CN204008442U - 同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，光路系统包括发光二极管和接收发光二极管输出光的光学谐振腔，光学谐振腔的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪，光学谐振腔中部从侧面插入有散射光积分检测器。本实用新型使用消光光谱仪分析从发光二极管射出并进入光学谐振腔不同波长的透射光，用散射光积分检测器测量多个波长下的散射系数，在测量到消光系数和散射系数的基础上，可以进一步得到气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等光学参数，更大程度地满足大气气溶胶光学性质研究工作的需要。本实用新型可应用于大气气溶胶光学性质在线分析检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及气溶胶在线检测领域，特别是涉及一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪。
背景技术
大气气溶胶是全球和区域气候变化重要的驱动因子，但同时气溶胶也是目前气候研究中最大的不确定性来源之一，其原因除了全球尺度上大气气溶胶来源的多样性、时空分布差异较大外，测量技术的限制对气溶胶吸收特性测量上的极大不确定性也是一个重要原因。研究能够同时测量消光系数和散射系数或同时测量散射系数和吸收系数的新技术，对大气科学研究以及气象领域具有重要的实用价值和意义。
光腔衰荡光谱技术基于高反镜的多次反射特性，在较短的距离内实现了长等效光程，具有超高灵敏度和低检测限的优点，在此基础上发展起来的腔增强吸收光谱，采用连续发射光源，将不同反射次数的光累加，大大提高了光腔内的光强，不仅继承了光腔衰荡光谱的这些优点，同时，简化了对光源和分析计算的要求，非常适合于大气气溶胶的光学性质研究以及各种痕量气体的检测分析。
目前，国际上已经出现了将腔增强吸收光谱用于气溶胶消光系数检测的研究。但是气溶胶散射系数的测量仍旧依赖其他仪器（如积分浊度仪）的辅助，并且在两者光源波长不一致的情况下，需要进一步的计算统一到相同的波长下。计算准确度受气溶胶模式的影响，可能产生不可忽略的误差。因此，开发能够在同一台仪器上同时测量气溶胶消光系数和散射系数的方法，同时得到气溶胶吸收系数和单次散射反照率，对提高系数吸收和单次散射反照率测量的准确度和可靠性，具有极其重要的意义。
实用新型内容
为了克服上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种能够同时检测气溶胶消光和散射系数的非相干宽带腔增强吸收光谱仪。
本实用新型所采用的技术方案是：
一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，所述光路系统包括发光二极管和接收发光二极管输出光的光学谐振腔，所述光学谐振腔的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪，所述光学谐振腔中部从侧面插入有散射光积分检测器，所述气路系统包括连接光学谐振腔的供气气路、排气气路和保护气路。
作为上述技术方案的进一步改进，所述散射光积分检测器垂直于光学谐振腔的光路方向且位于光路中部的侧端。
作为上述技术方案的进一步改进，所述散射光积分检测器为一个或多个带有不同波长滤波器的光检测器，接收一定散射角范围的散射光，由检测到的散射光光强得到待测样品的散射系数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述供气气路连接于光学谐振腔靠近光入射端位置，所述排气气路连接于光学谐振腔靠近光出射端位置，形成单侧供气、单侧排气。
作为上述技术方案的进一步改进，所述供气气路包括并联连接的样品通道和背景通道，所述样品通道和背景通道的入口端用于连接待测气体，所述样品通道和背景通道的出口端接有三通切换阀，所述三通切换阀连接光学谐振腔，所述背景通路上设有过滤器。
作为上述技术方案的进一步改进，所述保护气路设有两个连接光学谐振腔的入口，两个入口分别位于供气气路出口与光入射端之间、排气气路入口与光出射端之间。
作为上述技术方案的进一步改进，所述排气气路包括通过管道串联连接的抽气泵、限流阀和流量计。
作为上述技术方案的进一步改进，所述光路系统包括位于发光二极管与光学谐振腔之间的导入装置，所述导入装置包括光依次通过的透镜组和光纤。
本实用新型的有益效果是：本实用新型结合了腔增强吸收光谱技术和边散射积分浊度检测技术，使用消光光谱仪分析从发光二极管射出并进入光学谐振腔不同波长的透射光，可以得到波长解析的气溶胶消光系数，用散射光积分检测器测量多个波长下的散射系数，消光系数涵盖的波长范围包括了散射系数对应的波长，因此无需进行波长的转换；在测量到消光系数和散射系数的基础上，可以进一步得到气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等光学参数，并且，波长解析的消光系数可以计算出气溶胶的埃斯屈朗指数，可用于分析气溶胶的分布模式，更大程度地满足大气气溶胶光学性质研究工作的需要。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的构造原理图。
具体实施方式
如图1所示的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，光路系统包括发光二极管1和接收发光二极管1输出光的光学谐振腔2，光学谐振腔2的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪3，光学谐振腔2中部从侧面插入有散射光积分检测器4，气路系统包括连接光学谐振腔2的供气气路5、排气气路6和保护气路7。
发光二极管1可发出非相干宽带光，其发光连续，光波长范围连续。在本实施例中发光二极管1的输出功率为100mW，光波长范围500nm至560nm，相对于采用激光作为光源输出，发光二极管1由于波长具有较宽的范围，就可以得到不同波长条件下的光学性质的信息，而且这些信息更多更全面，有利于后续的分析。
在本实施例中，光路系统还包括位于发光二极管1与光学谐振腔2之间的导入装置，导入装置包括光依次通过的透镜组8和光纤9，通过透镜组8和凸透镜将发光二极管1发出的光耦合进入光纤9，再直接耦合进入光学谐振腔2，而光纤9的输出由三维调节装置进行调节。
优选的，光学谐振腔2包括两片垂直于光入射方向的平凹高反镜，其中，高反镜凹面为高反面，曲率半径1m，在500nm至560nm范围内反射率高于99.99%，安装时凹面相对镜面平行且中心线重合，其中输入高反镜位于光入射一端，输出高反镜位于相对的另一端即光出射端，两片高反镜镜片之间的距离为0.74m，可形成高品质的稳定光学谐振腔2。
在本实施例中，散射光积分检测器4为光电倍增管，接收面积320mm2，用550nm的带通滤波片进行滤波，该光电倍增管位于光学谐振腔2中部，与腔体垂直，可同时接收散射角5°至175°范围的散射光。根据边散射式积分浊度仪的原理，可由检测到的散射光光强计算得出气溶胶样品在对应波长下的散射系数。
消光光谱仪3位于光学谐振腔2的输出高反镜的后侧，接收光学谐振腔2的透射光，并将光信号转化为电信号以便进行光信号变化的观测，对500nm至560nm在内的波段进行光谱分析，根据腔增强吸收光谱原理，可得到腔内气溶胶样品的波长解析的消光系数。
在本实施例中，供气气路5用于将气溶胶样品引入光学谐振腔2进行光学分析，排气气路6将光学谐振腔2的气溶胶样品排出光谱仪外并提供进气的动力。供气气路5连接于光学谐振腔2靠近光入射端位置，排气气路6连接于光学谐振腔2靠近光出射端位置，形成单侧供气、单侧排气。相比于中间供气两端排气或者两端进气中间排气的方式，该方式减少了整个光谱仪的连接管道及相应的管道弯头，使得气溶胶的流通较为顺畅，减少了损耗。
优选的，供气气路5包括并联连接的样品通道和背景通道，样品通道和背景通道的入口端用于连接待测气体，样品通道和背景通道的出口端接有三通切换阀51，三通切换阀51连接光学谐振腔2，背景通路上设有过滤器52。过滤器52可将样品气体中的颗粒物过滤，得到作为参考的背景气体，三通切换阀51可使进入光学谐振腔2的分析气体在过滤背景气体和样品气体之间切换。
本实施例中，排气气路6包括通过管道串联连接的抽气泵61、限流阀62和流量计63。抽气泵61给整个气路提供驱动力，限流阀62用于调节和控制气体流速，流量计63用于监测气体流速，通过排气气路6可以控制和测量样品气体的流速。
保护气路7设有两个连接光学谐振腔2的入口，两个入口分别位于供气气路5出口与光入射端之间、排气气路6入口与光出射端之间。保护气路7用于将高纯氮气、高纯干燥空气等纯净气体引入光学谐振腔2高反镜的内侧，形成保护区域，防止样品气体中的气溶胶颗粒物污染镜片。
本实施例的工作原理是：发光二极管1发射连续的不同波长的光经过导入装置耦合进入光学谐振腔2，在这种高品质的谐振腔中形成来回反射，形成振荡，并叠加增强，使得有效光程提高数万甚至数十万倍。腔内的光在气溶胶的作用下产生吸收和散射，两者的总和即为消光。气溶胶的消光系数不同，腔内的光强会发生变化，通过透射光可以测量腔内气溶胶的消光。这里，使用消光光谱仪3分析不同波长的透射光，可以得到波长解析的气溶胶消光系数。同时，腔体内气溶胶的散射光，会被位于腔体侧面的散射光积分检测器4接收到，由于散射光光强与散射系数成正比，因此可以通过测量散射光得到气溶胶散射系数。进气气路可将大气中的气溶胶样品不断引入到光学谐振腔2中，然后通过排气气路6排出，可以实现对大气气溶胶的消光系数和散射系数的实时在线检测。
该方法作用的等效光程长，具有灵敏度高、检测限低的特点。
本实施例可同时得到气溶胶的消光系数和散射系数，进一步可计算出气溶胶的吸收系数和单次散射反照率等气溶胶光学性质的关键参数，另外，波长解析的气溶胶消光系数，可以拟合得到气溶胶的埃斯屈朗指数，用于分析气溶胶粒径组成的模式。该仪器不仅实现了气溶胶消光系数和散射系数的同时检测，还可实现气溶胶多光学性质参数的同步分析，大大提高仪器的使用价值、扩展仪器的应用范围。
以上所述只是本实用新型优选的实施方式，其并不构成对本实用新型保护范围的限制。
Claims (8)
1.一种同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，包括光路系统和气路系统，其特征在于：所述光路系统包括发光二极管和接收发光二极管输出光的光学谐振腔，所述光学谐振腔的光出射端设有检测消光系数的消光光谱仪，所述光学谐振腔中部从侧面插入有散射光积分检测器，所述气路系统包括连接光学谐振腔的供气气路、排气气路和保护气路。
2.根据权利要求1所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述散射光积分检测器垂直于光学谐振腔的光路方向且位于光路中部的侧端。
3.根据权利要求2所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述散射光积分检测器为一个或多个带有不同波长滤波器的光检测器，接收一定散射角范围的散射光，由检测到的散射光光强得到待测样品的散射系数。
4.根据权利要求1所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述供气气路连接于光学谐振腔靠近光入射端位置，所述排气气路连接于光学谐振腔靠近光出射端位置，形成单侧供气、单侧排气。
5.根据权利要求4所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述供气气路包括并联连接的样品通道和背景通道，所述样品通道和背景通道的入口端用于连接待测气体，所述样品通道和背景通道的出口端接有三通切换阀，所述三通切换阀连接光学谐振腔，所述背景通路上设有过滤器。
6.根据权利要求4所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述保护气路设有两个连接光学谐振腔的入口，两个入口分别位于供气气路出口与光入射端之间、排气气路入口与光出射端之间。
7.根据权利要求4或5或6所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述排气气路包括通过管道串联连接的抽气泵、限流阀和流量计。
8.根据权利要求1所述的同时检测气溶胶消光和散射系数的腔增强吸收光谱仪，其特征在于：所述光路系统包括位于发光二极管与光学谐振腔之间的导入装置，所述导入装置包括光依次通过的透镜组和光纤。
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