多通道氣溶膠散射吸收測量儀的製作方法
2023-04-24 00:35:31
多通道氣溶膠散射吸收測量儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多通道氣溶膠散射吸收測量儀，包括光路裝置、檢測裝置和氣路裝置，光路裝置提供3個不同波長的雷射並依次進入檢測裝置；在檢測裝置設置多角度的光電探測器進行測量，減小了氣溶膠散射係數的測量誤差；氣路裝置包括進樣單元、定標單元和出樣單元，來自光路裝置的光源和來自氣路裝置的氣流分別進入檢測裝置的光聲腔並由控制單元進行檢測。本發明的氣溶膠散射吸收測量儀具有多通道、多角度、全尺度直接測量氣溶膠粒子的散射相函數和吸收係數的特點，併兼備同步獲取氣溶膠的散射係數、消光係數、能見度、透過率、單次散射反照率等光學參數的功能，實現氣溶膠各光學參數的一體化在線檢測，自動化程度高、穩定性好。
【專利說明】多通道氣溶膠散射吸收測量儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大氣氣溶膠吸收係數測量裝置，具體地涉及一種多通道氣溶膠散射吸收測量儀。
【背景技術】
[0002]大氣氣溶膠是氣體和在重力場中具有一定穩定性的、沉降速度小的粒子組成的混合系統，同時也是指懸浮在大氣中的直徑在0.001?100 μ m的液體或固體微粒體系，是大氣環境中組成複雜、危害較大的汙染物之一。從大氣能量平衡的角度來看，氣溶膠在紫外、可見到紅外很寬的波段內對輻射傳輸產生影響。氣溶膠的光學效應導致所在大氣層被加熱，從而減少了到達地表的太陽輻射，使得地面蒸發受到影響，亦改變了水循環，此為氣溶膠的直接效應。它還起到雲凝結核的作用，大量的氣溶膠顆粒有可能使雲滴的數密度增加，導致雲滴的平均半徑變小，使得降水減少、雲量下降，影響了雲的輻射特性，此為氣溶膠的間接效應。這些狀況改變了地-氣系統的能量平衡，從而也影響了人類賴以生存的氣候環境條件。因此，對於氣溶膠直接和間接效應的研究是大氣科學中的基礎科學問題。
[0003]目前，我國大氣探測領域氣溶膠散射相函數和光吸收等光學參數的常規觀測尚未進行，學術界對氣溶膠的散射和吸收特性的科學觀測尚不完善，對氣溶膠各光學特性(氣溶膠散射係數、吸收係數、散射相函數、消光係數、透過率、能見度、單次散射反照率)的測量沒有實現同步一體化獲取，缺少氣溶膠散射相函數和單次散射反照率的直接測量科學儀器。現在已有的使用光腔衰蕩方法測量的氣溶膠散射係數和吸收係數是通過測量消光係數和散射係數來確定氣溶膠吸收係數，此方法對於氣溶膠吸收係數的測量是間接的，而且該方法不能夠提供氣溶膠散射相函數的直接測量結果。還有，目前的散射係數測量缺少近軸小角附近的光散射強度的直接測量結果(比如積分濁度計)，因為近軸前後向散射測量的缺少，使得氣溶膠散射係數的測量存在較大誤差。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於克服上述已有技術的缺陷，提供一種多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其能在不同的環境下同步獲取多通道氣溶膠的散射係數和吸收係數，實現散射相函數、消光係數、能見度、透過率、單次散射反照率等氣溶膠光學參數的實時在線一體化測量，自動化程度高、穩定性好。
[0005]為實現上述目的，本發明採用提供一種多通道氣溶膠散射吸收測量儀，包括光路裝置、檢測裝置和氣路裝置，所述光路裝置用於提供光源；所述檢測裝置包括控制單元和檢測單元；所述檢測單元包括光聲腔、第一長程多次反射鏡、第二長程多次反射鏡、六個光電探測器、溫壓溼傳感器和聲轉換器，其中所述第一長程多次反射鏡和第二長程多次反射鏡分別位於光聲腔的兩端，第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61的反射原理同Herriott型光學長程池，反射的結果使得光路在兩個長程多次反射鏡之間形成空心圓柱形的光柱，從而在兩個長程多次反射鏡之間形成一個空腔，所述光聲腔將所述的兩個長程多次反射鏡罩住形成檢測腔；所述光電探測器中的其中一個設置於檢測裝置的外部用於檢測從檢測單元出射的光源的光強度，其他的光電探測器設置於光聲腔的表面用於測量不同角度的氣溶膠的散射強度；所述溫壓溼傳感器和聲轉換器分別設置於所述光聲腔的內表面，所述聲轉換器設置於光聲腔的中間位置並與光聲腔的長軸垂直，所述光電探測器、溫壓溼傳感器和聲轉換器分別與所述控制單元連接；所述氣路裝置包括進樣單元、定標單元和出樣單元，其中，所述進樣單元和出樣單元分別與所述光聲腔的兩端相通；來自光路裝置的光源和來自氣路裝置的氣流分別進入檢測裝置的光聲腔並由控制單元進行檢測。光聲腔的檢測原理是光照射到氣溶膠粒子上時由於粒子會吸收光能從而會產生聲壓，光和聲之間的相互轉換，由於光聲光譜測量的是樣品吸收光能產生聲壓的大小，因而反射光、散射光等對測量幹擾較小，而將長程第一長程多次反射鏡和第二長程多次反射鏡植入到光聲腔中，可大幅加強聲壓轉換器的探測信號，並使得透過率的測量容易實現，聲壓轉換器即麥克風是直接測量氣溶膠吸收係數的探測傳感器。其中，所述的溫壓溼傳感器為一個集成測量溫度、壓力和溼度的傳感器，此溫壓溼傳感器也可以由單獨的溫度傳感器、壓力傳感器和溼度傳感器代替。
[0006]優選地，所述光路裝置包括依次連接的雷射發射單元和雷射調製單元，所述雷射發射單元包括雷射器和雷射器的控制器，所述雷射發射單元發射基頻波長為1064nm的雷射；所述雷射調製單元包括依次連接的倍頻單元、分頻單元和光路耦合單元，所述雷射調製單元將波長為1064nm的基頻雷射調製為波長分別為1064nm、532nm和355nm的雷射並依次進入檢測裝置。上述三個波長的雷射是目前經常使用的探測大氣溶膠的常用地基和星載雷射雷達的波長，橫跨近紅外波段1064nm、可見光波段532nm和紫外波段355nm，選這三個波長有利於在後期的大氣探測中得到更加廣泛的應用。同時，本發明的光路裝置提供的光源也可以由多個單波長雷射器來提供，如可以利用3個單波長雷射器分別提供波長分別為870nm、405nm和781nm的雷射，也可以根據需要只選擇單個波長的雷射器，如僅測量1064nm的基頻波長，這時將不用進行分頻和倍頻而只測量1064nm波長下的氣溶膠光學特性。本發明的優選方案中通過使用倍頻晶體將波長1064nm的雷射分為1064nm、532nm和355nm的雷射，達到多通道測量的目的。
[0007]其中，所述雷射調製單元包括依次連接的倍頻單元、分頻單元和光路耦合單元。
[0008]具體地，所述倍頻單元包括依次設置的斬波器、第一透鏡、第一 LBO三倍頻晶體、第二透鏡和第二 LBO三倍頻晶體，其中，來自雷射發射單元的波長為1064nm的雷射，經過斬波器進行調頻後，依次通過第一透鏡和第一 LBO三倍頻晶體後變為波長為1064nm和532nm的雷射，所述1064nm和532nm的雷射依次經過第二透鏡和第二 LBO三倍頻晶體後變為波長為1064nm、532nm和355nm的雷射。其中，所使用的LBO三倍頻晶體是三倍頻晶體LiB3O5,其可將基頻雷射器輸出1064nm雷射波長獲得1064、532和355nm三個波長，具有寬的透光波段、高的損傷閾值和大的接受角，在LBO三倍頻晶體表面有防反射鍍膜(增透膜)。
[0009]所述分頻單元包括第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一遮光器、第二遮光器和第三遮光器，來自倍頻單元的雷射首先依次通過第一透鏡和第一分光鏡將雷射分為第一光束和第二光束，其中第一光束通過第一遮光器得到波長為355nm的雷射；第二光束依次經過第四透鏡和第二分光鏡將雷射分為第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通過第二遮光器得到波長為532nm的雷射，第四光束依次通過第五透鏡和第三遮光器得到波長為1064nm的雷射。
[0010]所述光路耦合單元包括第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡、第十二透鏡、第十三透鏡、第一摺疊鏡、第二摺疊鏡、第三摺疊鏡、光路耦合器和光路準直器，其中，來自光路裝置的波長為355nm的雷射依次通過第六透鏡、第一摺疊鏡、第七透鏡後進入光路耦合器；來自光路裝置的波長為532nm的雷射依次通過第八透鏡、第二摺疊鏡、第九透鏡後進入光路耦合器；來自光路裝置的波長為1064nm的雷射依次通過第十透鏡、第三摺疊鏡、第十一透鏡後進入光路耦合器，三路不同波長的雷射依次進入光路耦合器，然後依次通過第十二透鏡進入光路準直器，最後再通過第十三透鏡進入到檢測裝置。優選地，位於光聲腔表面的光電探測器的個數為5個，分別為第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器和第五光電探測器，其中，第一光電探測器的探測角度為3°和177° ;第二光電探測器的探測角度為33°和147° ;第三光電探測器的探測角為90° ;第四光電探測器的探測角為1°到179° ;第五光電探測器的探測角為55°和125°，5個光電探測器按照探測角度安裝在光聲腔的內表面。為了使得氣溶膠散射相函數測量的精確，至少要設置4個光電探測器，在空間滿足的情況下安裝的探測器可以適當增力口，但並非越多越好，較多的探測器會改變探測腔體的本徵頻率，反而不利，範圍以4-10個為宜。
[0011]所述的進樣單元包括依次連接的氣溶膠切割頭、流量計、三通閥和質量流量計，所述氣溶膠進樣氣流首先經過氣溶膠切割頭和流量計，再經過三通閥和質量流量計進入檢測裝置，其中，所述三通閥和所述質量流量計之間設置有溫壓溼傳感器。
[0012]所述的定標單元包括零氣發生器、第一標氣源和第二標氣源，其中，來自零氣發生器的零氣、來自第一標氣源的第一標氣和來自第二標氣源的第二標氣分別通過質量流量計後進入到檢測單元。
[0013]所述的出樣單元包括依次連接的質量流量計、流量計和泵,經過檢測單元的氣流依次經過質量流量計和流量計，然後在泵的拖曳下排出檢測單元，其中，所述質量流量計和流量計之間設置有溫壓溼傳感器。
[0014]所述多通道氣溶膠散射吸收測量儀設置有溫度控制單元，所述溫度控制單元包括雙層不鏽鋼箱體、半導體製冷器、熱交換風扇和溫壓溼傳感器，其中，所述雙層不鏽鋼箱體罩在所述檢測裝置的外面；所述半導體製冷器、熱交換風扇和溫壓溼傳感器分別設置於所述雙層不鏽鋼箱體的表面；所述雙層不鏽鋼箱體的一側開設有窗口，使來自光路裝置的光源進入所述檢測裝置；所述溫壓溼傳感器檢測的數據傳送到控制裝置，控制裝置根據傳送的數據決定是否啟動半導體製冷器和熱交換風扇來對雙層不鏽鋼箱體內的溫度進行控制。
[0015]所述多通道氣溶膠散射吸收測量儀設置有進氣隔音裝置和排氣隔音裝置，其中，所述進氣隔音裝置包括依次連接的第一緩衝器、第一聲波濾器和第二緩衝器，其中，所述第一緩衝器設置於進樣單元的出口處並與第一接收器相連，所述第二緩衝器構成所述光聲腔的一端；所述排氣隔音裝置包括一次連接的第三緩衝器、第二聲波濾器和第四緩衝器進樣單元的連接，其中，所述第三緩衝器設置於出樣單元的入口處並與第二接收器相連，所述第四緩衝器構成所述光聲腔的另一端。
[0016]本發明中各個透鏡的設置是為了使得雷射每一次經過晶體或者光路轉換後到達下一級時能夠消除色散並使光路儘可能的以集束式的方式進入下一級，為了更好的實現其效果，各個透鏡需要鍍增透膜，使其透過率在99.9%以上。透鏡材質可以是塑膠透鏡和玻璃透鏡兩種，為減少成本可以選擇塑膠透鏡。為了適應空間滿足器件的放置要求，可以在系統中設置全反射鏡和透鏡來改變光路的傳播方向。
[0017]有益效果:與現有技術相比，本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀不僅能夠直接測量氣溶膠的散射相函數和吸收係數，而且還實現了多通道(3個波長)、多角度、全尺度(0.001?100 μ m)的氣溶膠散射相函數和吸收係數光聲光譜同步在線直接測量儀，全面覆蓋氣溶膠粒子整個散射空間強度分布，在精確獲取氣溶膠散射相函數和吸收係數的基礎上，準確獲取氣溶膠散射係數、消光係數、透過率、能見度、單次散射反照率，從而實現氣溶膠各光學特性的同步一體化獲取。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀結構示意圖；
[0019]圖2為光電探測器的安裝部位示意圖和局部方法示意圖；
[0020]圖3為散射相函數和吸收測量腔不意圖及聲壓強度分布圖不；
[0021]圖4為本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀在波長為532nm時不同有效半徑的氣溶膠粒子散射相函數分布圖，圖4(a)、(b)、(c)和(d)分別為氣溶膠粒子有效半徑為
0.18um、0.44um、0.60um和0.74um處的氣溶膠粒子散射相函數；
[0022]圖5為本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀在波長為355nm、532nm和1064nm三個通道上的氣溶膠散射係數隨相對溼度的變化圖；
[0023]圖6為本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀在波長為355nm、532nm和1064nm三個通道上的氣溶膠吸收係數隨相對溼度的變化圖；
[0024]圖7為本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀在波長為355nm、532nm和1064nm三個通道上的氣溶膠單次散射反照率隨相對溼度的變化圖。
【具體實施方式】
[0025]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的內容僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
[0026]本發明的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，主要包括光路裝置A、檢測裝置B、氣路裝置C、溫度控制單元、進氣隔音裝置和排氣隔音裝置。
[0027]光路裝置包括依次連接的雷射發射單元和雷射調製單元。其中，如圖1所示，雷射發射單元包括依次連接的供電電源1、切換開關2、穩壓器3、切換開關4、雷射器的控制器5和雷射器6，在切換開關2聯通後，為穩壓器3供電，在切換開關4聯通之後，通過雷射器的控制器5控制雷射器6,輸出基頻波長為1064nm的雷射。穩壓器3是為了保證對雷射器的供電電壓。
[0028]雷射調製單元包括依次連接的倍頻單元、分頻單元和光路耦合單元，其中，倍頻單元包括依次設置的斬波器91、第一透鏡7、第一 LBO三倍頻晶體8、第二透鏡9和第二 LBO三倍頻晶體10。所使用的LBO三倍頻晶體是三倍頻晶體LiB3O5，其可使基頻雷射器輸出1064nm雷射波長獲得1064、532和355nm三個波長，具有寬的透光波段、高的損傷閾值和大的接受角，在LBO三倍頻晶體表面設有防反射鍍膜(增透膜)。其中，來自雷射發射單元的波長為1064nm的基頻雷射，經過斬波器91將其頻率調製到高頻1500Hz，使其按要求輸出穩定的基頻波長1064nm的雷射，然後依次通過第一透鏡7和第一 LBO三倍頻晶體8後變為波長為1064nm和532nm的雷射，1064nm和532nm的雷射依次經過第二透鏡9和第二 LBO三倍頻晶體10後變為波長為1064nm、532nm和355nm的雷射。在倍頻單元與分頻單元之間設置一個第十四透鏡11和第一全反射鏡12，透鏡的設置是為了使得雷射每一次經過LBO三倍頻晶體或者光路轉換後到達下一級時能夠消除色散並使光路儘可能的以集束式得方式進入下一級，全反射鏡用於改變系統光路的方向。
[0029]分頻單元包括第三透鏡13、第四透鏡15、第五透鏡17、第一分光鏡14、第二分光鏡16、第一遮光器19、第二遮光器20和第三遮光器21，來自倍頻單元的雷射首先依次通過第三透鏡13和第一分光鏡14將雷射分為第一光束和第二光束,其中第一光束通過第一遮光器19得到波長為355nm的雷射；第二光束依次經過第四透鏡15和第二分光鏡16將雷射分為第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通過第二遮光器20得到波長為532nm的雷射，第四光束依次通過第五透鏡17和第三遮光器21得到波長為1064nm的雷射，在第五透鏡17和第三遮光器21的中間設置有一個第二全反射鏡18，用於改變光路方向，便於器件的放置。分頻的目的是為了對每一個通道的雷射波長進行控制，使用斬波器91使其調製頻率達到與光聲腔諧振的測量要求，滿足聲轉換器69測量氣溶膠吸收係數的結果，並使三路雷射的光聲信號的測量之間不受幹擾。同時將三路雷射波長分開也使得散射光電探測和透過率探測獨立進行，以獲得每一路雷射的氣溶膠散射信號和透過率信號。
[0030]光路耦 合單元包括第六透鏡25、第七透鏡31、第八透鏡26、第九透鏡32、第十透鏡27、第^ 透鏡33、第十二透鏡39、第十三透鏡41、第一摺疊鏡28、第二摺疊鏡29、第三摺疊鏡30、光路耦合器36和光路準直器40，其中，來自光路裝置的波長為355nm的雷射依次通過第六透鏡25、第一摺疊鏡28、第七透鏡31後進入光路耦合器36，其中，在第七透鏡31與光路稱合器36之間通過設置第三全反射鏡34和第十五透鏡35來改變光路方向並使光束集中進入光路耦合器36 ;來自光路裝置的波長為532nm的雷射依次通過第八透鏡26、第二摺疊鏡29、第九透鏡32後進入光路稱合器36 ;來自光路裝置的波長為1064nm的雷射依次通過第十透鏡27、第三摺疊鏡30、第^ 透鏡33後進入光路稱合器36,在第^ 透鏡33與光路耦合器36之間同樣通過設置第四全反射鏡38和鏡37，其中鏡37可以透過第二路雷射，並全反射第三路雷射，目的是改變第三路雷射的方向，使其與第二路雷射同軸，通過設置第四全反射鏡38和鏡37達到改變光路的方向並使光束集中進入光路耦合器36的目的，三路不同波長的雷射依次進入光路耦合器36，然後依次通過第十二透鏡39進入光路準直器40，最後再通過第十三透鏡41和一個第五全反射鏡42進入到檢測裝置。採用光路耦合單元是為了使得三路雷射能夠依次同軸進入測量系統，三路雷射的調製頻率由第一步進電機22、第二步進電機23和第三步進電機24分別控制第一遮光器19、第二遮光器21和第三遮光器20，對三路雷射進行間隔分步遮擋，每次使一路雷射進入散射相函數和吸收係數測量腔體。同時也使得光電探測器和光聲腔每次只測量一個波長的氣溶膠散射相函數和吸收信號，並獲得氣溶膠各光學參數。
[0031]本發明中各個透鏡的設置是為了使得雷射每一次經過晶體或者光路轉換後到達下一級時能夠消除色散並使光路儘可能的以集束式的方式進入下一級，為了更好的實現其效果，各個透鏡需要鍍增透膜，使其透過率在99.9%以上。透鏡材質可以是塑膠透鏡和玻璃透鏡兩種，為減少成本可以選擇塑膠透鏡。
[0032]檢測裝置包括控制單元和檢測單元，其中檢測單元包括光聲腔、第一長程多次反射鏡71、第二長程多次反射鏡61、第一溫壓溼傳感器68、聲轉換器69和第一光電探測器62、第二光電探測器64、第三光電探測器65、第四光電探測器66、第五光電探測器67和第六光電探測器73,其中第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61分別位於光聲腔的兩端，第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61的反射原理同Herriott型光學長程池，反射的結果使得光路在兩個長程多次反射鏡之間形成空心圓柱形的光柱，從而在兩個長程多次反射鏡之間形成一個空腔，光聲腔將兩個長程多次反射鏡罩住形成檢測腔；其中第六光電探測器73設置於檢測單元的光源出射口的外側與光源的出射方向對應並與控制單元88連接，其他的光電探測器設置於光聲腔的表面(如圖2所示)用於測量3°和177°、33°和147°、90°、1°到179°以及55°和125°，圖中黑色方塊部分為探測器的探測面，為了使只有一個方向的氣溶膠散射光進入到光電探測器中，除了測量角度為1°到179°的光電探測器66外，其他的光電探測器安裝的進光部分設置有數個起阻擋作用的限光隔板93並在隔板中間開孔，這樣使得只有一個方向的氣溶膠散射光進入。其中，測量角度為3°和177°的第一光電探測器62設置於第二長程多次反射鏡61的軸端點，測量角度為33°和147°的第二光電探測器64、測量角度為55°和125°的第五光電探測器67以及測量角度為1°到179°的第四光電探測器66設置於光聲腔中部兩側，測量角度為90°的第三光電探測器65設置於光聲腔中部的內表面並與光聲腔的中心軸線垂直，且第二光電探測器64、第五光電探測器67和第三光電探測器65的對稱軸與光聲腔的腔體的長軸之間的夾角分別為33° /147°、55° /125°和90°，第四光電探測器66的探測面略微深入光聲腔並與腔體的長軸垂直這樣可以測量到1°到179°的散射光；第一溫壓溼傳感器68和聲轉換器69分別設置於所述光聲腔的內表面,聲轉換器69設置於光聲腔的中間位置並與腔體的長軸垂直，第一溫壓溼傳感器68的探頭略微深入光聲腔的腔體，以便測量腔體內的溫壓溼參數，在空間允許的情況下，5個光電探測器和第一溫壓溼傳感器68都可位於垂直於腔體長軸的中心截面上(與圖2的短軸在一個平面上)，即與聲轉換器69設置在一個平面上，但會有不同的角度。第一溫壓溼傳感器68、聲轉換器69和所有的光電探測器均分別與所述控制單元88連接，聲轉換器69的設置是為了準確獲取氣溶膠的吸收係數，第一溫壓溼傳感器68除了可以監控光聲腔內的環境狀況外，對於儀器的定標和測量信號的處理等也具有重要的作用。使用測量測量3°和177°的光電探測器62是為了獲得近軸小角前後向散射的測量值，第二光電探測器64、第五光電探測器67和第三光電探測器65測量不同角度的散射光是為了獲得準確的氣溶膠散射相函數，測量總散射係數的光電探測器66是為了獲得I?179°的氣溶膠總散射係數。各個光電探測器的探測角度也可以做適當的微調。氣溶膠不同粒徑的粒子在不同波長的雷射照射下其散射強度不同，散射強度分布也就是相函數，散射係數是在相函數測量的基礎上獲得的。由於不同的粒子對於不同的波長有不同的散射圖案，總體來講，我們需要選擇比較敏感的強度分布對應的散射角進行測量，因此，可以根據安裝的需要和光聲腔腔體空間的實際情況做適當微調。檢測腔(光聲腔)的結構為圓柱結構，一方面可以滿足安裝各種檢測器件的要求，另一方面對於氣溶膠吸收的直接測量選擇圓柱型的結構也是為了加強吸收的測量信號，圖3給出了聲轉換器69(就是麥克風或稱微音器)的安裝位置圖，圖中X是光聲腔的長度，圖3還給出了聲壓分布曲線P隨光聲腔長度的變化而變化的曲線，聲壓最大的位置就是安裝聲轉換器69的位置，即光聲腔的中間位置。光聲腔檢測的原理是光照射到氣溶膠粒子上時由於粒子會吸收光能從而會產生聲壓，光和聲之間的相互轉換，由於光聲光譜測量的是樣品吸收光能產生聲壓的大小，因而反射光、散射光等對測量幹擾較小，而將長程第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61植入到光聲腔中，也大幅加強聲壓轉換器的探測信號，並使得透過率的測量容易實現，聲壓轉換器69是直接測量氣溶膠吸收係數的探測傳感器。為了封閉的進出光，防止標定氣體和樣品氣體的流失，在光聲腔腔體的第一長程多次反射鏡71所在的一端設置有窗口 92，來自光路裝置的雷射通過。光電探測器測量的原理是當雷射在測量單元裡的第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61之間往返時，像加強聲壓轉換器信號一樣，各氣溶膠散射光的探測信號也得到大幅加強，其中，入射光路通過第五全反射鏡42的作用通過窗口 81和窗口 92從第一長程多次反射鏡71的邊緣射入，到達第二長程多次反射鏡61的對應邊緣，如此經過多次反射(反射的次數由第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61之間的相對扭轉角、第一長程多次反射鏡71和和第二長程多次反射鏡61的面積、厚度、凹面度、曲率半徑及兩者之間的距離所決定，具體地可以根據實際儀器測量腔的大小做相應的調整)之後出射。長程多次反射鏡第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61與光電探測器73聯合可以實現透過率的測量。多次反射的結果使光路就在測量腔體內形成一個空腔，從而可以在第二長程多次反射鏡61的對稱軸上安裝第一光電探測器62，並且測量小角近軸前後向散射強度得以實現，在上述散射測量方案中第一光電探測器到第五光電探測器的測量結果是為了全面獲取氣溶膠的散射角分布圖案，從而獲取氣溶膠的散射相函數的實測曲線。除第一光電探測器62安裝在第二長程多次反射鏡61的對稱軸上外，第二到第五光電探測器可分布於光聲腔中心對稱軸的同一個軸面上，並根據角度需要進行不同的角度安裝。
[0033]氣路裝置包括進樣單元、定標單元和出樣單元,其中,進樣單元和出樣單元分別與光聲腔的兩端相通。進樣單元包括依次連接的氣溶膠切割頭43、第一流量計44、第一三通閥48和第二三通閥49、第一質量流量計90，所述氣溶膠進樣氣流首先經過氣溶膠切割頭43和第一流量計44，再經過第一三通閥48和第二三通閥49以及第一質量流量計90進入檢測裝置，在第二三通閥49和第一質量流量計90之間設置有第二溫壓溼傳感器56 ;定標單元包括零氣發生器45、第一標氣源50和第二標氣源52。來自零氣發生器45的零氣首先通過依次與其連接的高效過濾器46和第二流量計47後再通過第一三通閥48和第二三通閥49以及第一質量流量計90進入到檢測系統；來自第一標氣源50的第一標氣通過與其依次連接的第三三通閥51、第四三通閥54和第三質量流量計55後，然後再依次通過第二三通閥49和第一質量流量計90進入檢測裝置；來自第二標氣源52的第二標氣通過與其依次連接的第五三通閥53和第四三通閥54後在通過第三流量計55、第一質量流量90計後進入到檢測單元。出樣單元包括依次連接的第二質量流量計89、第四流量計79和泵80，經過檢測單元的氣流依次經過第二質量流量計89和第四流量計79，然後在泵80的拖曳下排出檢測單元，其中，第二質量流量計89和第四流量計79之間設置有第三溫壓溼傳感器78。溫壓溼傳感器為一個集成測量溫度、壓力和溼度的傳感器，此溫壓溼傳感器也可以由單獨的溫度傳感器、壓力傳感器和溼度傳感器代替，用於檢測系統環境的溫度、壓力和溼度。因為氣溶膠的粒子譜範圍在0.0Ol?100 μ m之間，這樣我們設計採用不同粒徑的氣溶膠切割頭進行採樣氣溶膠流的入口控制，使得最終進入腔體的氣溶膠是我們想要的粒徑範圍。在進樣氣流中，附以必要的流量測定(利用流量計和質量流量計)，同時輔以必要溫壓溼測量，三通閥的使用是為了在測量氣溶膠模式和定標模式之間進行切換。出樣單元與進樣單元相對簡單一些，主要是在氣溶膠在經過散射吸收測量系統之後，在泵80的拖曳下排出測量系統，增加必要的流量監控和質量監控，附加必要的溫壓溼探測，這些參數與進樣系統的相關測量結果一起使得可以獲取本發明在測量氣溶膠的散射和吸收特性是的進出採樣流之間的差別與聯繫。來自光路裝置的光源和來自氣路裝置的氣流分別進入檢測裝置的光聲腔並由控制單元進行檢測。
[0034]溫度控制單元包括雙層不鏽鋼箱體87、第一半導體製冷器82、第二半導體製冷器85、第一熱交換風扇83和第二熱交換風扇86、以及溫壓溼傳感器84，其中，雙層不鏽鋼箱體罩87在檢測裝置的外面；第一半導體製冷器82、第二半導體製冷器85、第一熱交換風扇83和第二熱交換風扇86以及第四溫壓溼傳感器84分別設置於所述雙層不鏽鋼箱體87的表面，為使檢測結果更加均勻，第一半導體製冷器82和第一熱交換風扇83設置於雙層不鏽鋼箱體87的一個角的側壁上，第二半導體製冷器85和第二熱交換風扇86設置於上述角的對角的側壁上；雙層不鏽鋼箱體87的一側開設有窗口 81，在使來自光路裝置的光源依次通過第五全反射鏡42、窗口 81和窗口 92後進入檢測裝置，三路雷射依次經過窗口 81進入檢測單元，光路在腔體內在第一長程多次反射鏡71和第二長程多次反射鏡61之間經過數次往返後通過光源出射口(亦為光源入射口)出射到設置於檢測單元的窗口外側的第六全反射鏡72，第六全反射鏡72使出射的光路到達光電探測器73。通過將氣溶膠的散射測量和吸收測量耦合進同一個測量腔中，可以避免不同腔體本身背景信號的不同造成的誤差。同時，三路雷射依次進入測量系統，也避免了互相之間的幹擾。溫壓溼傳感器檢測的數據傳送到控制單元，控制單元根據傳送的數據決定是否啟動第一半導體製冷器82、第二半導體製冷器85、第一熱交換風扇83和第二熱交換風扇86來對雙層不鏽鋼箱體87內的溫度進行控制。溫度控制單元是為克服儀器在長期的採樣中，頻繁的光電、光聲之間的轉換所產生的測量系統發熱現象，使用雙層不鏽鋼箱體87對整個測量單元進行保溫(雙層箱體之間填充隔音隔熱材料)，利用第四溫壓溼傳感器84監控測量箱體內溫度的變化，及時啟動或停止第一熱交換風扇83和第二熱交換風扇86,並使用半導體製冷器82和85對箱體進行製冷,從而達到保護測量系統正常工作的目的。
[0035]進氣隔音裝置包括依次連接的第一緩衝器57、第一聲波濾器59和第二緩衝器63，其中，第一緩衝器57設置於進樣單元的出口處並與第一接收器58相連，第二緩衝器63構成光聲腔第二長程多次反射鏡61所在的一端；排氣隔音裝置包括依次連接的第三緩衝器77、第二聲波濾器75和第四緩衝器70，其中，第三緩衝器77設置於出樣單元的入口處並與第二接收器76相連，第四緩衝器構成光聲腔的另一端。在第一聲波濾器59和第二緩衝器64之間的管道上設置有第五溫壓溼傳感器60，在第二波濾器75和第四緩衝器70之間的管道上設置有第六溫壓溼傳感器74。隔音主要包括三個方面，一是對測量光聲腔的整體隔音，即使用雙層不鏽鋼箱體87對整個檢測單元進行隔音(雙層箱體之間填充隔音隔熱材料)，屏蔽外界環境噪音；二是對進氣採樣流噪音進行屏蔽，同時使得氣流的流速噪音降至最低，這兩個方面分別使用第一聲濾波器59、第一緩衝器57和第二緩衝器63來實現；三是出樣氣流噪音的控制是由第二聲濾波器75、第三緩衝器77和第三緩衝器70來實現。接收器58和接收器76分別接收進樣和出樣氣流中沉積下來的水分。
[0036]控制單元88為包括數據採集卡(圖未示)和數據監控處理軟體(圖未示)的儀器測量與控制系統。其中，儀器中的雷射器6、三個斬波器，三個步進電機，六個溫壓溼傳感器、六個光電探測器、聲轉換器69、兩個半導體製冷器、兩個熱交換風扇均與數據採集卡和控制電路相連。所述數據監控軟體採用美國國家儀器有限公司(National Instrument,簡稱NI)的虛擬儀器軟體LabBIEW8.6版本。
[0037]在測量時，具體的步驟如下:
[0038](I)打開電源開關2和4,給全系統供電,啟動自檢系統,此時雷射器6輸出基頻雷射，通過倍頻系統後和分頻系統後變成三路雷射；
[0039](2)同時，在第一三向閥48和第二三向閥49的控制下，零氣發生器45通過第一三向閥48和第二三向閥49進入測量腔(即光聲腔，下同)，控制第一步進電極22連通、第二步進電機23和第四步進電機斷開，從而通過第一遮光器19使得波長為355nm的雷射進入測量腔，探測該波長下的背景信號，作為定標使用。此時，測量參數包括溫壓溼、質量流量、散射光子數，出射光強探測和吸收係數(聲轉換器:微音器或麥克風)探測:(i)其中通過六個溫壓溼傳感器分別進行溫度、壓力、溼度的探測；(ii)第二質量流量計89和第一質量流量計90依次進行相應的質量流量探測；(iii)第一光電探測器到第五光電探測器(PMT即光電倍增管)分別探測各自位置上的散射光子數；(iv)第六光電探測器73探測出射光強度；(V)聲轉換器69探測背景腔吸收係數值；
[0040](3)在系統控制電路的控制下打開第二三通閥49和第四三通閥54，依次接通第一定標氣體源50和第二定標氣體源52，在泵80帶動下，對355nm的雷射進行定標測量；此時，測量參數包括溫壓溼、質量流量、散射光子數，出射光強探測和吸收係數(聲轉換器:微音器或麥克風)探測:(i)其中通過六個溫壓溼傳感器分別進行溫度、壓力、溼度的探測；(ii)第二質量流量計89和第一質量流量計90依次進行相應的質量流量探測；第一光電探測器到第五光電探測器(PMT即光電倍增管)分別探測各自位置上的散射光子數；(iv)第六光電探測器73探測出射光強度；(V)聲轉換器69探測定標氣體腔吸收係數值；
[0041](4)將第一三向閥48和第二三向閥49轉向氣溶膠進樣氣流口，在泵80帶動下，氣溶膠粒子通過氣溶膠切割頭43，氣溶膠樣品流進入測量腔，此時，測量參數包括溫壓溼、質量流量、散射光子數，出射光強探測和吸收係數(聲轉換器:微音器或麥克風)探測:(i)其中通過六個溫壓溼傳感器分別進行溫/壓/溼的探測；(ii)第二質量流量計89和第一質量流量計90依次進行相應的質量流量探測；(iii)第一光電探測器到第五光電探測器(PMT即光電倍增管)分別探測各自位置上的散射光子數；(iv)第六光電探測器73探測出射光強度；(V)聲轉換器69探測吸收係數值；
[0042](5)上述過程周期性進行，以保證測量準確。在進行波長為532nm的雷射的測量時，將第二步進電機23連通，斷開第一步進電機22和第三步進電機24，利用第二遮光器20使波長為532nm的雷射進入檢測腔，檢測步驟同波長為355nm的雷射的測量。同理，在進行波長為1064nm的雷射的測量時，將第三步進電機24連通，斷開第一步進電機22和第二步進電機23，利用第三遮光器21使波長為1064nm的雷射進入檢測腔。其中背景和定標氣體相關參數的測量每隔一個晝夜進行一次。然後進行一整天的採樣測量。所有測量均為自動控制採集和處理。
[0043](6)重複上述過程，只不過，在測量驗證時，使用氣溶膠發生器產生標準形狀的氣溶膠粒子進入測量腔，如半徑等於0.44微米的氣溶膠粒子進行相關參數的測量。
[0044]探測算法方程
[0045](一)散射係數
[0046]根據輻射傳輸理論可以獲得即適用分子也適用粒子的散射強度的普遍表達式:
[0047]
【權利要求】
1.一種多通道氣溶膠散射吸收測量儀，包括光路裝置、檢測裝置和氣路裝置，其特徵在於，所述光路裝置用於提供光源，所述檢測裝置包括控制單元和檢測單元；所述檢測單元包括光聲腔、第一長程多次反射鏡、第二長程多次反射鏡、4~10個光電探測器、溫壓溼傳感器和聲轉換器，其中所述第一長程多次反射鏡和第二長程多次反射鏡分別位於光聲腔的兩端；其中一個光電探測器設置於檢測裝置的外部用於檢測從檢測單元出射的光源的光強度，其他的光電探測器設置於光聲腔的內表面用於測量不同角度的氣溶膠的散射強度；所述溫壓溼傳感器和聲轉換器分別設置於所述光聲腔的內表面，其中，所述聲轉換器設置於光聲腔的中間位置並與光聲腔的長軸垂直；所述光電探測器、溫壓溼傳感器和聲轉換器分別與所述控制單元連接；所述氣路裝置包括進樣單元、定標單元和出樣單元，其中，所述進樣單元和出樣單元分別與所述光聲腔的兩端相通；來自光路裝置的光源和來自氣路裝置的氣流分別進入檢測裝置的光聲腔並由控制單元進行檢測。
2.根據權利要求1所述的包括多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述的光路裝置包括依次連接的雷射發射單元和雷射調製單元，所述雷射發射單元包括雷射器和雷射器的控制器，所述雷射發射單元發射基頻波長為1064nm的雷射；所述雷射調製單元包括依次連接的倍頻單元、分頻單元和光路耦合單元，所述雷射調製單元將波長為1064nm的基頻雷射調製為波長分別為1064nm、532nm和355nm的雷射。
3.根據權利要求2所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述倍頻單元包括依次設置的斬波器、第一透鏡、第一 LBO三倍頻晶體、第二透鏡和第二 LBO三倍頻晶體，其中，來自雷射發射單元的波長為1064nm的雷射經過斬波器進行調頻後，依次通過第一透鏡和第一 LBO三倍頻晶體後變為波長為1064nm和532nm的雷射，所述1064nm和532nm的雷射依次經過第二透鏡和第二 LBO三倍頻晶體後變為波長為1064nm、532nm和355nm的雷射。
4.根據權利要求2所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述分頻單元包括第三透鏡、第四透鏡、第五透鏡、第一分光鏡、第二分光鏡、第一遮光器、第二遮光器和第三遮光器，來自倍頻單兀的雷射依次通過第三透鏡和第一分光鏡將雷射分為第一光束和第二光束，其中第一光束通過第一遮光器得到波長為355nm的雷射；第二光束依次經過第四透鏡和第二分光鏡將雷射分為第三光束和第四光束，其中，所述第三光束通過第二遮光器得到波長為532nm的雷射，第四光束依次通過第五透鏡和第三遮光器得到波長為1064nm的雷射。
5.根據權利要求2所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述光路耦合單元包括第六透鏡、第七透鏡、第八透鏡、第九透鏡、第十透鏡、第十一透鏡、第十二透鏡、第十三透鏡、第一摺疊鏡、第二摺疊鏡、第三摺疊鏡、光路稱合器和光路準直器，其中，來自光路裝置的波長為355nm的雷射依次通過第六透鏡、第一摺疊鏡、第七透鏡後進入光路耦合器；來自光路裝置的波長為532nm的雷射依次通過第八透鏡、第二摺疊鏡、第九透鏡後進入光路耦合器；來自光路裝置的波長為1064nm的雷射依次通過第十透鏡、第三摺疊鏡、第十一透鏡後進入光路耦合器，三路不同波長的雷射依次進入光路耦合器，然後依次通過第十二透鏡進入光路準直器，最後再通過第十三透鏡進入到檢測裝置。
6.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，位於光聲腔表面的光電探測器的個數為5個，分別為第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器和第五光電探測器，其中，第一光電探測器的探測角度為3°和177° ；第二光電探測器的探測角度為33°和147° ;第三光電探測器的探測角為90° ;第四光電探測器的探測角為1°到179° ;第五光電探測器的探測角為55°和125° ;5個光電探測器按照探測角度安裝在光聲腔的內表面。
7.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述的進樣單元包括依次連接的氣溶膠切割頭、流量計、三通閥和質量流量計，所述氣溶膠進樣氣流首先經過氣溶膠切割頭和流量計，再經過三通閥和質量流量計進入檢測裝置，其中，所述三通閥和所述質量流量計之間設置有溫壓溼傳感器。
8.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述的定標單兀包括零氣發生器、第一標氣源和第二標氣源，其中，來自零氣發生器的零氣、來自第一標氣源的第一標氣和來自第二標氣源的第二標氣分別通過質量流量計後進入到檢測單元。
9.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述的出樣單元包括依次連接的質量流量計、流量計以及泵，經過檢測單元的氣流依次經過質量流量計和流量計，然後在泵的拖曳下排出檢測單元，其中，所述質量流量計和流量計之間設置有溫壓溼傳感器。
10.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述多通道氣溶膠散射吸收測量儀設置有溫度控制單元，所述溫度控制單元包括雙層不鏽鋼箱體、半導體製冷器、熱交換風扇和溫壓溼傳感器，其中，所述雙層不鏽鋼箱體罩在所述檢測裝置的外面；所述半導體製冷器、熱交換風扇和溫壓溼傳感器分別設置於所述雙層不鏽鋼箱體的表面；所述雙層不鏽鋼箱體的一側開設有窗口，使來自光路裝置的光源進入所述檢測裝置；所述溫壓溼傳感器檢測的數據傳送到控制裝置，控制裝置根據傳送的數據決定是否啟動半導體製冷器和熱交換風扇來對雙層不鏽鋼箱體內的溫度進行控制。
11.根據權利要求1所述的多通道氣溶膠散射吸收測量儀，其特徵在於，所述多通道氣溶膠散射吸收測量儀設置有進氣隔音裝置和排氣隔音裝置，其中，所述進氣隔音裝置包括依次連接的第一緩衝器、第一聲波濾器和第二緩衝器，其中，所述第一緩衝器設置於進樣單元的出口處並與第一接收器相連，所述第二緩衝器構成所述光聲腔的一端；所述排氣隔音裝置包括一次連接的第三緩衝器、第二聲波濾器和第四緩衝器進樣單元的連接，其中，所述第三緩衝器設置於出樣單元的入口處並與第二接收器相連，所述第四緩衝器構成所述光聲腔的另一端。
【文檔編號】G01N21/49GK103983544SQ201410232392
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】韓永 申請人:南京大學