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一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣溶膠消光同時(shí)測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置及方法

文檔序號(hào):8280869閱讀:433來源:國知局
一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣溶膠消光同時(shí)測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及痕量氣體和氣溶膠監(jiān)測(cè)領(lǐng)域,具體設(shè)及一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣 溶膠消光同時(shí)測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置及方法,適合同時(shí)監(jiān)測(cè)痕量氣體濃度和氣溶膠消 光系數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的加速,環(huán)境污染問題也日益明顯,尤 其近些年來出現(xiàn)的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題如光化學(xué)污染、灰霸細(xì)顆粒物污染嚴(yán)重超標(biāo)的 現(xiàn)象,大氣污染形勢(shì)日益突出。環(huán)境監(jiān)測(cè)作為環(huán)境保護(hù)的重要組成部分,環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的改 進(jìn)提高對(duì)促進(jìn)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展有著重要作用和意義。目前我國大氣主要污染物為 化,S化,N〇x等痕量氣體W及氣溶膠顆粒,該些有害污染物嚴(yán)重影響著人們的健康,同時(shí)獲取 痕量氣體濃度和氣溶膠特性對(duì)研究大氣污染具有重要意義。
[0003] 腔衰蕩光譜技術(shù)通過分別測(cè)量脈沖信號(hào)在光學(xué)腔內(nèi)衰蕩時(shí)間的變化來得到痕量 氣體濃度或者氣溶膠的消光系數(shù)。在腔衰蕩光譜技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來腔增強(qiáng)吸收光譜,采 用連續(xù)發(fā)射光源,使用由一對(duì)高反鏡組成的光學(xué)腔,實(shí)現(xiàn)W約Im的腔長達(dá)到幾公里的有效 吸收光程,具有高靈敏度,高時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)簡化了光源和分析計(jì)算等要求。目前, 腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)已成功用于多種痕量吸收氣體濃度的測(cè)量,而對(duì)于同時(shí)監(jiān)測(cè)痕量氣體 濃度和氣溶膠消光系數(shù)的研究較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法同時(shí)監(jiān)測(cè)氣體痕量氣體 濃度和氣溶膠消光的測(cè)量局限性,本發(fā)明提出一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣溶膠消光同時(shí) 測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置及方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題具體所采取的技術(shù)方案如下:
[0006] 一種應(yīng)用于痕量氣體濃度和氣溶膠消光同時(shí)測(cè)量的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置,該裝置 包括;寬帶光源,第一透鏡,第二透鏡,濾光片,光闊,第一高反鏡,第二高反鏡,第一吹掃保 護(hù)氣路進(jìn)氣口,第二吹掃保護(hù)氣路進(jìn)氣口,采樣氣路進(jìn)氣口,排氣口,濾光片,光纖,光譜儀 和光學(xué)腔;光學(xué)腔兩端安裝第一高反鏡和第二高反鏡,寬帶光源發(fā)出的光通過第一透鏡準(zhǔn) 直后,經(jīng)過光闊后進(jìn)入光學(xué)腔,光束在光學(xué)腔內(nèi)經(jīng)多次反射吸收,光學(xué)腔上開有第一吹掃保 護(hù)氣路進(jìn)氣口,第二吹掃保護(hù)氣路進(jìn)氣口,采樣氣路進(jìn)氣口和排氣口,第一吹掃保護(hù)氣路進(jìn) 氣口和第二吹掃保護(hù)氣路進(jìn)氣口在光學(xué)腔下方,采樣氣路進(jìn)氣口和排氣口在光學(xué)腔上方, 從光學(xué)腔出射的光福射經(jīng)濾光片W及第二透鏡禪合進(jìn)入光纖后傳輸至光譜儀,進(jìn)行信號(hào)處 理。
[0007] 進(jìn)一步的,該裝置同時(shí)測(cè)量痕量氣體吸收和氣溶膠消光計(jì)算步驟為;將測(cè)量得到 總吸收系數(shù)分為兩個(gè)部分,一部分為隨波長作快變化的痕量氣體吸收結(jié)構(gòu),另一部分為隨 波長作慢變化氣體散射和氣溶膠消光系數(shù)。對(duì)測(cè)量得到的總吸收系數(shù)進(jìn)行非線性最小二乘 擬合可W計(jì)算出待測(cè)痕量氣體的濃度,最后從總吸收系數(shù)扣除氣體吸收結(jié)構(gòu)和氣體散射即 得到氣溶膠消光系數(shù)。
[000引進(jìn)一步的,所述的寬帶光源可W為氣燈等熱光源,也可W使用發(fā)光二極管(LED) 作為光源。
[0009] 進(jìn)一步的,為保證L邸光源的穩(wěn)定,L邸溫度可由半導(dǎo)體制冷片控制于設(shè)定溫度。
[0010] 進(jìn)一步的,所述的高反鏡曲率半徑相同,反射率通常大于99. 9 %,通過=維調(diào)整架 固定于光學(xué)腔兩端且組成穩(wěn)定的光學(xué)諧振腔,保證腔增強(qiáng)吸收光譜裝置具有較高的靈敏度 和時(shí)間分辨率。
[0011] 進(jìn)一步的,所述的濾光片通常放置于光學(xué)腔出射端,主要用于抑制高反鏡高反波 段W外的光對(duì)測(cè)量的影響。
[0012] 進(jìn)一步的,所述的光學(xué)腔兩端可W增加吹掃氣路來保護(hù)高反鏡不受顆粒物、氣溶 膠等污染。
[0013] 進(jìn)一步的,所述的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置可通過替換相應(yīng)波段的寬帶光源W及相應(yīng) 高反區(qū)域的高反鏡片來實(shí)現(xiàn)其他痕量吸收氣體濃度和相應(yīng)波段氣溶膠的消光系數(shù)的同時(shí) 監(jiān)測(cè)。
[0014] 本發(fā)明另外提供一種同時(shí)測(cè)量痕量氣體吸收和氣溶膠消光的方法,使用上述的腔 增強(qiáng)吸收光譜裝置同時(shí)測(cè)量痕量氣體吸收和氣溶膠消光,包括W下步驟:
[0015] 步驟1)、首先進(jìn)行高反鏡反射率隨波長變化曲線的標(biāo)定,然后腔內(nèi)充入高純氮?dú)?進(jìn)行零吸收背景光譜I。( A )的測(cè)量,然后進(jìn)行實(shí)際大氣譜I ( A )測(cè)量。
[0016] 步驟2)、根據(jù)腔增強(qiáng)吸收光譜的基本原理可知,總的吸收系數(shù)a (A)可W表示 為: r 1 W l-R(。 %U)-梅) 蜘 7]巧
[001引其中,R(A)為高反鏡的鏡片反射率,1。(\)和1(A)分別代表腔內(nèi)充入純凈零吸 收氣體和實(shí)際大氣采樣時(shí)的光強(qiáng),d為腔長??偟奈障禂?shù)a (A)包括隨波長作快變化的 痕量氣體吸收結(jié)構(gòu)和隨波長作慢變化的氣體散射和氣溶膠消光系數(shù)。
[0019] 步驟3)、將與儀器函數(shù)卷積后的高分辨率標(biāo)準(zhǔn)截面與總的吸收系數(shù)做非線性最小 二乘擬合得到痕量氣體濃度。
[0020] 步驟4)、計(jì)算氣體散射部分;例如可W直接采用化asseur在1986年提出的算法 進(jìn)行計(jì)算。
[0021] 步驟5)、得到的總的吸收系數(shù)減去痕量吸收氣體的吸收部分結(jié)構(gòu)和氣體散射可W 得到氣溶膠消光系數(shù)。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0023] (1)本發(fā)明使用的裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,可使用新型高發(fā)光功率的LED光源,價(jià)格低 廉,節(jié)能環(huán)保且壽命長。
[0024] 似本發(fā)明使用的高反鏡反射率較高,兩片高反鏡的曲率半徑相同,組成穩(wěn)定的光 學(xué)諧振腔,具有較高的靈敏度和時(shí)間分辨率。
[0025] (3)本發(fā)明的裝置操作簡單,自動(dòng)化程度高,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)痕量氣體濃度和氣溶膠消 光系數(shù)。
[0026] (4)本發(fā)明使用的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置的反演方法可W將痕量氣體吸收和氣溶膠 消光系數(shù)區(qū)分開,可W避免相互干擾,實(shí)現(xiàn)痕量氣體濃度和氣溶膠消光的同時(shí)測(cè)量。
[0027] (5)本發(fā)明使用的裝置可替換不同波段光源和高反鏡,可對(duì)于多種痕量氣體和不 同波段的氣溶膠消光系數(shù)同時(shí)測(cè)量。
【附圖說明】
[002引圖1是本發(fā)明所述的同時(shí)測(cè)量痕量氣體吸收和氣溶膠消光的腔增強(qiáng)吸收光譜裝 置的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖,其中1為寬帶光源,2、11為第一、第二透鏡,3為光闊,4、9為第 一、第二高反鏡,5、8為第一、第二吹掃保護(hù)氣路進(jìn)氣口,6為采樣氣路進(jìn)氣口,7為排氣口, 10為濾光片,12為光纖,13為光譜儀,14為光學(xué)腔。
[0029] 圖2是本發(fā)明所述的同時(shí)測(cè)量痕量氣體吸收和氣溶膠消光的腔增強(qiáng)吸收光譜計(jì) 算步驟示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] W下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述,但并不因此而限制本 發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031] 如圖1為同時(shí)監(jiān)測(cè)痕量氣體濃度和氣溶膠消光的腔增強(qiáng)吸收光譜裝置一種基本 結(jié)構(gòu)示意圖。其中1為寬帶光源,2、11為第一、第二透鏡,3為光闊,4、9為第一、第二高反 鏡,5、8為第一、第二吹掃保護(hù)氣路進(jìn)氣口,6為采樣氣路進(jìn)氣口,7為排氣口,10為濾光片, 12為光纖,13為光譜儀和14為光學(xué)腔。寬帶光源1發(fā)出的光通過第一透鏡2準(zhǔn)直后經(jīng)過 光闊3進(jìn)入光學(xué)腔,光束在光學(xué)腔內(nèi)經(jīng)
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