專利名稱：雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀及消光系數(shù)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣氣溶膠消光系數(shù)的測量領(lǐng)域，更具體的涉及一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀以及大氣氣溶膠消光系數(shù)的測量方法。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠消光是指大氣中顆粒物或液滴對(duì)光產(chǎn)生散射和吸收損耗，使光在通過時(shí)發(fā)生衰減的現(xiàn)象。要準(zhǔn)確得到大氣氣溶膠的消光系數(shù)，通常采用分別測量氣溶膠的散光系數(shù)和吸收系數(shù)，散光系數(shù)與吸收系數(shù)的加和就是大氣氣溶膠消光系數(shù)。目前，散光系數(shù)的測量已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確快速的測量，實(shí)驗(yàn)誤差可以達(dá)到KT1Mm1,但是吸收系數(shù)的測量還沒有達(dá)到這樣的精度。氣溶膠的吸收的測量通常采用濾膜采樣吸收技術(shù)和光聲光電光譜技術(shù)，這兩種技術(shù)由于器件靈敏度限制，或在測量過程中可能改變氣溶膠本身性質(zhì)，具有誤差大，檢測限高，時(shí)間分辨率低等缺點(diǎn)。濾膜采樣吸收儀通過將大氣氣溶膠截留在濾膜表面，測定一定流量情況下單位時(shí)間內(nèi)截留在濾膜表面的氣溶膠對(duì)特定波長光的吸收，扣除濾膜本身的散光效應(yīng)，得到大氣氣溶膠的吸收系數(shù)。大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)與其形態(tài)有緊密聯(lián)系，濾膜技術(shù)很難評(píng)估堆積在濾膜表面相較于懸浮在空氣中的形態(tài)對(duì)吸收系數(shù)的影響是增加還是減少。另外，在測量過程中引入了濾膜，由于其特殊的纖維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的截面敏感性問題，不同濾膜的空白值一致性較差，造成較大的實(shí)驗(yàn)不確定度。同時(shí)，濾膜采樣吸收儀的光源并非采用單色光源，在篩選各特定波長光的過程中波長(或頻率)分布較寬，也會(huì)引起測量誤差，測量的不準(zhǔn)確性達(dá)到30%，無法滿足對(duì)實(shí)際大氣氣溶膠消光系數(shù)準(zhǔn)確、快速變化的測量。為了避免引入濾膜對(duì)氣溶膠消光系數(shù)測量的影響，上世紀(jì)80年代光聲光電光譜儀被發(fā)明用以實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的原位測量。氣溶膠吸收特定波長光后會(huì)以釋放熱能的方式退激，釋放的熱能使氣溶膠的周圍氣體介質(zhì)按光的頻率產(chǎn)生周期性壓力波動(dòng)，由高靈敏微音器檢測放大后得到光聲信號(hào)，光聲信號(hào)的強(qiáng)度即氣溶膠對(duì)特定波長光的吸收。由于光聲光電光譜儀對(duì)特定波長光吸收所導(dǎo)致的熱能釋放，可能使氣溶膠所含的硝酸銨等易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)到氣體介質(zhì)中，或者改變濕度條件進(jìn)而使氣溶膠含水量和粒徑發(fā)生變化，最終影響對(duì)消光系數(shù)的測量，增大測量誤差。光腔衰蕩光譜技術(shù)由O’ Keefe在1988年創(chuàng)建，具有檢測限低，時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體消光系數(shù)的研究中，其原理是將一束短脈沖激光被耦臺(tái)進(jìn)入到一個(gè)光學(xué)諧振腔中，諧振腔由一對(duì)平行相對(duì)、曲率半徑為r，反射率為R的反射鏡組成。在真空時(shí)，光學(xué)諧振腔中的光強(qiáng)會(huì)隨時(shí)間變化
i(i) = i0 exp - (1-1f) I , L為光腔長度，c為光速，t為激光脈沖在腔體里的時(shí)間。當(dāng)光腔內(nèi)有氣體時(shí)，光強(qiáng)隨時(shí)間變化1XO = 1O cxP — 0 - jS * —。s art是氣體的消光系數(shù)，7是樣品的吸收光程長度。當(dāng)光腔內(nèi)通入氣溶膠(即氣體中混有氣溶膠)時(shí)，上式變?yōu)?br> 權(quán)利要求
1.一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀，包括光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，其特征在于:所述光路系統(tǒng)包括第一光腔(I)、第二光腔(2)和光源,所述光源輸出的光分別導(dǎo)入所述第一光腔(I)和第二光腔(2);所述氣路系統(tǒng)包括保護(hù)氣路和樣氣氣路，所述保護(hù)氣路向每個(gè)光腔提供保護(hù)氣，所述樣氣氣路向所述第一光腔(I)提供含有氣溶膠的大氣氣體，向所述第二光腔(2)提供背景大氣氣體；所述電路系統(tǒng)包括第一光電倍增管(8)、第二光電倍增管(9)和計(jì)算處理單元，所述第一光電倍增管(8)用于接收第一光腔(I)輸出的衰蕩光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出至計(jì)算處理單元，所述第二光電倍增管(9)用于接收第二光腔(2)輸出的衰減光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出至計(jì)算處理單元，所述計(jì)算處理單元經(jīng)分析處理分別得到兩個(gè)光腔的衰蕩曲線和衰蕩時(shí)間，并基于此計(jì)算出大氣氣溶膠的消光系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消光儀，其特征在于，所述光路系統(tǒng)還包括調(diào)光單元，設(shè)置于所述光源和光腔之間，用于將光源發(fā)出的光分束導(dǎo)入平行設(shè)置的所述第一光腔(I)和第二光腔(2)，并調(diào)整光束在其中形成衰減振蕩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消光儀，其特征在于，所述調(diào)光單元包括一個(gè)分光鏡(4)、三個(gè)反射鏡(5)以及兩組可調(diào)節(jié)光柵(6)，所述光源發(fā)出的光通過所述分光鏡(4)的反射和透射后分為兩束光，其中一束光經(jīng)第一個(gè)反射鏡反射和第一組光柵調(diào)節(jié)后進(jìn)入第一光腔(I )，另一束光經(jīng)垂直設(shè)置的另兩個(gè)反射鏡(5 )反射和第二組光柵調(diào)節(jié)后進(jìn)入第二光腔(2 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的消光儀，其特征在于，所述的光源為中心波長在綠光波段的半導(dǎo)體泵浦高頻脈沖激光器(3)，激光由外觸發(fā)器觸發(fā)，并具有金屬散熱支架。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的消光儀，其特征在于，所述的光腔由腔體和高反射鏡組成，高反射鏡平行相對(duì)地固定在腔體兩端并保持密閉，且所述高反射鏡裝在可調(diào)節(jié)的鏡架中，用以調(diào)節(jié)其鏡面與入射光的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的消光儀，其特征在于，所述光源為中心波長在532nm、單束脈沖能量為 ο μ J的半導(dǎo)體泵浦調(diào)Q激光器；所述高反射鏡采用中心反射波段在540nm、反射率為99.9985%、 曲率半徑lm、直徑0.8英尺的高反射鏡；所述腔體為圓柱形不銹鋼管腔體，腔體直徑為42mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的消光儀，其特征在于，所述計(jì)算處理單元包括數(shù)字延遲發(fā)生器(11)、計(jì)算機(jī)(10)以及數(shù)據(jù)采集卡(12)，其中所述數(shù)字延遲發(fā)生器(11)的輸出端同時(shí)連接光源和數(shù)據(jù)采集卡(12)，構(gòu)成光路控制部分，用于觸發(fā)光源脈沖與計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，所述光電倍增管的輸出端連接于所述數(shù)據(jù)采集卡(12)，所述數(shù)據(jù)采集卡(12)和計(jì)算機(jī)(10)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的消光儀，其特征在于，所述光電倍增管采用穩(wěn)壓電源提供的高壓電，并與所述數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成數(shù)據(jù)采集部分；所述數(shù)據(jù)采集卡為采集數(shù)24、采集速率IOOMHz的雙通道高速數(shù)據(jù)采集卡；所述數(shù)字延遲發(fā)生器(11)的精確度達(dá)到納秒級(jí)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的消光儀，其特征在于，所述保護(hù)氣路在每個(gè)光腔的臨近其高反射鏡的位置連通于所述光腔，以將保護(hù)氣通入到光腔每個(gè)高反射鏡的鏡面前端，所述的樣氣氣路包括背景氣體供應(yīng)氣路和氣溶膠氣體供應(yīng)氣路，兩個(gè)供應(yīng)氣路共用同一樣氣進(jìn)氣管路和抽氣泵。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的消光儀，其特征在于，所述保護(hù)氣路包括四條支路，在第一光腔(I)的靠近兩端高反射鏡的位置處連接兩條支路，在第二光腔(2)的靠近兩端高反射鏡的位置處連接另兩條支路；其中的保護(hù)氣采用高純氮?dú)馇也缓瑲馊苣z顆粒物。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的消光儀，其特征在于，所述樣氣氣路的具體構(gòu)成為:樣氣進(jìn)氣管路經(jīng)一個(gè)三通后分為兩個(gè)進(jìn)氣路；第一進(jìn)氣路又分成兩個(gè)支路分別從第一光腔(I)的前后部連通腔體，構(gòu)成氣溶膠氣體供應(yīng)氣路；第二進(jìn)氣路也分成兩個(gè)支路分別從第二光腔(2)的前后部連通腔體，構(gòu)成背景氣體供應(yīng)氣路，且在所述第二進(jìn)氣路上加有過濾器；所述第一光腔(I)上設(shè)置的排氣管路與所述第二光腔(2)上設(shè)置的排氣管路連接于同一抽氣泵。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的消光儀，其特征在于，所述過濾器為氣溶膠顆粒過濾器，所述抽氣泵為可調(diào)流量的隔膜泵，流量范圍在l-10L/min。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的消光儀，其特征在于，所述計(jì)算處理單元中的計(jì)算機(jī)(10)通過擬合第一光腔中的衰蕩曲線得到其中氣溶膠大氣氣體的衰蕩時(shí)間，通過擬合第二光腔中的衰蕩曲線得到其中背景大氣氣體的衰蕩時(shí)間，代入公式
14.一種使用權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)所述消光儀進(jìn)行大氣氣溶膠消光系數(shù)監(jiān)測的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、打開光源，調(diào)整調(diào)光單元，將光源發(fā)出的光引導(dǎo)入第一光腔(I)和第二光腔(2)，打開計(jì)算處理單元中的數(shù)字延遲發(fā)生器，觸發(fā)光源及計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，調(diào)高其光電倍增管電壓，在兩個(gè)光腔中形成振蕩； 2)、接通氣路系統(tǒng)的保護(hù)氣路向每個(gè)光腔提供保護(hù)氣，將氣路系統(tǒng)的樣氣氣路接通大氣，打開抽氣泵，在第一光腔(I)前或樣氣進(jìn)路口臨時(shí)加入過濾器，對(duì)兩個(gè)光腔同時(shí)校零，將獲得的校零時(shí)第一光腔(I)和第二光腔(2)的衰蕩時(shí)間T1、13輸入到計(jì)算機(jī)中，利用公式
全文摘要
本發(fā)明提出一種雙通道光腔衰蕩大氣氣溶膠消光儀以及大氣氣溶膠消光系數(shù)的監(jiān)測方法，所述的消光儀運(yùn)用雙通道光腔衰蕩光譜技術(shù)對(duì)大氣氣溶膠的消光系數(shù)進(jìn)行原位實(shí)時(shí)測量，包括光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，在所述光路系統(tǒng)中設(shè)置有作為雙通道的第一光腔和第二光腔，所述氣路系統(tǒng)分別向所述第一光腔和第二光腔提供含有氣溶膠的大氣氣體和背景大氣氣體，并通過電路系統(tǒng)實(shí)時(shí)消除由于氣體變化引起的氣溶膠的消光系數(shù)的變化，達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量大氣氣溶膠消光系數(shù)值。
文檔編號(hào)G01N21/17GK103149156SQ20131008715
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者李凌, 顏鵬, 陳建民 申請(qǐng)人:中國氣象科學(xué)研究院, 復(fù)旦大學(xué)