光聲吸收池及大氣顆粒物多光學參數在線測量裝置的製作方法

2024-01-21 14:45:15 3

本發明屬於光學領域，具體涉及一種同步在線測量大氣顆粒物多個光學參數的裝置，該裝置利用光聲光譜技術和弱光信號探測技術分別測量顆粒物的光吸收和散射信號，直接獲取其吸收係數和散射係數，進而得到顆粒物的消光係數和單次散射反照率信息，實現顆粒物多光學參數的同步在線測量。

背景技術：

大氣顆粒物，是指懸浮在大氣中的直徑在0.001～100微米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。大氣顆粒物通過吸收和散射(二者之和為消光)太陽輻射直接影響地球大氣輻射平衡，從而改變局部天氣和全球氣候。單次散射反照率為大氣顆粒物散射係數與消光係數之比，它直接反映了大氣顆粒物的吸收或散射太陽輻射的能力。

大氣顆粒物吸收係數的獲取可以通過將顆粒物沉積在過濾介質上測量，也可以在保持其自然懸浮的狀態下測量。前一種方法由於技術簡單、價格低廉、對氣體的吸收不敏感等優點在較長的時間內受到關注，並且發展出了一批商業化的產品，如測碳儀(aethalometer)、粒子菸灰吸收光度計(particle soot absorption photomerer，PSAP)、和多角度吸收光度計(multi-angle absorption photometer，MAAP)等，然而這一技術由於改變了顆粒物的自然懸浮狀態，會造成粒子光學特性的改變，並且由於過濾介質的多重散射和粒子形態的改變而引起的潛在吸收增強，使系統測量結果的準確性大大降低，同時給系統的標定帶來了一定的困難。在自然懸浮狀態下測量大氣顆粒物吸收係數的技術，主要包括折射率技術、白熾技術、光聲光譜技術，前兩種技術分別由於對外部震動敏感、高溫改變粒子成分等原因使得他們的在實際大氣環境中的應用受到很大的限制。

2001年，Meinrat在《自然》上撰文指出，基於光聲原理的光聲光譜儀是測量大氣顆粒物光吸收係數誤差相對較小的儀器，原因在於它是直接測量懸浮在空氣中的顆粒物粒子而不改變其自然懸浮狀態。由於光聲光譜測量的是樣品吸收光能產生的聲壓大小，因而反射光、散射光等對測量結果的幹擾較小，該技術成為測量大氣顆粒物吸收係數的理想方法。

對於散射測量來說，目前市場上廣泛使用的是前向散射能見度儀和積分濁度計。能見度儀是以測量大氣顆粒物的散射係數來獲取大氣能見度的儀器，其理論主要是基於大氣透過率的相關研究。然而，由於受下墊面散射光及太陽背景光的影響，能見度儀的測量及安裝環境也受到一定的限制。為獲得大氣顆粒物的總散射係數，Beuttell和Brewer於1941年首先研究並設計出第一臺積分濁度計。最初，該設備用於戰時軍事行動中夜間水平能見度的測量，隨著光學測量及電子技術的發展，特別是經過Crosby等學者所做的較大的技術改進，並開發了多波長濁度計之後，它已被廣泛用於評估大氣顆粒物直接引起的氣候效應的測量研究。

通過以上的討論可以看出，目前針對大氣顆粒物吸收和散射的測量大多是採用不同的儀器分別獨立進行的，因此顆粒物的採樣存在時間和空間上的不均勻性，由此獲得的單次散射反照率參數具有較大的不確定性。同時，多套設備的使用也較大的增加了經濟成本。因此，研發吸收、散射或者消光同時測量的監測設備是大氣顆粒物光學特性測量技術的發展趨勢。

技術實現要素：

本發明主要用來實現大氣顆粒物的吸收係數和散射係數同步實時測量，提供一種準確獲取大氣顆粒物消光係數和單次散射反照率的新手段。吸收係數的測量基於光聲光譜技術，利用大氣顆粒物吸收入射雷射在光聲吸收池共振腔內產生的光聲信號結合吸收係數的標定結果獲得大氣顆粒物的吸收係數；散射係數通過光聲吸收池內安裝的光電探測器測量得到的散射光強獲取；以上二者之和即為大氣顆粒物的消光係數，散射係數與消光係數之比即為大氣顆粒物的單次散射反照率。本發明可以避免多臺套設備測量時樣品的時空差異帶來的測量誤差或者消光、散射同步測量時傳遞誤差造成的吸收係數測量不準確，有效提高了大氣顆粒物光學參數的測量準確性和實時性，降低了測量所需的設備成本。

本發明的技術方案

一種光聲吸收池，包括共振腔，共振腔的左右兩側各設置有一個配合體，其特徵在於：所述的共振腔為U型圓柱體形狀，所述的U型圓柱體形狀的共振腔豎直部分的兩個埠分別安裝揚聲器和麥克風，水平部分的中間位置安裝有光電倍增管，所述的光電倍增管的光敏面位於U型圓柱體形狀的共振腔的水平部分；所述的配合體包括緩衝腔，所述的緩衝腔通過管道與U型圓柱體形狀的共振腔的水平部分水平連接，所述的緩衝腔上還連接有聲過濾腔以及樣品口。

優選的，所述共振腔的直徑滿足入射光的完整穿過要求，水平長度為聲波1/2波長，豎直部分長度為聲波1/4波長。

優選的，所述緩衝腔和聲過濾腔的直徑與共振腔的直徑相同，長度均為聲波1/4波長。

優選的，所述的連接緩衝腔與U型圓柱體形狀的共振腔的水平部分的管道的直徑小於緩衝腔和共振腔的直徑。

優選的，所述的聲過濾腔以及樣品口垂直緩衝腔設置。

進一步的，採用上述的光聲吸收池搭建的大氣顆粒物多光學參數在線測量裝置，還包括雷射器、光電探測器、光纖調整架、光陷阱、信號發生器、鎖相放大器、計算機、流量控制器、採樣泵；所述的採樣泵連接光聲吸收池的樣品口實現光聲吸收池內大氣顆粒物的抽運採樣，採樣流量由流量控制器控制；所述的信號發生器輸出的方波信號分為三路，一路輸入雷射器作為調製信號，一路輸入光聲吸收池上的揚聲器作為驅動信號，一路輸入鎖相放大器作為外部參考信號，所解調信號由計算機採集儲存；雷射器輸出的光經光纖分束器分光，功率佔比低的一束光連接光電探測器並傳輸至計算機作為雷射功率信號儲存處理，功率佔比大的一束光經光纖調整架調整後射入光聲吸收池與光聲吸收池內的大氣顆粒物相互作用，產生的反應大氣顆粒物吸收入射光的光聲信號被光聲吸收池上的麥克風接收，並被連接麥克風的鎖相放大器解調後傳輸給計算機存儲處理獲得大氣顆粒物的吸收係數；同時產生的反應大氣顆粒物散射入射光的光電信號被光電倍增管接收並傳輸給計算機存儲處理獲得大氣顆粒物的散射係數，同時由光聲吸收池出射的光由光陷阱收集，經過計算機的進一步處理實現同一空間內大氣顆粒物單次散射反照率的在線測量。

進一步的，採用上述的裝置實現大氣顆粒物單次散射反照率在線測量方法，其特徵在於：由安裝在光聲吸收池上的麥克風以及光電倍增管實時對位於同一光聲吸收池內的大氣顆粒物與雷射相互作用產生的光聲信號以及散射信號同時進行採集，採集信號由計算機儲存處理分別獲得大氣顆粒物的吸收係數和散射係數，大氣顆粒物的吸收係數和散射係數之和為大氣顆粒物的消光係數，散射係數比消光係數得到大氣顆粒物的單次散射反照率，實現大氣顆粒物多個光學參數的在線測量。

本發明的有益效果

本發明的光聲吸收池採用U型圓柱體形狀的共振腔結合共振腔上安裝的麥克風以及光電倍增管，實現共振腔內大氣顆粒物與雷射相互作用產生的反應吸收係數的光聲信號和反應散射係數的光電信號的同步高精度採集，基於該光聲吸收池搭建的裝置系統，為大氣顆粒物消光係數和單次散射反照率的在線測量提供了新手段，實現了大氣顆粒物多個光學參數的同步、在線測量，有效提高了吸收係數和單次散射反照率的測量準確性。可以避免多臺套設備測量時樣品的時空差異帶來的測量誤差或者消光、散射同步測量時傳遞誤差造成的吸收係數測量不準確，有效提高了吸收係數和單次散射反照率的測量準確性和實時性，降低了測量所需的設備成本。根據該測量結果，可在一定程度上分析大氣的汙染狀況，為城市大氣環境評估提供可靠的參考數據。

附圖說明

圖1.本發明的裝置組成示意圖；

圖中：1、雷射器；2、光電探測器；3、光纖調整架；4、光聲吸收池；5、揚聲器；6、麥克風；7、光電倍增管；8、光陷阱；9、樣品口；10、信號發生器；11、鎖相放大器；12、計算機；13、流量控制器；14、採樣泵；

圖2.光聲吸收池結構圖；

其中：41、共振腔；42、配合體；421、緩衝腔；422、過濾腔。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本發明做進一步說明。

一種光聲吸收池，包括共振腔41，共振腔41的左右兩側各設置有一個配合體42，其特徵在於：所述的共振腔41為U型圓柱體形狀，所述的U型圓柱體形狀的共振腔豎直部分的兩個埠分別安裝揚聲器5和麥克風6，水平部分的中間位置安裝有光電倍增管7，所述的光電倍增管7的光敏面位於U型圓柱體形狀的共振腔41的水平部分；所述的配合體42包括緩衝腔421，所述的緩衝腔421通過管道與U型圓柱體形狀的共振腔41的水平部分水平連接，所述的緩衝腔421上還連接有聲過濾腔422以及樣品口9。

優選的，所述共振腔41的直徑滿足入射光的完整穿過要求，水平長度為聲波1/2波長，豎直部分長度為聲波1/4波長。

優選的，所述緩衝腔421和聲過濾腔422的直徑與共振腔41的直徑相同，長度均為聲波1/4波長。

優選的，所述的連接緩衝腔421與U型圓柱體形狀的共振腔41的水平部分的管道的直徑小於緩衝腔421和共振腔41的直徑。

優選的，所述的聲過濾腔422以及樣品口9垂直緩衝腔421設置。

進一步的，採用上述的光聲吸收池搭建的在線測量大氣顆粒物多光學參數的裝置，還包括雷射器1、光電探測器2、光纖調整架3、光陷阱8、信號發生器10、鎖相放大器11、計算機12、流量控制器13、採樣泵14；所述的採樣泵14連接光聲吸收池的樣品口9實現光聲吸收池內大氣顆粒物的抽運採樣，採樣流量由流量控制器13控制；所述的信號發生器9輸出的方波信號分為三路，一路輸入雷射器1作為調製信號，一路輸入光聲吸收池上的揚聲器5作為驅動信號，一路輸入鎖相放大器11作為外部參考信號，所解調信號由計算機採集儲存；雷射器1輸出的光經光纖分束器分光，功率佔比低的一束光連接光電探測器2並傳輸至計算機作為雷射功率信號儲存處理，功率佔比大的一束光經光纖調整架3調整後射入光聲吸收池4與光聲吸收池內的大氣顆粒物相互作用，產生的反應大氣顆粒物吸收入射光的光聲信號被光聲吸收池4上的麥克風6接收，並被連接麥克風的鎖相放大器11解調後傳輸給計算機12存儲處理獲得大氣顆粒物的吸收係數；同時產生的反應大氣顆粒物散射入射光的光電信號被光電倍增管7接收並傳輸給計算機12存儲處理獲得大氣顆粒物的散射係數，同時由光聲吸收池4出射的光由光陷阱8收集，經過計算機的進一步處理實現同一空間內大氣顆粒物多個光學參數的在線測量。

進一步的，採用上述的裝置實現大氣顆粒物多光學參數在線測量方法，其特徵在於：由安裝在光聲吸收池上的麥克風以及光電倍增管實時對位於同一光聲吸收池內的大氣顆粒物與雷射相互作用產生的光聲信號以及散射信號同步進行採集，採集信號由計算機儲存處理分別獲得大氣顆粒物的吸收係數和散射係數，大氣顆粒物的吸收係數和散射係數之和為大氣顆粒物的消光係數，散射係數比消光係數得到大氣顆粒物的單次散射反照率，實現大氣顆粒物多個光學參數同步在線測量。

本發明具體工作原理介紹如下：

光聲吸收池內的大氣顆粒物的吸收係數通過光聲光譜技術獲取，散射係數通過測量顆粒物的散射光強獲取，二者均需首先對吸收係數和散射係數進行標定，下面具體說明標定的原理和方法。

光聲吸收池內的樣品吸收入射光產生的光聲信號可以表達為：

S＝P×M×Ccell×α0×c+Sb (1)

S：光聲信號的強度(V)；

P：入射雷射功率(W)；

M：麥克風的靈敏度(mV·Pa-1)；

Ccell：光聲池的池常數(Pa·(cm-1·W)-1)；

α0：吸收效率(氣體：[α0]＝Mm-1/ppbv；氣溶膠：[α0]＝Mm-1/(g·m-3))；

c：樣品的濃度(氣體：[c]＝ppbv；氣溶膠：[c]＝g·m-3)；

Sb：背景噪聲(V)。

其中Ccell與光聲池自身的幾何參數、測量條件等因素有關；，α0×c即為樣品的吸收係數。由此可見，對於已經建立的光聲光譜系統，M×Ccell值是不變的，因此可以通過測量不同已知吸收特性的氣體來測定M×Ccell的值。標定過程為：通過測量不同已知濃度c的吸收氣體，獲得不同的光聲信號S對應的吸收係數α＝α0×c，對測量數據進行線性擬合併將擬合所得線性斜率進行功率歸一化，即為M×Ccell，在測得M×Ccell後，根據氣溶膠樣品的光聲信號和所用雷射器的功率即可算得的吸收係數。背景噪聲Sb通過測量潔淨的無吸收氣體來獲得，在測量背景噪聲時，應保持與實際測量氣溶膠樣品吸收時同樣大小的流量。該標定方法通常利用NO2氣體在532nm波長處的吸收來實現。

光電倍增管測量得到的光信號的大小與樣品的散射係數大小及入射光的強弱有關，即：

V∝P·β (2)

V：光電倍增管信號強度(V)；

P：入射雷射功率(W)；

β：麥克風的靈敏度(mV·Pa-1)；

根據(2)式可以看出，通過測量不同已知散射係數的樣品即可確定光電倍增管測量得到的信號值與散射係數之間的對應關係。由於氣體分子在某一波長處的散射係數可以通過瑞利散射模型計算得出，因此可以利用氧氣、二氧化碳、氮氣等對散射係數進行標定。

本發明的工作過程介紹如下：

1)、按照圖1所示連接各零部件，調整雷射器1的光路，使之完整穿過光聲吸收池，並完整的被光陷阱8接收；採樣泵14將大氣顆粒物樣品抽運流經光聲吸收池4，採樣流量由流量控制器13控制；

2)、設置信號發生器10的輸出頻率，使之在光聲吸收池4共振腔的共振頻率附近進行掃描並驅動揚聲器5，麥克風6探測到的聲信號最大處即為光聲吸收池4的共振頻率；

3)、將信號發生器10的輸出頻率設置為步驟2)測量得到的共振頻率，將揚聲器5斷開與信號發生器10的連接；

4)、將計算機12採集得到的麥克風6的光聲信號和光電倍增管7的光電信號分別除以光電探測器2測量得到的雷射功率信號，結合吸收係數和散射係數的標定結果分別得到大氣顆粒物的吸收係數和散射係數；

5)、吸收係數與散射係數之和為消光係數，散射係數除以消光係數即為大氣顆粒物的單次散射反照率。