CN203858183U - 多通道气溶胶散射吸收测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多通道气溶胶散射吸收测量仪，包括光路装置、检测装置和气路装置，光路装置提供3个不同波长的激光并依次进入检测装置；在检测装置设置多角度的光电探测器进行测量，减小了气溶胶散射系数的测量误差；气路装置包括进样单元、定标单元和出样单元，来自光路装置的光源和来自气路装置的气流分别进入检测装置的光声腔并由控制单元进行检测。本实用新型的气溶胶散射吸收测量仪具有多通道、多角度、全尺度直接测量气溶胶粒子的散射相函数和吸收系数的特点，并兼备同步获取气溶胶的散射系数、消光系数、能见度、透过率、单次散射反照率等光学参数的功能，实现气溶胶各光学参数的一体化在线检测，自动化程度高、稳定性好。

Description

多通道气溶胶散射吸收测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种大气气溶胶吸收系数测量装置，具体地涉及一种多通道气溶胶散射吸收测量仪。 

背景技术

大气气溶胶是气体和在重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子组成的混合系统，同时也是指悬浮在大气中的直径在0.001～100μm的液体或固体微粒体系，是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一。从大气能量平衡的角度来看，气溶胶在紫外、可见到红外很宽的波段内对辐射传输产生影响。气溶胶的光学效应导致所在大气层被加热，从而减少了到达地表的太阳辐射，使得地面蒸发受到影响，亦改变了水循环，此为气溶胶的直接效应。它还起到云凝结核的作用，大量的气溶胶颗粒有可能使云滴的数密度增加，导致云滴的平均半径变小，使得降水减少、云量下降，影响了云的辐射特性，此为气溶胶的间接效应。这些状况改变了地-气系统的能量平衡，从而也影响了人类赖以生存的气候环境条件。因此，对于气溶胶直接和间接效应的研究是大气科学中的基础科学问题。 

目前，我国大气探测领域气溶胶散射相函数和光吸收等光学参数的常规观测尚未进行，学术界对气溶胶的散射和吸收特性的科学观测尚不完善，对气溶胶各光学特性(气溶胶散射系数、吸收系数、散射相函数、消光系数、透过率、能见度、单次散射反照率)的测量没有实现同步一体化获取，缺少气溶胶散射相函数和单次散射反照率的直接测量科学仪器。现在已有的使用光腔衰荡方法测量的气溶胶散射系数和吸收系数是通过测量消光系数和散射系数来确定气溶胶吸收系数，此方法对于气溶胶吸收系数的测量是间接的，而且该方法不能够提供气溶胶散射相函数的直接测量结果。还有，目前的散射系数测量缺少近轴小角附近的光散射强度的直接测量结果(比如积分浊度计)，因为近轴前后向散射测量的缺少，使得气溶胶散射系数的测量存在较大误差。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提供一种多通道气溶胶散射吸收测量仪，其能在不同的环境下同步获取多通道气溶胶的散射系数和吸收系数，实现散射相函数、消光系数、能见度、透过率、单次散射反照率等气溶胶光学参数的实时在线一体化测量，自动化程度高、稳定性好。 

为实现上述目的，本实用新型采用提供一种多通道气溶胶散射吸收测量仪，包括光路装置、检测装置和气路装置，所述光路装置用于提供光源；所述检测装置包括控制单 元和检测单元；所述检测单元包括光声腔、第一长程多次反射镜、第二长程多次反射镜、六个光电探测器、温压湿传感器和声转换器，其中所述第一长程多次反射镜和第二长程多次反射镜分别位于光声腔的两端，第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61的反射原理同Herriott型光学长程池，反射的结果使得光路在两个长程多次反射镜之间形成空心圆柱形的光柱，从而在两个长程多次反射镜之间形成一个空腔，所述光声腔将所述的两个长程多次反射镜罩住形成检测腔；所述光电探测器中的其中一个设置于检测装置的外部用于检测从检测单元出射的光源的光强度，其他的光电探测器设置于光声腔的表面用于测量不同角度的气溶胶的散射强度；所述温压湿传感器和声转换器分别设置于所述光声腔的内表面，所述声转换器设置于光声腔的中间位置并与光声腔的长轴垂直，所述光电探测器、温压湿传感器和声转换器分别与所述控制单元连接；所述气路装置包括进样单元、定标单元和出样单元，其中，所述进样单元和出样单元分别与所述光声腔的两端相通；来自光路装置的光源和来自气路装置的气流分别进入检测装置的光声腔并由控制单元进行检测。光声腔的检测原理是光照射到气溶胶粒子上时由于粒子会吸收光能从而会产生声压，光和声之间的相互转换，由于光声光谱测量的是样品吸收光能产生声压的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰较小，而将长程第一长程多次反射镜和第二长程多次反射镜植入到光声腔中，可大幅加强声压转换器的探测信号，并使得透过率的测量容易实现，声压转换器即麦克风是直接测量气溶胶吸收系数的探测传感器。其中，所述的温压湿传感器为一个集成测量温度、压力和湿度的传感器，此温压湿传感器也可以由单独的温度传感器、压力传感器和湿度传感器代替。 

优选地，所述光路装置包括依次连接的激光发射单元和激光调制单元，所述激光发射单元包括激光器和激光器的控制器，所述激光发射单元发射基频波长为1064nm的激光；所述激光调制单元包括依次连接的倍频单元、分频单元和光路耦合单元，所述激光调制单元将波长为1064nm的基频激光调制为波长分别为1064nm、532nm和355nm的激光并依次进入检测装置。上述三个波长的激光是目前经常使用的探测大气溶胶的常用地基和星载激光雷达的波长，横跨近红外波段1064nm、可见光波段532nm和紫外波段355nm，选这三个波长有利于在后期的大气探测中得到更加广泛的应用。同时，本实用新型的光路装置提供的光源也可以由多个单波长激光器来提供，如可以利用3个单波长激光器分别提供波长分别为870nm、405nm和781nm的激光，也可以根据需要只选择单个波长的激光器，如仅测量1064nm的基频波长，这时将不用进行分频和倍频而只测量1064nm波长下的气溶胶光学特性。本实用新型的优选方案中通过使用倍频晶体将波长1064nm的激光分为1064nm、532nm和355nm的激光，达到多通道测量的目的。 

其中，所述激光调制单元包括依次连接的倍频单元、分频单元和光路耦合单元。 

具体地，所述倍频单元包括依次设置的斩波器、第一透镜、第一LBO三倍频晶体、第二透镜和第二LBO三倍频晶体，其中，来自激光发射单元的波长为1064nm的激光，经过斩波器进行调频后，依次通过第一透镜和第一LBO三倍频晶体后变为波长为1064nm和532nm的激光，所述1064nm和532nm的激光依次经过第二透镜和第二LBO三倍频晶体后变为波长为1064nm、532nm和355nm的激光。其中，所使用的LBO三倍频晶体是三倍频晶体LiB₃O₅，其可将基频激光器输出1064nm激光波长获得1064、532和355nm三个波长，具有宽的透光波段、高的损伤阈值和大的接受角，在LBO三倍频晶体表面有防反射镀膜(增透膜)。 

所述分频单元包括第三透镜、第四透镜、第五透镜、第一分光镜、第二分光镜、第一遮光器、第二遮光器和第三遮光器，来自倍频单元的激光首先依次通过第一透镜和第一分光镜将激光分为第一光束和第二光束，其中第一光束通过第一遮光器得到波长为355nm的激光；第二光束依次经过第四透镜和第二分光镜将激光分为第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通过第二遮光器得到波长为532nm的激光，第四光束依次通过第五透镜和第三遮光器得到波长为1064nm的激光。 

所述光路耦合单元包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第三折叠镜、光路耦合器和光路准直器，其中，来自光路装置的波长为355nm的激光依次通过第六透镜、第一折叠镜、第七透镜后进入光路耦合器；来自光路装置的波长为532nm的激光依次通过第八透镜、第二折叠镜、第九透镜后进入光路耦合器；来自光路装置的波长为1064nm的激光依次通过第十透镜、第三折叠镜、第十一透镜后进入光路耦合器，三路不同波长的激光依次进入光路耦合器，然后依次通过第十二透镜进入光路准直器，最后再通过第十三透镜进入到检测装置。优选地，位于光声腔表面的光电探测器的个数为5个，分别为第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器，其中，第一光电探测器的探测角度为3°和177°；第二光电探测器的探测角度为33°和147°；第三光电探测器的探测角为90°；第四光电探测器的探测角为1°到179°；第五光电探测器的探测角为55°和125°，5个光电探测器按照探测角度安装在光声腔的内表面。为了使得气溶胶散射相函数测量的精确，至少要设置4个光电探测器，在空间满足的情况下安装的探测器可以适当增加，但并非越多越好，较多的探测器会改变探测腔体的本征频率，反而不利，范围以4-10个为宜。 

所述的进样单元包括依次连接的气溶胶切割头、流量计、三通阀和质量流量计，所述气溶胶进样气流首先经过气溶胶切割头和流量计，再经过三通阀和质量流量计进入检测装置，其中，所述三通阀和所述质量流量计之间设置有温压湿传感器。 

所述的定标单元包括零气发生器、第一标气源和第二标气源，其中，来自零气发生器的零气、来自第一标气源的第一标气和来自第二标气源的第二标气分别通过质量流量计后进入到检测单元。 

所述的出样单元包括依次连接的质量流量计、流量计和泵，经过检测单元的气流依次经过质量流量计和流量计，然后在泵的拖曳下排出检测单元，其中，所述质量流量计和流量计之间设置有温压湿传感器。 

所述多通道气溶胶散射吸收测量仪设置有温度控制单元，所述温度控制单元包括双层不锈钢箱体、半导体制冷器、热交换风扇和温压湿传感器，其中，所述双层不锈钢箱体罩在所述检测装置的外面；所述半导体制冷器、热交换风扇和温压湿传感器分别设置于所述双层不锈钢箱体的表面；所述双层不锈钢箱体的一侧开设有窗口，使来自光路装置的光源进入所述检测装置；所述温压湿传感器检测的数据传送到控制装置，控制装置根据传送的数据决定是否启动半导体制冷器和热交换风扇来对双层不锈钢箱体内的温度进行控制。 

所述多通道气溶胶散射吸收测量仪设置有进气隔音装置和排气隔音装置，其中，所述进气隔音装置包括依次连接的第一缓冲器、第一声波滤器和第二缓冲器，其中，所述第一缓冲器设置于进样单元的出口处并与第一接收器相连，所述第二缓冲器构成所述光声腔的一端；所述排气隔音装置包括一次连接的第三缓冲器、第二声波滤器和第四缓冲器进样单元的连接，其中，所述第三缓冲器设置于出样单元的入口处并与第二接收器相连，所述第四缓冲器构成所述光声腔的另一端。 

本实用新型中各个透镜的设置是为了使得激光每一次经过晶体或者光路转换后到达下一级时能够消除色散并使光路尽可能的以集束式的方式进入下一级，为了更好的实现其效果，各个透镜需要镀增透膜，使其透过率在99.9％以上。透镜材质可以是塑胶透镜和玻璃透镜两种，为减少成本可以选择塑胶透镜。为了适应空间满足器件的放置要求，可以在系统中设置全反射镜和透镜来改变光路的传播方向。 

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪不仅能够直接测量气溶胶的散射相函数和吸收系数，而且还实现了多通道(3个波长)、多角度、全尺度(0.001～100μm)的气溶胶散射相函数和吸收系数光声光谱同步在线直接测量仪，全面覆盖气溶胶粒子整个散射空间强度分布，在精确获取气溶胶散射相函数和吸收系数的基础上，准确获取气溶胶散射系数、消光系数、透过率、能见度、单次散射反照率，从而实现气溶胶各光学特性的同步一体化获取。 

附图说明

图1为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪结构示意图； 

图2为光电探测器的安装部位示意图和局部方法示意图； 

图3为散射相函数和吸收测量腔示意图及声压强度分布图示； 

图4为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为532nm时不同有效半径的气溶胶粒子散射相函数分布图，图4(a)、(b)、(c)和(d)分别为气溶胶粒子有效半径为0.18um、0.44um、0.60um和0.74um处的气溶胶粒子散射相函数； 

图5为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为355nm、532nm和1064nm三个通道上的气溶胶散射系数随相对湿度的变化图； 

图6为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为355nm、532nm和1064nm三个通道上的气溶胶吸收系数随相对湿度的变化图； 

图7为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为355nm、532nm和1064nm三个通道上的气溶胶单次散射反照率随相对湿度的变化图。 

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本实用新型。 

本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪，主要包括光路装置A、检测装置B、气路装置C、温度控制单元、进气隔音装置和排气隔音装置。 

光路装置包括依次连接的激光发射单元和激光调制单元。其中，如图1所示，激光发射单元包括依次连接的供电电源1、切换开关2、稳压器3、切换开关4、激光器的控制器5和激光器6，在切换开关2联通后，为稳压器3供电，在切换开关4联通之后，通过激光器的控制器5控制激光器6，输出基频波长为1064nm的激光。稳压器3是为了保证对激光器的供电电压。 

激光调制单元包括依次连接的倍频单元、分频单元和光路耦合单元，其中，倍频单元包括依次设置的斩波器91、第一透镜7、第一LBO三倍频晶体8、第二透镜9和第二LBO三倍频晶体10。所使用的LBO三倍频晶体是三倍频晶体LiB₃O₅，其可使基频激光器输出1064nm激光波长获得1064、532和355nm三个波长，具有宽的透光波段、高的损伤阈值和大的接受角，在LBO三倍频晶体表面设有防反射镀膜(增透膜)。其中，来自激光发射单元的波长为1064nm的基频激光，经过斩波器91将其频率调制到高频1500Hz，使其按要求输出稳定的基频波长1064nm的激光，然后依次通过第一透镜7和第一LBO三倍频晶体8后变为波长为1064nm和532nm的激光，1064nm和532nm的激光依次经过第二透镜9和第二LBO三倍频晶体10后变为波长为1064nm、532nm和355nm的激光。在倍频单元与 分频单元之间设置一个第十四透镜11和第一全反射镜12，透镜的设置是为了使得激光每一次经过LBO三倍频晶体或者光路转换后到达下一级时能够消除色散并使光路尽可能的以集束式得方式进入下一级，全反射镜用于改变系统光路的方向。 

分频单元包括第三透镜13、第四透镜15、第五透镜17、第一分光镜14、第二分光镜16、第一遮光器19、第二遮光器20和第三遮光器21，来自倍频单元的激光首先依次通过第三透镜13和第一分光镜14将激光分为第一光束和第二光束，其中第一光束通过第一遮光器19得到波长为355nm的激光；第二光束依次经过第四透镜15和第二分光镜16将激光分为第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通过第二遮光器20得到波长为532nm的激光，第四光束依次通过第五透镜17和第三遮光器21得到波长为1064nm的激光，在第五透镜17和第三遮光器21的中间设置有一个第二全反射镜18，用于改变光路方向，便于器件的放置。分频的目的是为了对每一个通道的激光波长进行控制，使用斩波器91使其调制频率达到与光声腔谐振的测量要求，满足声转换器69测量气溶胶吸收系数的结果，并使三路激光的光声信号的测量之间不受干扰。同时将三路激光波长分开也使得散射光电探测和透过率探测独立进行，以获得每一路激光的气溶胶散射信号和透过率信号。 

光路耦合单元包括第六透镜25、第七透镜31、第八透镜26、第九透镜32、第十透镜27、第十一透镜33、第十二透镜39、第十三透镜41、第一折叠镜28、第二折叠镜29、第三折叠镜30、光路耦合器36和光路准直器40，其中，来自光路装置的波长为355nm的激光依次通过第六透镜25、第一折叠镜28、第七透镜31后进入光路耦合器36，其中，在第七透镜31与光路耦合器36之间通过设置第三全反射镜34和第十五透镜35来改变光路方向并使光束集中进入光路耦合器36；来自光路装置的波长为532nm的激光依次通过第八透镜26、第二折叠镜29、第九透镜32后进入光路耦合器36；来自光路装置的波长为1064nm的激光依次通过第十透镜27、第三折叠镜30、第十一透镜33后进入光路耦合器36，在第十一透镜33与光路耦合器36之间同样通过设置第四全反射镜38和镜37，其中镜37可以透过第二路激光，并全反射第三路激光，目的是改变第三路激光的方向，使其与第二路激光同轴，通过设置第四全反射镜38和镜37达到改变光路的方向并使光束集中进入光路耦合器36的目的，三路不同波长的激光依次进入光路耦合器36，然后依次通过第十二透镜39进入光路准直器40，最后再通过第十三透镜41和一个第五全反射镜42进入到检测装置。采用光路耦合单元是为了使得三路激光能够依次同轴进入测量系统，三路激光的调制频率由第一步进电机22、第二步进电机23和第三步进电机24分别控制第一遮光器19、第二遮光器21和第三遮光器20，对三路激光进行间隔分步遮挡，每次使一路激光进入散射相函数和吸收系数测量腔体。同时也使得光电探测器和光声腔每次只测量一个波长的 气溶胶散射相函数和吸收信号，并获得气溶胶各光学参数。 

本实用新型中各个透镜的设置是为了使得激光每一次经过晶体或者光路转换后到达下一级时能够消除色散并使光路尽可能的以集束式的方式进入下一级，为了更好的实现其效果，各个透镜需要镀增透膜，使其透过率在99.9％以上。透镜材质可以是塑胶透镜和玻璃透镜两种，为减少成本可以选择塑胶透镜。 

检测装置包括控制单元和检测单元，其中检测单元包括光声腔、第一长程多次反射镜71、第二长程多次反射镜61、第一温压湿传感器68、声转换器69和第一光电探测器62、第二光电探测器64、第三光电探测器65、第四光电探测器66、第五光电探测器67和第六光电探测器73，其中第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61分别位于光声腔的两端，第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61的反射原理同Herriott型光学长程池，反射的结果使得光路在两个长程多次反射镜之间形成空心圆柱形的光柱，从而在两个长程多次反射镜之间形成一个空腔，光声腔将两个长程多次反射镜罩住形成检测腔；其中第六光电探测器73设置于检测单元的光源出射口的外侧与光源的出射方向对应并与控制单元88连接，其他的光电探测器设置于光声腔的表面(如图2所示)用于测量3°和177°、33°和147°、90°、1°到179°以及55°和125°，图中黑色方块部分为探测器的探测面，为了使只有一个方向的气溶胶散射光进入到光电探测器中，除了测量角度为1°到179°的光电探测器66外，其他的光电探测器安装的进光部分设置有数个起阻挡作用的限光隔板93并在隔板中间开孔，这样使得只有一个方向的气溶胶散射光进入。其中，测量角度为3°和177°的第一光电探测器62设置于第二长程多次反射镜61的轴端点，测量角度为33°和147°的第二光电探测器64、测量角度为55°和125°的第五光电探测器67以及测量角度为1°到179°的第四光电探测器66设置于光声腔中部两侧，测量角度为90°的第三光电探测器65设置于光声腔中部的内表面并与光声腔的中心轴线垂直，且第二光电探测器64、第五光电探测器67和第三光电探测器65的对称轴与光声腔的腔体的长轴之间的夹角分别为33°/147°、55°/125°和90°，第四光电探测器66的探测面略微深入光声腔并与腔体的长轴垂直这样可以测量到1°到179°的散射光；第一温压湿传感器68和声转换器69分别设置于所述光声腔的内表面，声转换器69设置于光声腔的中间位置并与腔体的长轴垂直，第一温压湿传感器68的探头略微深入光声腔的腔体，以便测量腔体内的温压湿参数，在空间允许的情况下，5个光电探测器和第一温压湿传感器68都可位于垂直于腔体长轴的中心截面上(与图2的短轴在一个平面上)，即与声转换器69设置在一个平面上，但会有不同的角度。第一温压湿传感器68、声转换器69和所有的光电探测器均分别与所述控制单元88连接，声转换器69的设置是为了准确获取气溶胶的吸收系数，第一温压湿传感器68除了可以监控光声腔内的环境状况外，对于仪器的定标和测量信号的处理等也具有 重要的作用。使用测量测量3°和177°的光电探测器62是为了获得近轴小角前后向散射的测量值，第二光电探测器64、第五光电探测器67和第三光电探测器65测量不同角度的散射光是为了获得准确的气溶胶散射相函数，测量总散射系数的光电探测器66是为了获得1～179°的气溶胶总散射系数。各个光电探测器的探测角度也可以做适当的微调。气溶胶不同粒径的粒子在不同波长的激光照射下其散射强度不同，散射强度分布也就是相函数，散射系数是在相函数测量的基础上获得的。由于不同的粒子对于不同的波长有不同的散射图案，总体来讲，我们需要选择比较敏感的强度分布对应的散射角进行测量，因此，可以根据安装的需要和光声腔腔体空间的实际情况做适当微调。检测腔(光声腔)的结构为圆柱结构，一方面可以满足安装各种检测器件的要求，另一方面对于气溶胶吸收的直接测量选择圆柱型的结构也是为了加强吸收的测量信号，图3给出了声转换器69(就是麦克风或称微音器)的安装位置图，图中X是光声腔的长度，图3还给出了声压分布曲线P随光声腔长度的变化而变化的曲线，声压最大的位置就是安装声转换器69的位置，即光声腔的中间位置。光声腔检测的原理是光照射到气溶胶粒子上时由于粒子会吸收光能从而会产生声压，光和声之间的相互转换，由于光声光谱测量的是样品吸收光能产生声压的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰较小，而将长程第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61植入到光声腔中，也大幅加强声压转换器的探测信号，并使得透过率的测量容易实现，声压转换器69是直接测量气溶胶吸收系数的探测传感器。为了封闭的进出光，防止标定气体和样品气体的流失，在光声腔腔体的第一长程多次反射镜71所在的一端设置有窗口92，来自光路装置的激光通过。光电探测器测量的原理是当激光在测量单元里的第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61之间往返时，像加强声压转换器信号一样，各气溶胶散射光的探测信号也得到大幅加强，其中，入射光路通过第五全反射镜42的作用通过窗口81和窗口92从第一长程多次反射镜71的边缘射入，到达第二长程多次反射镜61的对应边缘，如此经过多次反射(反射的次数由第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61之间的相对扭转角、第一长程多次反射镜71和和第二长程多次反射镜61的面积、厚度、凹面度、曲率半径及两者之间的距离所决定，具体地可以根据实际仪器测量腔的大小做相应的调整)之后出射。长程多次反射镜第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61与光电探测器73联合可以实现透过率的测量。多次反射的结果使光路就在测量腔体内形成一个空腔，从而可以在第二长程多次反射镜61的对称轴上安装第一光电探测器62，并且测量小角近轴前后向散射强度得以实现，在上述散射测量方案中第一光电探测器到第五光电探测器的测量结果是为了全面获取气溶胶的散射角分布图案，从而获取气溶胶的散射相函数的实测曲线。除第一光电探测器62安装在第二长程多次反射镜61的对称轴上外，第二到第五光电探测器可分布于光 声腔中心对称轴的同一个轴面上，并根据角度需要进行不同的角度安装。 

气路装置包括进样单元、定标单元和出样单元，其中，进样单元和出样单元分别与光声腔的两端相通。进样单元包括依次连接的气溶胶切割头43、第一流量计44、第一三通阀48和第二三通阀49、第一质量流量计90，所述气溶胶进样气流首先经过气溶胶切割头43和第一流量计44，再经过第一三通阀48和第二三通阀49以及第一质量流量计90进入检测装置，在第二三通阀49和第一质量流量计90之间设置有第二温压湿传感器56；定标单元包括零气发生器45、第一标气源50和第二标气源52。来自零气发生器45的零气首先通过依次与其连接的高效过滤器46和第二流量计47后再通过第一三通阀48和第二三通阀49以及第一质量流量计90进入到检测系统；来自第一标气源50的第一标气通过与其依次连接的第三三通阀51、第四三通阀54和第三质量流量计55后，然后再依次通过第二三通阀49和第一质量流量计90进入检测装置；来自第二标气源52的第二标气通过与其依次连接的第五三通阀53和第四三通阀54后在通过第三流量计55、第一质量流量90计后进入到检测单元。出样单元包括依次连接的第二质量流量计89、第四流量计79和泵80，经过检测单元的气流依次经过第二质量流量计89和第四流量计79，然后在泵80的拖曳下排出检测单元，其中，第二质量流量计89和第四流量计79之间设置有第三温压湿传感器78。温压湿传感器为一个集成测量温度、压力和湿度的传感器，此温压湿传感器也可以由单独的温度传感器、压力传感器和湿度传感器代替，用于检测系统环境的温度、压力和湿度。因为气溶胶的粒子谱范围在0.001～100μm之间，这样我们设计采用不同粒径的气溶胶切割头进行采样气溶胶流的入口控制，使得最终进入腔体的气溶胶是我们想要的粒径范围。在进样气流中，附以必要的流量测定(利用流量计和质量流量计)，同时辅以必要温压湿测量，三通阀的使用是为了在测量气溶胶模式和定标模式之间进行切换。出样单元与进样单元相对简单一些，主要是在气溶胶在经过散射吸收测量系统之后，在泵80的拖曳下排出测量系统，增加必要的流量监控和质量监控，附加必要的温压湿探测，这些参数与进样系统的相关测量结果一起使得可以获取本实用新型在测量气溶胶的散射和吸收特性是的进出采样流之间的差别与联系。来自光路装置的光源和来自气路装置的气流分别进入检测装置的光声腔并由控制单元进行检测。 

温度控制单元包括双层不锈钢箱体87、第一半导体制冷器82、第二半导体制冷器85、第一热交换风扇83和第二热交换风扇86、以及温压湿传感器84，其中，双层不锈钢箱体罩87在检测装置的外面；第一半导体制冷器82、第二半导体制冷器85、第一热交换风扇83和第二热交换风扇86以及第四温压湿传感器84分别设置于所述双层不锈钢箱体87的表面，为使检测结果更加均匀，第一半导体制冷器82和第一热交换风扇83设置于双层不锈钢箱体87的一个角的侧壁上，第二半导体制冷器85和第二热交换风扇86设置于上述角 的对角的侧壁上；双层不锈钢箱体87的一侧开设有窗口81，在使来自光路装置的光源依次通过第五全反射镜42、窗口81和窗口92后进入检测装置，三路激光依次经过窗口81进入检测单元，光路在腔体内在第一长程多次反射镜71和第二长程多次反射镜61之间经过数次往返后通过光源出射口(亦为光源入射口)出射到设置于检测单元的窗口外侧的第六全反射镜72，第六全反射镜72使出射的光路到达光电探测器73。通过将气溶胶的散射测量和吸收测量耦合进同一个测量腔中，可以避免不同腔体本身背景信号的不同造成的误差。同时，三路激光依次进入测量系统，也避免了互相之间的干扰。温压湿传感器检测的数据传送到控制单元，控制单元根据传送的数据决定是否启动第一半导体制冷器82、第二半导体制冷器85、第一热交换风扇83和第二热交换风扇86来对双层不锈钢箱体87内的温度进行控制。温度控制单元是为克服仪器在长期的采样中，频繁的光电、光声之间的转换所产生的测量系统发热现象，使用双层不锈钢箱体87对整个测量单元进行保温(双层箱体之间填充隔音隔热材料)，利用第四温压湿传感器84监控测量箱体内温度的变化，及时启动或停止第一热交换风扇83和第二热交换风扇86，并使用半导体制冷器82和85对箱体进行制冷，从而达到保护测量系统正常工作的目的。 

进气隔音装置包括依次连接的第一缓冲器57、第一声波滤器59和第二缓冲器63，其中，第一缓冲器57设置于进样单元的出口处并与第一接收器58相连，第二缓冲器63构成光声腔第二长程多次反射镜61所在的一端；排气隔音装置包括依次连接的第三缓冲器77、第二声波滤器75和第四缓冲器70，其中，第三缓冲器77设置于出样单元的入口处并与第二接收器76相连，第四缓冲器构成光声腔的另一端。在第一声波滤器59和第二缓冲器64之间的管道上设置有第五温压湿传感器60，在第二波滤器75和第四缓冲器70之间的管道上设置有第六温压湿传感器74。隔音主要包括三个方面，一是对测量光声腔的整体隔音，即使用双层不锈钢箱体87对整个检测单元进行隔音(双层箱体之间填充隔音隔热材料)，屏蔽外界环境噪音；二是对进气采样流噪音进行屏蔽，同时使得气流的流速噪音降至最低，这两个方面分别使用第一声滤波器59、第一缓冲器57和第二缓冲器63来实现；三是出样气流噪音的控制是由第二声滤波器75、第三缓冲器77和第三缓冲器70来实现。接收器58和接收器76分别接收进样和出样气流中沉积下来的水分。 

控制单元88为包括数据采集卡(图未示)和数据监控处理软件(图未示)的仪器测量与控制系统。其中，仪器中的激光器6、三个斩波器，三个步进电机，六个温压湿传感器、六个光电探测器、声转换器69、两个半导体制冷器、两个热交换风扇均与数据采集卡和控制电路相连。所述数据监控软件采用美国国家仪器有限公司(National Instrument，简称NI)的虚拟仪器软件LabVIEW8.6版本。 

在测量时，具体的步骤如下： 

(1)打开电源开关2和4，给全系统供电，启动自检系统，此时激光器6输出基频激光，通过倍频系统后和分频系统后变成三路激光； 

(2)同时，在第一三向阀48和第二三向阀49的控制下，零气发生器45通过第一三向阀48和第二三向阀49进入测量腔(即光声腔，下同)，控制第一步进电极22连通、第二步进电机23和第四步进电机断开，从而通过第一遮光器19使得波长为355nm的激光进入测量腔，探测该波长下的背景信号，作为定标使用。此时，测量参数包括温压湿、质量流量、散射光子数，出射光强探测和吸收系数(声转换器：微音器或麦克风)探测：(i)其中通过六个温压湿传感器分别进行温度、压力、湿度的探测；(ii)第二质量流量计89和第一质量流量计90依次进行相应的质量流量探测；(iii)第一光电探测器到第五光电探测器(PMT即光电倍增管)分别探测各自位置上的散射光子数；(iv)第六光电探测器73探测出射光强度；(v)声转换器69探测背景腔吸收系数值； 

(3)在系统控制电路的控制下打开第二三通阀49和第四三通阀54，依次接通第一定标气体源50和第二定标气体源52，在泵80带动下，对355nm的激光进行定标测量；此时，测量参数包括温压湿、质量流量、散射光子数，出射光强探测和吸收系数(声转换器：微音器或麦克风)探测：(i)其中通过六个温压湿传感器分别进行温度、压力、湿度的探测；(ii)第二质量流量计89和第一质量流量计90依次进行相应的质量流量探测；第一光电探测器到第五光电探测器(PMT即光电倍增管)分别探测各自位置上的散射光子数；(iv)第六光电探测器73探测出射光强度；(v)声转换器69探测定标气体腔吸收系数值； 

(4)将第一三向阀48和第二三向阀49转向气溶胶进样气流口，在泵80带动下，气溶胶粒子通过气溶胶切割头43，气溶胶样品流进入测量腔，此时，测量参数包括温压湿、质量流量、散射光子数，出射光强探测和吸收系数(声转换器：微音器或麦克风)探测：(i)其中通过六个温压湿传感器分别进行温/压/湿的探测；(ii)第二质量流量计89和第一质量流量计90依次进行相应的质量流量探测；(iii)第一光电探测器到第五光电探测器(PMT即光电倍增管)分别探测各自位置上的散射光子数；(iv)第六光电探测器73探测出射光强度；(v)声转换器69探测吸收系数值； 

(5)上述过程周期性进行，以保证测量准确。在进行波长为532nm的激光的测量时，将第二步进电机23连通，断开第一步进电机22和第三步进电机24，利用第二遮光器20使波长为532nm的激光进入检测腔，检测步骤同波长为355nm的激光的测量。同理，在进行波长为1064nm的激光的测量时，将第三步进电机24连通，断开第一步进电机22和第二步进电机23，利用第三遮光器21使波长为1064nm的激光进入检测腔。其中背景和定标气体相关参数的测量每隔一个昼夜进行一次。然后进行一整天的采样测量。 所有测量均为自动控制采集和处理。 

(6)重复上述过程，只不过，在测量验证时，使用气溶胶发生器产生标准形状的气溶胶粒子进入测量腔，如半径等于0.44微米的气溶胶粒子进行相关参数的测量。 

探测算法方程 

(一)散射系数 

根据辐射传输理论可以获得即适用分子也适用粒子的散射强度的普遍表达式： 

$I\left(\mathrm{\θ}\right)=I_0\frac{{\mathrm{\χ}}_s}{r^2}\frac{P\left(\mathrm{\θ}\right)}{4\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

其中，I₀为入射光强度，为散射截面，是极化率，r为散射半径,P(θ)为散射相函数。其中λ为入射激光波长，N_s为单位体积内的分子或粒子总数，m＝m_r-im_i是分子或粒子的折射率，m_r和m_i分别代表分子或粒子折射率的实部和虚部，分别对应于分子或粒子的散射和吸收特性，其中，折射率是复数，i为其虚部的表示方法，模为1。图4为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为532nm时不同有效半径的气溶胶粒子散射相函数分布图，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别为气溶胶粒子有效半径为0.18um、0.44um、0.60um和0.74um处的气溶胶粒子散射相函数。当光照射到不同半径的气溶胶粒子上时，会产生不同的散射图案，散射强度与散射角有关，而散射强度的角分布与气溶胶的散射相函数成正比，所以散射相函数的测量事实上是散射强度测量的关键因子，其中，散射相函数是散射角的函数，同时它也是一个无量纲的参数。 

因此，测量的散射系数可以用一个简单的方程来表示 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}}^{\mathrm{\λ}}=K_{\mathrm{sca}}C-B---\left(2\right)$

上式中K_sca是散射定标时的斜率，C是光电探测器探测到的光子数，B是背景信号。 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}-p}^{\mathrm{\λ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}}^{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}-a}^{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

上式中和分别为气溶胶粒子散射系数和分子散射系数，是由定标标气和零气在定标测量时通过计算得到。图5为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为355nm、532nm和1064nm三个通道上的气溶胶散射系数随相对湿度的变 化图，气溶胶的散射系数除与粒子的粒子谱分布和入射激光波长有关，还与大气相对湿度有关。 

(二)吸收系数 

声学信号可由如下方程表达： 

$S=P\·M\·(C\·\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i\·{\mathrm{\α}}_i\·c_i+A_b)---\left(4\right)$

这里S是光声信号强度(mV)，P是激光功率(W)，M是声转换器的灵敏度(mV·Pa^-1)，C是光声腔常数，与腔体几何参数、测量条件等因数有关(Pa·cm·W^-1)，α_i是进入腔体的各光吸收成分在波长为λ的入射波长激励下摩尔光吸收系数(cm^-1·mol^-1·dm³),c_i为各光吸收成分的浓度(mol·dm^-3)，η_i是各成分吸收光能转化为热能的效率，A_b是背景信号产生效率(Pa·W^-1)，n代表各光吸收成分的种类数。 

光声谐振腔常数C可以表示为 

$C=\frac{(\mathrm{\γ}-1)\·L\·Q\·G}{f_0\·V}---\left(5\right)$

上式中，γ是在等压等容下测量的比热比常数，L是光声腔长度(cm)，Q是品质因子，即谐振频率和谐振曲线的半峰全宽(the Full Width at Half Maximum)的比值，G是几何因子，f₀是调制频率(Hz)。 

(三)能见度 

大气能见度表达式如下： 

$\mathrm{Vis}=\frac{3.912}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ext}}^{\mathrm{\λ}}}---\left(6\right)$

上式中Vis是能见度，为大气消光系数，它是气溶胶散射系数气溶胶吸收系数分子散射系数和分子吸收系数之和。上述参数可以根据定标测量和实际进样测量得到，即通过测量多个角度的散射光子数获得气溶胶散射相函数，从而获得气溶胶散射系数，气溶胶吸收系数则由声转换器的测量获得，分子的散射系数和吸收系数通过定标测量然后计算得到。 

(四)消光系数： 

气溶胶的消光系数可以用来表示，它是气溶胶散射系数和气溶胶吸收系数之和。上述参数可以根据定标测量和实际进样测量得到，即通过测量多个角度的散射光子数获得气溶胶散射相函数，从而获得气溶胶散射系数，气溶胶吸收系数则由声转换器的测量获得，分子的散射系数和吸收系数通过定标测量然后计算得到。 

(五)单次散射反照率： 

在精确获得气溶胶散射系数和吸收系数的基础上，可以得到气溶胶粒子的单次散射反照率表达式如下： 

${\mathrm{\ω}}_p^{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}-p}^{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sca}-p}^{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}-p}^{\mathrm{\λ}}}---\left(7\right)$

图7为本实用新型的多通道气溶胶散射吸收测量仪在波长为355nm、532nm和1064nm三个通道上的气溶胶单次散射反照率随相对湿度的变化图，单次散射反照率是反应散射部分占整个消光的比重，不同的波长、不同的相对湿度和不同粒子半径对应不同的单次散射反照率。 

(六)散射相函数： 

令分布于不同散射角的测量值为σ_sca(λ,θ_i)(此处λ分别为355nm、532nm和1064nm；散射角θ_i为3°和177°、33°和147°、55°和125°、90°以及1到179°)，根据Lorenz-Mie和T-matrix理论计算各散射角的散射值σ_simulated(λ,θ_i)，则令两者之差为 

e(λ,θ_i)＝σ_sca(λ,θ_i)-σ_simulated(λ,θ_i)   (8) 

如果∑[e(λ,θ_i)]²的值最小，求出此时的测量值和模拟值之间偏差系数k(λ,θ)，然后调整相函数曲线，即可获得散射相函数。在获取气溶胶粒子的散射相函数时需要考虑减去气体分子的散射相函数。 

(七)透过率 

透过率可由如下公式表示. 

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_{\left(\mathrm{out}\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)}{I_{\left(\mathrm{in}\right)}\left(\mathrm{\λ}\right)}\·{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{calibrqtion}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·F\left(\mathrm{\λ}\right)---\left(9\right)$

上式中I_(in)(λ)和I_(out)(λ)分别为入射和出射光强，ξ_calibration(λ)为定标系数，F(λ)是传递函数，它是根据零气定标和标气定标两个过程计算得来的。在计算透过率时需重点考虑腔体传递函数的影响，通过定标可以实现气溶胶透过率的测量。 

本实用新型的仪器不仅能够直接测量气溶胶的散射相函数和吸收系数，而且还实现了多通道(3个波长)、多角度(3°和177°、33°和147°、55°和125°、90°、1°到179°)、全尺度(0.001～100μm)的气溶胶散射相函数和吸收系数光声光谱同步在线直接测量仪，全面覆盖气溶胶粒子整个散射空间强度分布，在精确获取气溶胶散射相函 数和吸收系数的基础上，准确获取气溶胶散射系数、消光系数、透过率、能见度、单次散射反照率，从而实现气溶胶各光学特性的同步一体化获取。 

Claims (11)

1.一种多通道气溶胶散射吸收测量仪，包括光路装置、检测装置和气路装置，其特征在于，所述光路装置用于提供光源，所述检测装置包括控制单元和检测单元；所述检测单元包括光声腔、第一长程多次反射镜、第二长程多次反射镜、4～10个光电探测器、温压湿传感器和声转换器，其中所述第一长程多次反射镜和第二长程多次反射镜分别位于光声腔的两端；其中一个光电探测器设置于检测装置的外部用于检测从检测单元出射的光源的光强度，其他的光电探测器设置于光声腔的内表面用于测量不同角度的气溶胶的散射强度；所述温压湿传感器和声转换器分别设置于所述光声腔的内表面，其中，所述声转换器设置于光声腔的中间位置并与光声腔的长轴垂直；所述光电探测器、温压湿传感器和声转换器分别与所述控制单元连接；所述气路装置包括进样单元、定标单元和出样单元，其中，所述进样单元和出样单元分别与所述光声腔的两端相通；来自光路装置的光源和来自气路装置的气流分别进入检测装置的光声腔并由控制单元进行检测。

2.根据权利要求1所述的包括多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述的光路装置包括依次连接的激光发射单元和激光调制单元，所述激光发射单元包括激光器和激光器的控制器，所述激光发射单元发射基频波长为1064nm的激光；所述激光调制单元包括依次连接的倍频单元、分频单元和光路耦合单元，所述激光调制单元将波长为1064nm的基频激光调制为波长分别为1064nm、532nm和355nm的激光。

3.根据权利要求2所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述倍频单元包括依次设置的斩波器、第一透镜、第一LBO三倍频晶体、第二透镜和第二LBO三倍频晶体，其中，来自激光发射单元的波长为1064nm的激光经过斩波器进行调频后，依次通过第一透镜和第一LBO三倍频晶体后变为波长为1064nm和532nm的激光，所述1064nm和532nm的激光依次经过第二透镜和第二LBO三倍频晶体后变为波长为1064nm、532nm和355nm的激光。

4.根据权利要求2所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述分频单元包括第三透镜、第四透镜、第五透镜、第一分光镜、第二分光镜、第一遮光器、第二遮光器和第三遮光器，来自倍频单元的激光依次通过第三透镜和第一分光镜将激光分为第一光束和第二光束，其中第一光束通过第一遮光器得到波长为355nm的激光；第二光束依次经过第四透镜和第二分光镜将激光分为第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通过第二遮光器得到波长为532nm的激光，第四光束依次通过第五透镜和第三遮光器得到波长为1064nm的激光。

5.根据权利要求2所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述光路耦合单元包括第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜、第一折叠镜、第二折叠镜、第三折叠镜、光路耦合器和光路准直器，其中，来自光路装置的波长为355nm的激光依次通过第六透镜、第一折叠镜、第七透镜后进入光路耦合器；来自光路装置的波长为532nm的激光依次通过第八透镜、第二折叠镜、第九透镜后进入光路耦合器；来自光路装置的波长为1064nm的激光依次通过第十透镜、第三折叠镜、第十一透镜后进入光路耦合器，三路不同波长的激光依次进入光路耦合器，然后依次通过第十二透镜进入光路准直器，最后再通过第十三透镜进入到检测装置。

6.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，位于光声腔表面的光电探测器的个数为5个，分别为第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和第五光电探测器，其中，第一光电探测器的探测角度为3°和177°；第二光电探测器的探测角度为33°和147°；第三光电探测器的探测角为90°；第四光电探测器的探测角为1°到179°；第五光电探测器的探测角为55°和125°；5个光电探测器按照探测角度安装在光声腔的内表面。

7.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述的进样单元包括依次连接的气溶胶切割头、流量计、三通阀和质量流量计，所述气溶胶进样气流首先经过气溶胶切割头和流量计，再经过三通阀和质量流量计进入检测装置，其中，所述三通阀和所述质量流量计之间设置有温压湿传感器。

8.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述的定标单元包括零气发生器、第一标气源和第二标气源，其中，来自零气发生器的零气、来自第一标气源的第一标气和来自第二标气源的第二标气分别通过质量流量计后进入到检测单元。

9.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述的出样单元包括依次连接的质量流量计、流量计以及泵，经过检测单元的气流依次经过质量流量计和流量计，然后在泵的拖曳下排出检测单元，其中，所述质量流量计和流量计之间设置有温压湿传感器。

10.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述多通道气溶胶散射吸收测量仪设置有温度控制单元，所述温度控制单元包括双层不锈钢箱体、半导体制冷器、热交换风扇和温压湿传感器，其中，所述双层不锈钢箱体罩在所述检测装置的外面；所述半导体制冷器、热交换风扇和温压湿传感器分别设置于所述双层不锈钢箱体的表面；所述双层不锈钢箱体的一侧开设有窗口，使来自光路装置的光源进入所述检测装置；所述温压湿传感器检测的数据传送到控制装置，控制装置根据传送的数据决定是否启动半导体制冷器和热交换风扇来对双层不锈钢箱体内的温度进行控制。

11.根据权利要求1所述的多通道气溶胶散射吸收测量仪，其特征在于，所述多通道气溶胶散射吸收测量仪设置有进气隔音装置和排气隔音装置，其中，所述进气隔音装置包括依次连接的第一缓冲器、第一声波滤器和第二缓冲器，其中，所述第一缓冲器设置于进样单元的出口处并与第一接收器相连，所述第二缓冲器构成所述光声腔的一端；所述排气隔音装置包括一次连接的第三缓冲器、第二声波滤器和第四缓冲器进样单元的连接，其中，所述第三缓冲器设置于出样单元的入口处并与第二接收器相连，所述第四缓冲器构成所述光声腔的另一端。