光腔衰荡气溶胶消光仪制造技术

本发明专利技术涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统及气路系统。所述光路系统包括光源、光腔、调光系统；所述气路包括样气气路和保护气路，安装在光腔前后，包括电磁三通阀、气溶胶过滤器及气泵，所述电磁三通阀、气溶胶过滤器和继电器一起构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，由数字延迟发生器、光电倍增管、稳压电源、计算机及高速数据采集卡。本发明专利技术具有以下优点：精确度高，可以达到10-1Mm-1；时间分辨率高,可以达到20s；对样品进行原位测量，对样品的影响小。

【技术实现步骤摘要】
光腔衰荡气溶胶消光仪
本专利技术涉及大气气溶胶消光系数的测量领域，更具体的涉及一种光腔衰荡气溶胶消光仪。
技术介绍
大气气溶胶指在空气中悬浮的颗粒物或液滴，会对光产生散射和吸收，两者综合作用下，使光在通过大气时发生衰减现象。这种大气气溶胶对光的衰减作用可以由其消光系数准确表述。从国内外现有技术来看，为了测量大气气溶胶的消光系数，通常采用分别测量气溶胶的散光系数和吸收系数，这两个系数的加和就是气溶胶的消光系数。目前，散射系数的测量已经比较成熟，能够实现准确快速的测量，实验误差可以达到KT1Mm1,但是吸收系数的测量还没有达到这样的精度。吸收的测量通常采用滤膜采样吸收技术和光声光电光谱技术，这两种技术由于器件灵敏度限制，或在测量过程中可能改变气溶胶本身性质，具有误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点。滤膜采样吸收仪通过将大气气溶胶截留在滤膜表面，测量一定流量情况下单位时间内截留在滤膜表面的气溶胶对特定波长光的吸收，扣除滤膜本身的散光效应，得到大气气溶胶的吸收系数。大气气溶胶的光学性质与其形态有紧密联系，滤膜技术很难评估堆积在滤膜表面相较于悬浮在空气中的形态对吸收系数的影响是增加还是减少。另外，在测量过程中引入了滤膜，由于其特殊的纤维结构导致的截面敏感性问题，不同滤膜的空白值一致性较差，造成较大的实验不确定度。同时，滤膜采样吸收仪的光源并非采用单色光源，在筛选各特定波长光的过程中波长(或频率)分布较宽，也会引起测量误差，测量的不准确性达到30%，无法满足对实际大气气溶胶消光系数准确、快速变化的测量。为了避免引入滤膜对气溶胶消光系数测量的影响，上世纪80年代光声光电光谱仪被专利技术用以实现气溶胶光学性质的原位测量。气溶胶吸收特定波长光后会以释放热能的方式退激，释放的热能使气溶胶的周围气体介质按光的频率产生周期性压力波动，由高灵敏微音器检测放大后得到光声信号，光声信号的强度即气溶胶对特定波长光的吸收。由于光声光电光谱仪对特定波长光吸收所导致的热能释放，可能使气溶胶所含的硝酸铵等易挥发物质挥发到气体介质中，或者改变湿度条件进而使气溶胶含水量和粒径发生变化，最终影响对消光系数的测量，增大测量误差。为了更加准确地测量大气气溶胶消光系数，光腔衰荡光谱吸收技术被应用到气溶胶的光学测量领域。光腔衰荡光谱吸收技术由o’ Keefe在1988年创建，具有检测限低，时间分辨率高等优点，广泛应用于气体分子吸收光谱的研究中。由于这一技术将样品的吸收路径增加到几十公里，所以与其它传统的吸收光谱技术相比有很高的灵敏度，其检测限达到 I (T4 MnT1。光腔衰荡光谱技术是将一束短脉冲激光被耦台进入到一个光学谐振腔中，谐振腔由一对平行相对、曲率半径为r，反射率为R的反射镜组成。耦合进入光腔内的光脉冲会在两个反射镜之间发生多次反射，同时通过后腔镜后会有一小部分光强漏出光腔并被置于其后的光电探测器接收。当光脉冲第n+1次到选后腔镜时，漏出的光强为久+1 = iM.(耶2)，则相邻两次经由后腔镜漏出的光强差为。上式两边求和得Z Aj: = S2、(1-4馬)，写为积分的形式，即 i{>) = ifAi dn = Hf (1- Jf1ZUA。一般0 0 h M k M ' 12 说来，实验所用的两片腔镜的反射率都很高R = R1 ^ R2 ^ 1，将式a = /21；代入上式得，可以近似为iW = i。exp -(1-J?)—。以上各式中，L为光腔长度，c为光速，t为激光脉冲在腔体里的时间，n为光脉冲在光腔中来回反射的次数。当腔体中有气体存在时，上式为i⑴=U —[-CU + u)J] = iO —[-也]，其中，= 4-^)+? /I。可以看出％由光腔本身的参数(腔长，腔镜平均反射率)和气体的消光系g,ext)决定，它通常被称为光腔的衰荡时间。当光腔内存在气溶胶时，上式变为 Kt) = J0 exp[- (1- J? + U + CX^atDt-J-。其中，。也是气溶胶的消光系数，7是样品的吸收光程长度，a g, &是光腔内总的气体消光系数。所以，r = Tm^；—;-T-:^Ti。由此可知，如果测出有气溶胶和无气溶胶两者衰荡时411 - lfJ + U + gV,』 L (I I ''I间的倒数差，就可以确定其消光系数:A = I。 cl ,r r0}实际大气中除气溶胶外，还包括其他气体组分会对激光产生吸收，尤其是二氧化氮。二氧化氮作为城市重要污染物，其浓度变化可以达到几十到lOOppb，其消光系数与浓度的比值为0.35 Mm_7ppb (标准大气压、室温、532 nm波长)，所以其对大气消光系数的影响可以达到35 Mm-1O在测量大气气溶胶消光系数时,二氧化氮的浓度变化改变大气气体组分的a g ext进而影响到％，仅仅依靠一天一次或数次地人工测量去除颗粒物后大气气体组分的得到％无法消除背景变化带来的误差。为了保证测得的气溶胶消光系数的准确性与可靠性，并且达到无人看管、自动运行的要求，光腔衰荡气溶胶消光仪安装了自动校零装置，可以实时对背景进行校零。另外，与气体分子不同，大气气溶胶非常容易黏附在高反镜表面，在无保护的情况下高反镜的反射率R会随着颗粒物的黏附而不断降低，衰荡时间减小，使测量的灵敏度大大降低。如果％低于一定数值，就需要擦拭高反镜并重新调试装置，不利于长时间测量的准确性和一致性。为了消除这种误差在高反镜前通入高纯气体形成保护区，保证镜面不受气溶胶污染。
技术实现思路
为了克服传统测量技术在测量过程中改变气溶胶本身性质，误差大，检测限高，时间分辨率低等缺点，本专利技术的目的在于提供一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其运用光腔衰荡光谱技术对大气气溶胶的消光系数进行原位测量，并有效扣除大气其他气体组分对测量的影响，达到无人看管、自动运行、低误差、低检测限、快速实时监测的目的。本专利技术解决上述技术问题具体所采取的技术方案如下: 一种光腔衰荡气溶胶消光仪，包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中: 所述光源为激光器I ;所述光腔2由腔体和高反射镜12组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜12通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜12平行相对，高反射镜12镜面朝向光腔2内部，高反射镜12装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔2之间； 所述气路系统包括继电器6、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15和气泵10，其中继电器6、电磁三通阀7、气溶胶过滤器15位于光腔2的前部，气泵10位于光腔2的后部，所述数据采集卡11、继电器6、电磁三通阀7的气溶胶过滤器15依次连接，构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管8、稳压电源9、计算机5及高速数据采集卡4组成，光路控制部分由数字延迟发生器3构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡4 ;数字延迟发生器3的输出端连接高速数据采集卡4，稳压电源9连接光电倍增管8，光电倍增管8的输出端连接高速数据采集卡4，高速数据采集卡4连接计算机5，计算机5连接数据采集卡11 ;所述光电倍增管8作为探测器，用于接收激光信号。本专利技术中，其中所述光路调节系统包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中：所述光源为激光器(1)；所述光腔(2)由腔体和高反射镜(12)组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜(12)通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜(12)平行相对，高反射镜(12)镜面朝向光腔(2)内部，高反射镜(12)装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔(2)之间；所述气路系统包括继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)和气泵(10)，其中继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)位于光腔(2)的前部，气泵(10)位于光腔(2)的后部，所述数据采集卡(11)、继电器(6)、电磁三通阀(7)的气溶胶过滤器(15)依次连接，构成了自动校零装置；所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管(8)、稳压电源(9)、计算机(5)及高速数据采集卡(4)组成，光路控制部分由数字延迟发生器(3)构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡(4)；数字延迟发生器(3)的输出端连接高速数据采集卡(4)，稳压电源(9)连接光电倍增管(8)，光电倍增管(8)的输出端连接高速数据采集卡(4)，高速数据采集卡(4)连接计算机(5)，计算机(5)连接数据采集卡(11)；所述光电倍增管(8)作为探测器，用于接收激光信号。...

【技术特征摘要】
1.一种光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于包括光路系统、电路系统及其气路系统，所述光路系统包括光源、光腔和光路调节系统，其中: 所述光源为激光器(I);所述光腔(2)由腔体和高反射镜(12)组成，所述腔体为不锈钢圆柱体，所述高反射镜(12)通过法兰固定在腔体两端，且腔体两端保持密闭，两个高反射镜(12)平行相对，高反射镜(12)镜面朝向光腔(2)内部，高反射镜(12)装在可调节镜架中，用以调节高反射镜的镜面与入射光的角度；所述光路调节系统位于光源与光腔(2)之间； 所述气路系统包括继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)和气泵(10)，其中继电器(6)、电磁三通阀(7)、气溶胶过滤器(15)位于光腔(2)的前部，气泵(10)位于光腔(2)的后部，所述数据采集卡(11)、继电器(6)、电磁三通阀(7)的气溶胶过滤器(15)依次连接，构成了自动校零装置； 所述电路系统包括光路控制部分和数据采集部分，数据采集部分由光电倍增管(8)、稳压电源(9)、计算机(5)及高速数据采集卡(4)组成，光路控制部分由数字延迟发生器(3)构成，用于触发激光脉冲与高速数据采集卡(4);数字延迟发生器(3)的输出端连接高速数据采集卡(4)，稳压电源(9)连接光电倍增管(8)，光电倍增管⑶的输出端连接高速数据采集卡(4)，高速数据采集卡(4)连接计算机(5)，计算机(5)连接数据采集卡(11);所述光电倍增管(8)作为探测器，用于接收激光信号。2.根据权利要求 1所述的光腔衰荡气溶胶消光仪，其特征在于所述光路调节系统包括两个反射镜(13)以及一组可调节光栅(14)，激光器(I)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凌，陈建民，颜鹏，陈晖，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：