CN211905075U

CN211905075U - 一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置

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Publication number: CN211905075U
Application number: CN202020195983.XU
Authority: CN
Inventors: 王高旋; 何赛灵
Original assignee: Gen Guan Intelligent Technology Hangzhou Co ltd
Current assignee: Gen Guan Intelligent Technology Hangzhou Co ltd
Priority date: 2020-02-23
Filing date: 2020-02-23
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2030-02-23

Abstract

本实用新型公开了一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置。本实用新型基于光声效应，装置使用了多组不同波长的激光器，激光器通过光声池，产生光声信号，多组激光器可分别测量黑碳、有机碳和某种气体。四种激光器的光强被调制在不同的频率，锁相放大器根据不用的调制频率解调出相应波长的光声信号，反演出颗粒物在不同波长的吸收系数。根据黑碳和有机碳不同的光学吸收特性，实现了黑碳、有机碳的区分测量。本实用新型提供了一种直接在线检测多种自然悬浮状态颗粒物的新技术手段，相较于传统黑碳仪，无需使用过滤器对颗粒物进行收集，减少了对光强信号的影响，提高了测量准确度。

Description

一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置

技术领域

本实用新型属于光学光谱领域，尤其涉及一种基于光声光谱技术的黑碳、有机碳、气体同时检测装置。

背景技术

汽车尾气等排放出物中包含有黑碳，有机碳及某些有害气体。大气颗粒物中的黑碳和有机碳在气候变化与环境污染起着重要的作用。大气颗粒物通过散射和吸收太阳辐射能量，对地气系统产生直接影响。大气颗粒物通过呼吸道传送到人体肺膜并渗透到呼吸系统的敏感，引发严重的呼吸系统哮喘及心血管等疾病，影响公共健康安全。黑碳的温室效应为二氧化碳的三分之一，对气候变暖的影响已超过甲烷。黑碳能够强烈吸附环境中的有机污染物和重金属，是有毒化学物质的运输载体，通过呼吸作用进入人体，严重影响着人们的健康安全。研究表明在特定紫外-可见光波段的气溶胶辐射吸收50%来源于有机碳，而有机碳吸收短波辐射的能力及对大气辐射平衡的影响仍需进一步研究。在大气中，有机碳因为温度、湿度等环境的改变，会持续的被氧化、凝结成核，形成光化学烟雾，影响人们的健康安全。

目前大气颗粒物浓度监测主要方法包括射线衰减法和光散射法，然而这两种方法均不能有效区分大气颗粒物中的黑碳和有机碳成分。传统测量黑碳和有机碳的技术为基于过滤器技术的黑碳仪，黑碳仪利用过滤器收集颗粒物，通过测量过滤器的透射光强衰减来推算颗粒物浓度。由于过滤器的多次散射和阴影影响了入射光与粒子的相互作用，降低了仪器测量结果的准确性，并且该技术在测量过程中富集多种气溶胶，引起气溶胶粒子的形态变化，改变了气溶胶的光学特性，导致过滤器技术的测量准确性为20%-30%。

基于光声效应的光声光谱技术是一种直接检测颗粒物吸收特性的方法，无背景吸收，广泛应用于颗粒物的吸收特性测量。由于光声光谱技术克服了过滤器技术中的过滤器影响，其检测准确性提高至5%-10%。据此，本实用新型提出了一种基于光声光谱技术的黑碳、有机碳同时检测装置，并能同时测量环境中污染物二氧化氮浓度变化。

实用新型内容

本实用新型目的

本实用新型主要提出了一种基于光声光谱的黑碳、有机碳、某种气体（以下以二氧化氮为例）同时检测装置，提供了一种直接在线检测多种自然悬浮状态的颗粒物，无需使用过滤器对颗粒物进行收集的新技术手段。

本实用新型所采用的技术方案

为解决现有技术中的过滤器对颗粒物测量的影响，本实用新型提出了一种基于光声光谱的黑碳、有机碳、二氧化氮同时检测装置，检测准确性提高至5%-10%。

本实用新型公开了一种基于光声光谱的黑碳、有机碳、二氧化氮同时检测装置，该装置包括激光器、信号发生器、反射镜、带通光学滤波片、光声池、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡、光功率计、进气口切换模块和样品泵。所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器发出的光经过所述反射镜和所述多个光学带通滤波片后耦合在一起，入射至所述光声池，然后被所述光功率计探测；所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器发出的光以所述信号发生器产生的信号频率进行强度调制，所述信号发生器产生的信号与所述锁相放大器相连，所述光声池内有麦克风作为探测器，所述麦克风与所述前置放大器相连，所述前置放大器的输出端与所述锁相放大器相连，所述锁相放大器输出信号端用所述数据采集卡采集，并送至所述电脑存储；所述进气口切换模块切换所述进气口一和所述进气口二，使颗粒物(黑碳和有机碳)和二氧化氮分开进入所述光声池，进气速率由所述样品泵。

在更进一步具体实施中，所述第一激光器、所述第二激光器、所述第三激光器、所述第四激光器波段分别为880 nm、660 nm、450 nm、405 nm，光强调制在不同的频率，但都在所述光声池的共振频率附近，都可产生相应的光声信号，所述锁相放大器根据不用的参考频率解调出各个激光器测量的物质吸收系数。

在更进一步具体实施中，所述进气口也可带切换模块，采用电磁阀，使空气样品(包含颗粒物与气体)和颗粒物过滤后的空气样品分别进入所述光声池，两通道信号相差便为颗粒物的光声信号。

在更进一步具体实施中，所述第一激光器产生的颗粒物光声信号用于反演黑碳浓度（在第一激光器波长，颗粒物的吸收主要由黑碳引起的），第二激光器、第三激光器、第四激光器产生的颗粒物光声信号减去已测黑碳浓度对应的光声信号后用于反演有机碳吸收系数（可用公式（2）中的2个常数K与ACC表征）。所述第二激光器、所述第三激光器、所述第四激光器测量的有机碳吸收系数用于进一步确定有机碳光学吸收随波长变化的特性。如具体实施方式中可切换并有一路带有薄膜过滤器，这时第三激光器产生的气体光声信号可直接用于反演二氧化氮浓度。

更进一步具体实施中，多个光学带通滤波片采用某个角度（如45°）入射。

本实用新型所产生有益效果

与现有技术比较，本实用新型的有益效果是避免了采用传统黑碳仪的过滤器进行颗粒物采集，可直接在线检测多种自然悬浮状态的颗粒物，测量误差减小至5%-10%；四个激光器光强调制在不同的光声池共振频率，同时通过光声池，同时测量颗粒物在四个波长的吸收，提高了颗粒物测量准确率；本实用新型可同时检测黑碳、有机碳、二氧化氮。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2 为四个激光器的调制频率分布示意图。

附图标记说明：

图1中：1-第一激光器(880 nm)；2-第二激光器(660 nm)；3-第三激光器(450 nm)；4-第四激光器(405 nm)；5-反射镜；6-光学带通滤波片；7-光学带通滤波片；8-光学带通滤波片；9-薄膜过滤器；10-进气口一；11-进气口二；12-进气切换模块；13-样品泵；14-光声池；15-光功率计；16-前置放大器；17-锁相放大器；18-数据采集卡；19-电脑；20-信号发生器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型基于光声效应，光声效应是指颗粒物吸收入射光能量而被加热，引起周围空气的热膨胀，从而产生热力波，周期性的热力波即声波，声波被麦克风探测到，通过对声音信号的分析进而得出颗粒物的质量浓度。

一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体(以二氧化氮为例)装置，其特征在于所述的激光器1, 2, 3, 4光强被分别调制在不同的光声池14共振频率，锁相放大器17根据不同的激光器调制频率解调出相应激光器引发的声波信号。装置采用进气口切换模块12，进气口一10和进气口二11每隔一段时间相互切换一次。当切换到进气口一10时，空气中的颗粒物被薄膜过滤器9过滤掉，装置测量空气中的气体在880 nm、660 nm、450 nm、405 nm处的吸收，激光器3测量的气体吸收为二氧化氮的吸收，根据锁相放大器17解调出的激光器3的气体光声信号，可反演出空气中二氧化氮浓度。当切换到进气口二11时，空气中的颗粒物和气体同时进入到光声池，装置测量空气中颗粒物和气体的共同吸收，此时测量的光声信号(颗粒物和气体)减去进气口一10的气体光声信号，可得到颗粒物的光声吸收信号。激光器1产生的颗粒物光声吸收信号用于反演黑碳浓度，激光器2, 3, 4测量黑碳和有机碳共同产生的颗粒物光声吸收信号，第二激光器、第三激光器、第四激光器产生的颗粒物光声信号减去已测黑碳浓度对应的光声信号后用于反演有机碳吸收系数（可用公式（2）中的2个常数K与ACC表征）。

本实用新型用于同时检测污染物黑碳、有机碳、二氧化氮，下面将具体介绍如何反演出黑碳、有机碳、二氧化氮的具体浓度。在光声池内，由样品吸收入射光的能量而产生的声波信号可表达为：

S_PAS = P × M × C_cell×α + S_b(1)

式中S_PAS为由颗粒物或者气体吸收光能量而产生的光声信号强度(V)；P为激光功率(W)；M为麦克风传感器的灵敏度(mV/Pa)；C_cell为光声池14的池常数(Pa·m·W^-1)，与光声池14的几何参数等因素有关，表征了光声池将光子能量转化为光声信号的能力；样品吸收系数α (Mm^-1)= α₀× C, α₀为单位样品浓度的吸收系数，C为样品浓度，当样品为气溶胶时，α₀单位为g/m²，C单位为g/m³；当样品为气体分子时，α₀的单位为Mm^-1/ppbv，C单位为ppbv；S_b为背景噪声信号(V)。

根据公式(1)，麦克风传感器的灵敏度(M)为已知参数，光声信号强度(S_PAS)、背景噪声信号(S_b)和激光功率(P)为实验中测量的参数，光声池常数可利用已知浓度气体标定出，实验中可以测量出颗粒物在四波长(880 nm、660 nm、450 nm、405 nm)下的吸收系数(α)。黑碳在880 nm波长的质量吸收系数α₀为7.8 g/m²，结合实验测量的黑碳在880nm波长的吸收系数(α)，可得出空气中黑碳的质量浓度。黑碳和有机碳的吸收系数在紫外-可见光-近红外波段随波长变化遵守幂函数规律：

α=K·λ^-ACC （2）

λ为波长，K为常数，ACC为颗粒物的吸收Ångström 系数，黑碳的吸收Ångström 系数为1，结合黑碳在880nm波长的吸收系数(α)，得出黑碳在660 nm, 450 nm和405 nm波长的吸收系数，实验中测量的颗粒物在660 nm, 450 nm和405 nm波长的吸收系数减去黑碳吸收系数便为有机碳的吸收系数，激光器2,3,4测量的有机碳吸收系数用于进一步确定有机碳光学吸收随波长变化的特性。根据在450 nm波长处测量的气体吸收系数可推算出二氧化氮浓度。

在本实施例中，激光器-1, 2, 3, 4调制频率应在光声池共振频率，各频率调制频率相差20Hz，如附图2。

Claims

1.一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置，其特征在于，包括至少四个不同波长的多组激光器：第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器、反射镜、多个光学带通滤波片、薄膜过滤器、进气口一、进气口二、进气口切换模块、样品泵、光声池、光功率计、前置放大器、锁相放大器、数据采集卡、电脑、信号发生器；所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器发出的光入射至所述光声池，然后被所述光功率计探测；所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器发出的光以所述信号发生器产生的信号频率进行强度调制，所述信号发生器产生的信号与所述锁相放大器相连，所述光声池内有声探测器，所述声探测器与所述前置放大器相连，所述前置放大器的输出端与所述锁相放大器相连，所述锁相放大器输出信号端用所述数据采集卡采集，并送至所述电脑存储；所述进气口切换模块切换所述进气口一和所述进气口二，使颗粒物黑碳和有机碳和待测气体分开进入所述光声池，进气速率由所述样品泵控制。

2.根据权利要求1中所述的一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置，其特征是，所述第一激光器、所述第二激光器、所述第三激光器、所述第四激光器波段分别为880nm、660nm、450nm、405nm，光强调制在不同的频率，但都在所述光声池的共振频率附近，都可产生相应的光声信号，所述锁相放大器根据不用的参考频率解调出各个激光器测量的物质吸收系数。

3.根据权利要求1中所述的一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置，其特征是，所述进气口切换模块采用电磁阀，使包含颗粒物与气体的空气样品和通过所述薄膜过滤器过滤后的空气样品分别进入所述光声池，两通道光声信号相差便为颗粒物的光声信号。

4.根据权利要求1中所述的一种用于同时检测黑碳、有机碳、气体的装置，其特征是，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器发出的光经过所述反射镜和所述多个光学带通滤波片后耦合在一起，同时入射至所述光声池，或者采用开关使各个激光器依次通过光声池，所述多个光学带通滤波片采用45°入射。