同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀的製作方法

2024-01-21 12:50:15

同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系統，光路系統包括發光二極體和接收發光二極體輸出光的光學諧振腔，光學諧振腔的光出射端設有檢測消光係數的消光光譜儀，光學諧振腔中部從側面插入有散射光積分檢測器。本實用新型使用消光光譜儀分析從發光二極體射出並進入光學諧振腔不同波長的透射光，用散射光積分檢測器測量多個波長下的散射係數，在測量到消光係數和散射係數的基礎上，可以進一步得到氣溶膠的吸收係數和單次散射反照率等光學參數，更大程度地滿足大氣氣溶膠光學性質研究工作的需要。本實用新型可應用於大氣氣溶膠光學性質在線分析檢測。
【專利說明】同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及氣溶膠在線檢測領域，特別是涉及一種同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀。

【背景技術】
[0002]大氣氣溶膠是全球和區域氣候變化重要的驅動因子，但同時氣溶膠也是目前氣候研究中最大的不確定性來源之一，其原因除了全球尺度上大氣氣溶膠來源的多樣性、時空分布差異較大外，測量技術的限制對氣溶膠吸收特性測量上的極大不確定性也是一個重要原因。研究能夠同時測量消光係數和散射係數或同時測量散射係數和吸收係數的新技術，對大氣科學研究以及氣象領域具有重要的實用價值和意義。
[0003]光腔衰蕩光譜技術基於高反鏡的多次反射特性，在較短的距離內實現了長等效光程，具有超高靈敏度和低檢測限的優點，在此基礎上發展起來的腔增強吸收光譜，採用連續發射光源，將不同反射次數的光累加，大大提高了光腔內的光強，不僅繼承了光腔衰蕩光譜的這些優點，同時，簡化了對光源和分析計算的要求，非常適合於大氣氣溶膠的光學性質研究以及各種痕量氣體的檢測分析。
[0004]目前，國際上已經出現了將腔增強吸收光譜用於氣溶膠消光係數檢測的研究。但是氣溶膠散射係數的測量仍舊依賴其他儀器(如積分濁度儀)的輔助，並且在兩者光源波長不一致的情況下，需要進一步的計算統一到相同的波長下。計算準確度受氣溶膠模式的影響，可能產生不可忽略的誤差。因此，開發能夠在同一臺儀器上同時測量氣溶膠消光係數和散射係數的方法，同時得到氣溶膠吸收係數和單次散射反照率，對提高係數吸收和單次散射反照率測量的準確度和可靠性，具有極其重要的意義。
實用新型內容
[0005]為了克服上述技術問題，本實用新型的目的在於提供一種能夠同時檢測氣溶膠消光和散射係數的非相干寬帶腔增強吸收光譜儀。
[0006]本實用新型所採用的技術方案是:
[0007]—種同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系統，所述光路系統包括發光二極體和接收發光二極體輸出光的光學諧振腔，所述光學諧振腔的光出射端設有檢測消光係數的消光光譜儀，所述光學諧振腔中部從側面插入有散射光積分檢測器，所述氣路系統包括連接光學諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護氣路。
[0008]作為上述技術方案的進一步改進，所述散射光積分檢測器垂直於光學諧振腔的光路方向且位於光路中部的側端。
[0009]作為上述技術方案的進一步改進，所述散射光積分檢測器為一個或多個帶有不同波長濾波器的光檢測器，接收一定散射角範圍的散射光，由檢測到的散射光光強得到待測樣品的散射係數。
[0010]作為上述技術方案的進一步改進，所述供氣氣路連接於光學諧振腔靠近光入射端位置，所述排氣氣路連接於光學諧振腔靠近光出射端位置，形成單側供氣、單側排氣。
[0011]作為上述技術方案的進一步改進，所述供氣氣路包括並聯連接的樣品通道和背景通道，所述樣品通道和背景通道的入口端用於連接待測氣體，所述樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥，所述三通切換閥連接光學諧振腔，所述背景通路上設有過濾器。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，所述保護氣路設有兩個連接光學諧振腔的入口，兩個入口分別位於供氣氣路出口與光入射端之間、排氣氣路入口與光出射端之間。
[0013]作為上述技術方案的進一步改進，所述排氣氣路包括通過管道串聯連接的抽氣泵、限流閥和流量計。
[0014]作為上述技術方案的進一步改進，所述光路系統包括位於發光二極體與光學諧振腔之間的導入裝置，所述導入裝置包括光依次通過的透鏡組和光纖。
[0015]本實用新型的有益效果是:本實用新型結合了腔增強吸收光譜技術和邊散射積分濁度檢測技術，使用消光光譜儀分析從發光二極體射出並進入光學諧振腔不同波長的透射光，可以得到波長解析的氣溶膠消光係數，用散射光積分檢測器測量多個波長下的散射係數，消光係數涵蓋的波長範圍包括了散射係數對應的波長，因此無需進行波長的轉換；在測量到消光係數和散射係數的基礎上，可以進一步得到氣溶膠的吸收係數和單次散射反照率等光學參數，並且，波長解析的消光係數可以計算出氣溶膠的埃斯屈朗指數，可用於分析氣溶膠的分布模式，更大程度地滿足大氣氣溶膠光學性質研究工作的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖和實施方式對本實用新型進一步說明。
[0017]圖1是本實用新型的構造原理圖。

【具體實施方式】
[0018]如圖1所示的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系統，光路系統包括發光二極體I和接收發光二極體I輸出光的光學諧振腔2,光學諧振腔2的光出射端設有檢測消光係數的消光光譜儀3，光學諧振腔2中部從側面插入有散射光積分檢測器4，氣路系統包括連接光學諧振腔2的供氣氣路5、排氣氣路6和保護氣路7。
[0019]發光二極體I可發出非相干寬帶光，其發光連續，光波長範圍連續。在本實施例中發光二極體I的輸出功率為10mW,光波長範圍500nm至560nm，相對於採用雷射作為光源輸出，發光二極體I由于波長具有較寬的範圍，就可以得到不同波長條件下的光學性質的信息，而且這些信息更多更全面，有利於後續的分析。
[0020]在本實施例中，光路系統還包括位於發光二極體I與光學諧振腔2之間的導入裝置，導入裝置包括光依次通過的透鏡組8和光纖9，通過透鏡組8和凸透鏡將發光二極體I發出的光耦合進入光纖9，再直接耦合進入光學諧振腔2，而光纖9的輸出由三維調節裝置進行調節。
[0021]優選的，光學諧振腔2包括兩片垂直於光入射方向的平凹高反鏡，其中，高反鏡凹面為高反面，曲率半徑lm，在500nm至560nm範圍內反射率高於99.99%，安裝時凹面相對鏡面平行且中心線重合，其中輸入高反鏡位於光入射一端，輸出高反鏡位於相對的另一端即光出射端，兩片高反鏡鏡片之間的距離為0.74m，可形成高品質的穩定光學諧振腔2。
[0022]在本實施例中，散射光積分檢測器4為光電倍增管，接收面積320_2，用550nm的帶通濾波片進行濾波，該光電倍增管位於光學諧振腔2中部，與腔體垂直，可同時接收散射角5°至175°範圍的散射光。根據邊散射式積分濁度儀的原理，可由檢測到的散射光光強計算得出氣溶膠樣品在對應波長下的散射係數。
[0023]消光光譜儀3位於光學諧振腔2的輸出高反鏡的後側，接收光學諧振腔2的透射光，並將光信號轉化為電信號以便進行光信號變化的觀測，對500nm至560nm在內的波段進行光譜分析，根據腔增強吸收光譜原理，可得到腔內氣溶膠樣品的波長解析的消光係數。
[0024]在本實施例中，供氣氣路5用於將氣溶膠樣品引入光學諧振腔2進行光學分析，排氣氣路6將光學諧振腔2的氣溶膠樣品排出光譜儀外並提供進氣的動力。供氣氣路5連接於光學諧振腔2靠近光入射端位置，排氣氣路6連接於光學諧振腔2靠近光出射端位置，形成單側供氣、單側排氣。相比於中間供氣兩端排氣或者兩端進氣中間排氣的方式，該方式減少了整個光譜儀的連接管道及相應的管道彎頭，使得氣溶膠的流通較為順暢，減少了損耗。
[0025]優選的，供氣氣路5包括並聯連接的樣品通道和背景通道，樣品通道和背景通道的入口端用於連接待測氣體，樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥51，三通切換閥51連接光學諧振腔2，背景通路上設有過濾器52。過濾器52可將樣品氣體中的顆粒物過濾，得到作為參考的背景氣體，三通切換閥51可使進入光學諧振腔2的分析氣體在過濾背景氣體和樣品氣體之間切換。
[0026]本實施例中，排氣氣路6包括通過管道串聯連接的抽氣泵61、限流閥62和流量計63。抽氣泵61給整個氣路提供驅動力，限流閥62用於調節和控制氣體流速，流量計63用於監測氣體流速，通過排氣氣路6可以控制和測量樣品氣體的流速。
[0027]保護氣路7設有兩個連接光學諧振腔2的入口，兩個入口分別位於供氣氣路5出口與光入射端之間、排氣氣路6入口與光出射端之間。保護氣路7用於將高純氮氣、高純乾燥空氣等純淨氣體引入光學諧振腔2高反鏡的內側，形成保護區域，防止樣品氣體中的氣溶膠顆粒物汙染鏡片。
[0028]本實施例的工作原理是:發光二極體I發射連續的不同波長的光經過導入裝置耦合進入光學諧振腔2，在這種高品質的諧振腔中形成來回反射，形成振蕩，併疊加增強，使得有效光程提高數萬甚至數十萬倍。腔內的光在氣溶膠的作用下產生吸收和散射，兩者的總和即為消光。氣溶膠的消光係數不同，腔內的光強會發生變化，通過透射光可以測量腔內氣溶膠的消光。這裡，使用消光光譜儀3分析不同波長的透射光，可以得到波長解析的氣溶膠消光係數。同時，腔體內氣溶膠的散射光，會被位於腔體側面的散射光積分檢測器4接收至IJ，由於散射光光強與散射係數成正比，因此可以通過測量散射光得到氣溶膠散射係數。進氣氣路可將大氣中的氣溶膠樣品不斷引入到光學諧振腔2中，然後通過排氣氣路6排出，可以實現對大氣氣溶膠的消光係數和散射係數的實時在線檢測。
[0029]該方法作用的等效光程長，具有靈敏度高、檢測限低的特點。
[0030]本實施例可同時得到氣溶膠的消光係數和散射係數，進一步可計算出氣溶膠的吸收係數和單次散射反照率等氣溶膠光學性質的關鍵參數，另外，波長解析的氣溶膠消光係數，可以擬合得到氣溶膠的埃斯屈朗指數，用於分析氣溶膠粒徑組成的模式。該儀器不僅實現了氣溶膠消光係數和散射係數的同時檢測，還可實現氣溶膠多光學性質參數的同步分析，大大提高儀器的使用價值、擴展儀器的應用範圍。
[0031]以上所述只是本實用新型優選的實施方式，其並不構成對本實用新型保護範圍的限制。
【權利要求】
1.一種同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系統，其特徵在於:所述光路系統包括發光二極體和接收發光二極體輸出光的光學諧振腔，所述光學諧振腔的光出射端設有檢測消光係數的消光光譜儀，所述光學諧振腔中部從側面插入有散射光積分檢測器，所述氣路系統包括連接光學諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護氣路。
2.根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述散射光積分檢測器垂直於光學諧振腔的光路方向且位於光路中部的側端。
3.根據權利要求2所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述散射光積分檢測器為一個或多個帶有不同波長濾波器的光檢測器，接收一定散射角範圍的散射光，由檢測到的散射光光強得到待測樣品的散射係數。
4.根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述供氣氣路連接於光學諧振腔靠近光入射端位置，所述排氣氣路連接於光學諧振腔靠近光出射端位置，形成單側供氣、單側排氣。
5.根據權利要求4所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述供氣氣路包括並聯連接的樣品通道和背景通道，所述樣品通道和背景通道的入口端用於連接待測氣體，所述樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥，所述三通切換閥連接光學諧振腔，所述背景通路上設有過濾器。
6.根據權利要求4所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述保護氣路設有兩個連接光學諧振腔的入口，兩個入口分別位於供氣氣路出口與光入射端之間、排氣氣路入口與光出射端之間。
7.根據權利要求4或5或6所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述排氣氣路包括通過管道串聯連接的抽氣泵、限流閥和流量計。
8.根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射係數的腔增強吸收光譜儀，其特徵在於:所述光路系統包括位於發光二極體與光學諧振腔之間的導入裝置，所述導入裝置包括光依次通過的透鏡組和光纖。
【文檔編號】G01N21/31GK204008442SQ201420377877
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】洪義, 黃正旭, 高偉, 程平, 周振, 李梅 申請人:廣州禾信分析儀器有限公司, 崑山禾信質譜技術有限公司