射线电中和器202和差分电迁移率分析仪203；所述撞击器201的入口接干燥器100的出口，撞击器201的出口接X射线电中和器202的入口，X射线电中和器202的出口接差分电迁移率分析仪203的入口，差分电迁移率分析仪203的出口与透光镜片一302相连。

如图1所示，所述红外光谱测量系统500包括红外光源501、干涉仪502、红外测量单元、红外探测器503和采集分析软件504。红外光源501发出的红外光经干涉仪502干涉后，穿过气溶胶测量腔300达到红外探测器503，采集分析软件504利用现有技术采集和分析达到红外探测器503的红外信号，并转化成红外吸收光谱。所述气溶胶测量腔300放置在红外光谱测量系统放置测量样品的位置，气溶胶测量腔300在红外光源501发出的红外光的光路上。红外探测器503获取气溶胶测量腔300的光谱并发送到采集分析软件504。红外光谱测量系统的红外光源穿过气溶胶测量腔，其探测器接收到不同湿度条件下的气溶胶化学成分和液态水的红外光谱信号。

进一步的，所述干燥器100含有硅胶干燥剂的干燥管和设置在干燥管上的进气口与出气口。

进一步的，所述加湿器400的出气口通过三通阀700与气溶胶测量腔300的进气口相连，加湿器400的出气口通过管路一与三通阀700的进气口相连，三通阀700的出气口一通过管路二接气溶胶测量腔300的进气口，三通阀700的出气口二接外界环境。所述管路二上安装有用于调节气体流量的针阀。所述管路一和管路二均采用聚四氟乙烯管。所述气溶胶测量腔300的出气口连接有二通阀，所述二通阀用于在湿度调整过程中排放湿度气体。加湿器包括能调整气体湿度范围和气体流速的反馈和调制模块、温度控制器、流量计和Nafion管。加湿器的气体湿度范围为50-99％，气体采用了干净空气和水蒸气的混合。所述加湿器可以采用中国专利CN 201911236468.X中的纳米级颗粒物含水量快速测量装置。

本发明还涉及一种上述可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统的测量方法，该方法包括以下步骤：

(1)大气气溶胶先进入干燥管100进行干燥处理，再进入静电迁移率分析仪200筛选出特定粒径的大气气溶胶，特定粒径的大气气溶胶从静电迁移率分析仪200出来后沉积到透光镜片一302上。在大气气溶胶先进入静电迁移率分析仪200筛选出特定粒径前，必须经过干燥管100干燥处理，这样能够保证产生的气溶胶基本处于干粒子状态，没有吸收液态水。干燥器用于去除水蒸气。经过干燥处理后的大气气溶胶通过静电迁移率分析仪的入口进入到静电迁移率分析仪中，在某一电压下(对应一定的电场强度)，具有一定荷质比的负电颗粒将迁移至差分粒子粒径筛选仪下端狭缝而逸出，其余荷质比及其电中性、正电荷颗粒将随过剩气流被过滤排出。具有一定荷质比的粒子具有特定的粒径，筛选出特定粒径的大气气溶胶，沉积到直径为3cm的透光镜片一上。

具体地说，在静电迁移率分析仪上输入100nm粒径，在1660V电压下，具有一定荷质比的负电颗粒将迁移至差分电迁移率分析仪，100nm粒径的大气气溶胶沉积到直径为3cm的透光镜片一上，其余荷质比及电中性、正电荷颗粒将随过剩气流被过滤排出，气体流量1l/min，鞘气流量10l/min。本发明可以选择沉积10nm～10μm不同粒径的大气气溶胶。

(2)将沉积用大气气溶胶的透光镜片一302从腔体305上拆下来，在腔体305上安装上一片空白透光镜片一602，开启红外光谱测量系统500，打开红外光源501，红外光源501发出的红外光束经过干涉仪502、气溶胶测量腔300到达红外探测器503，采集此时的红外单光谱发送给控制器，将该光谱作为背景光谱X0。红外光谱测量系统主要用于测量大气气溶胶的液态水红外吸收光谱。首先气溶胶测量腔放置于红外光谱仪样品测量仓内，其承载有气溶胶样品的载片中心和红外光聚光点中心重合，载片上气溶胶样品的大小和经过它的红外光的光斑大小相同。红外光源发出的红外光经过红外干涉仪、气溶胶测量腔后达到红外探测器，采集分析软件采集气溶胶测量腔载片上全部气溶胶红外吸收光谱。

(3)将步骤(2)中的空白透光镜片一从腔体上拆卸下来，将步骤(1)中沉积有特定粒径大气气溶胶的透光镜片一，重新安装到气溶胶测量腔的腔体上，开启红外光谱测量系统，打开红外光源501，红外光源501发出的红外光束经过干涉仪502、气溶胶测量腔300到达红外探测器503，采集此时的红外吸收光谱X1，采用公式X＝X1-X0求得大气气溶胶在环境湿度下的红外吸收光谱X。

(4)打开气溶胶测量腔300的进气口和出气口，采用加湿器400向气溶胶测量腔300中通入设定湿度的气体，持续时间T后，关闭气溶胶测量腔300的进气口和出气口，开启红外光谱测量系统500，打开红外光源501，红外光源发出的红外光束经过干涉仪502、气溶胶测量腔300到达红外探测器503，采集此时的红外吸收光谱，获取大气气溶胶在特定湿度下的红外吸收光谱。加湿器的进气口连接有洁净空气、Nafion管402，此路气体作为干燥气体；另外一路温控模块401空气的水蒸气；两路气体混合，通过反馈和调制模块403调节混合气体的湿度、流速。

(5)调整加湿器400输出的气体的湿度，重复步骤(4)，获取不同特定湿度下的大气气溶胶红外吸收光谱。气溶胶测量腔的出气口连接一个二通阀，在通过加湿器调整气溶胶测量腔的湿度过程中，二通阀是开放状态。加湿器的干湿混合气体通过三通阀进入气溶胶测量腔，同时通过气溶胶测量腔的出气口排出，等达到特定湿度后，静止5分钟，关闭三通阀和二通阀，此时加湿器气体通过三通阀直接通到大气中。待气溶胶测量腔中气压和湿度稳定后，测量气溶胶在该湿度环境下的红外吸收光谱。以此循环，可以测量大气气溶胶在不同湿度下的红外吸收光谱。

(6)获取含有吸收系数的液态水标准光谱，根据红外光谱测量系统500中仪器的分辨率对含有吸收系数的液态水标准光谱进行插值，然后根据测量温度和理想气体状态方程，将液态水标准光谱转化成和大气气溶胶红外吸收光谱相同条件下的液态水红外吸收光谱。

(7)采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析。

进一步的，步骤(7)中所述的“采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析”，其具体步骤为：

(71)假设非线性系统的模型为y＝f(x，θ)，已知在若干个波数点x1，x2，x3……xn及对应的吸收系数为y1，y2，y3……yn，使拟合出来的y^fit与实际因变量y最接近；

非线性最小二乘拟合的目标函数为：

其中，θ待拟合曲线函数的参数。

(72)采用非线性最小二乘算法对大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，使Q的值最小。

(73)利用以下公式求得大气气溶胶中的液态水含量：

y^fit＝y_标准*A

其中，y＝f(x，θ)为测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱，y^fit＝f(x^fit，θ)为将测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱与液态水红外吸收光谱拟合后的光谱，y_标准为液态水红外吸收光谱，A为大气气溶胶中液态水含量。

(8)差分粒子粒径筛选仪可以选择不同的粒径范围的气溶胶。重复步骤(1)-(7)，即可测量不同粒径、不同化学成分、不同湿度下的大气气溶胶中的液态水含量。本发明可以获取不同湿度环境下(相对湿度为30～99％)、不同粒径(10nm～10μm)大气气溶胶的红外吸收光谱。

图3a为红外光源打开时，气溶胶测量腔装有空白硒化锌基片的红外吸收光谱，在图3a所示的光谱上，没有液态水的吸收峰。图3b为红外光源打开时，气溶胶测量腔装有沉积有大气气溶胶的硒化锌基片的红外吸收光谱。从图3b可以看出，在3250cm^-1出现了很明显的液态水的吸收峰。图4为本发明中所述的非最小二乘法线性拟合示意图，从该图中可以看出，测量光谱和拟合光谱基本重合，Q为0.1～0.3％。说明拟合结果很好。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，其特征在于：包括干燥器、静电迁移率分析仪、气溶胶测量腔、加湿器和红外光谱测量系统；所述气溶胶测量腔包括两端开口的腔体以及分别安装在腔体两端开口处的透光镜片一与透光镜片二；所述腔体上开设有进气口和出气口；所述干燥器的出口接静电迁移率分析仪的入口，静电迁移率分析仪的出口与透光镜片一对应设置；所述加湿器的出口与进气口相连；所述气溶胶测量腔位于红外光谱测量系统的光路上。

2.根据权利要求1所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，其特征在于：所述透光镜片一可拆卸安装在腔体一端的开口处；所述透光镜片二安装在腔体另一端的开口处，且透光镜片二与腔体开口处之间设有密封圈；所述透光镜片一和透光镜片二均采用硒化锌材质，透光镜片一的直径为3cm；所述腔体采用不锈钢材质。

3.根据权利要求1所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，其特征在于：所述静电迁移率分析仪包括撞击器、X射线电中和器和差分电迁移率分析仪；所述撞击器的入口接干燥器的出口，撞击器的出口接X射线电中和器的入口，X射线电中和器的出口接差分电迁移率分析仪的入口，差分电迁移率分析仪的出口与透光镜片一相连。

4.根据权利要求1所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，其特征在于：所述红外光谱测量系统包括红外光源、干涉仪、红外测量单元、红外探测器和采集分析软件；红外光源发出的红外光经干涉仪干涉后经过气溶胶测量腔达到红外探测器，采集分析软件用来采集和分析达到探测器的红外信号，并转化成红外吸收光谱；所述气溶胶测量腔放置在红外光谱测量系统的测量样品位置，气溶胶测量腔在红外光源发出的红外光的光路上；探测器获取气溶胶测量腔的光谱并发送到采集分析软件。

5.根据权利要求1所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统，其特征在于：所述加湿器的出气口通过三通阀与气溶胶测量腔的进气口相连，加湿器的出气口通过管路一与三通阀的进气口相连，三通阀的出气口一通过管路二接气溶胶测量腔的进气口，三通阀的出气口二接外界环境；所述管路二上安装有用于调节气体流量的针阀；所述管路一和管路二均采用聚四氟乙烯管；所述气溶胶测量腔的出气口连接有二通阀，所述二通阀用于在湿度调整过程中排放湿度气体。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)大气气溶胶先进入干燥管进行干燥处理，再进入静电迁移率分析仪筛选出特定粒径的大气气溶胶，特定粒径的大气气溶胶从静电迁移率分析仪出来后沉积到透光镜片一上；

(2)将沉积用大气气溶胶的透光镜片一从腔体上拆下来，在腔体上安装上一片空白透光镜片一，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外单光谱发送给控制器，将该光谱作为背景光谱X0；

(3)将步骤(2)中的空白透光镜片一从腔体上拆卸下来，将步骤(1)中沉积有特定粒径大气气溶胶的透光镜片一，重新安装到气溶胶测量腔的腔体上，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外吸收光谱X1，采用公式X＝X1-X0求得大气气溶胶在环境湿度下的红外吸收光谱X；

(4)打开气溶胶测量腔的进气口和出气口，采用加湿器向气溶胶测量腔中通入设定湿度的气体，持续时间T后，关闭气溶胶测量腔的进气口和出气口，开启红外光谱测量系统，打开红外光源，红外光源发出的红外光束经过干涉仪、气溶胶测量腔到达探测器，采集此时的红外吸收光谱，获取大气气溶胶在特定湿度下的红外吸收光谱；

(5)调整加湿器输出的气体的湿度，重复步骤(4)，获取不同特定湿度下的大气气溶胶红外吸收光谱；

(6)获取含有吸收系数的液态水标准光谱，根据红外光谱测量系统中仪器的分辨率对含有吸收系数的液态水标准光谱进行插值，然后根据测量温度和理想气体状态方程，将液态水标准光谱转化成和大气气溶胶红外吸收光谱相同条件下的液态水红外吸收光谱；

(7)采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析。

7.根据权利要求6所述的可快速实时测量气溶胶液态水的高精度测量系统的测量方法，其特征在于：步骤(7)中所述的“采用非线性最小二乘算法将步骤(5)测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，对大气气溶胶中液态水含量进行定量分析”，其具体步骤为：

(71)假设非线性系统的模型为y＝f(x，θ)，已知若干个波数点x1，x2，x3……xn及对应的吸收系数为y1，y2，y3……yn，通过使目标函数的值最小，使拟合出来的y^fit与实际因变量y最接近；

非线性最小二乘拟合的目标函数为：

其中，θ待拟合曲线函数的参数；

(72)采用非线性最小二乘算法对大气气溶胶红外吸收光谱和液态水红外吸收光谱进行拟合，使Q的值最小；

(73)利用以下公式求得大气气溶胶中的液态水含量：

y^fit＝y_标准*A

其中，y＝f(x，θ)为测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱，y^fit＝f(x^fit，θ)为将测量得到的大气气溶胶红外吸收光谱与液态水红外吸收光谱拟合后的光谱，y_标准为液态水红外吸收光谱，A为大气气溶胶中液态水含量。

Images