一种光腔、具有该光腔的气溶胶消光仪及气溶胶消光系数的
测量方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及大气气溶胶消光系数测量技术领域，具体涉及一种宽带光腔、具有该光腔的宽带腔增强气溶胶消光仪，以及利用该气溶胶消光仪实现的气溶胶消光系数的测量方法。
背景技术
[0002] 大气气溶胶粒子对
气候变化、大气环境及人类健康有着重要影响。其中，气溶胶对
太阳辐射的吸收和散射直接影响着地球辐射平衡从而影响
气候变化，这种吸收和散射统称为消光。气溶胶消光也直接影响着大气环境的能见度。然而气溶胶的来源、尺度、浓度及化学组分的
时空多样性，导致气溶胶光学特性的时空差异，因此对气溶胶光学特性的准确测量是研究气溶胶直接辐射强迫的关键。
[0003] 目前用于气溶胶消光系数的高
精度测量技术主要有光声
光谱技术(PAS)、腔衰荡光谱技术(CRDS)及腔增强光谱技术(CEAS)。PAS经过三十多年的发展，已经发展成一种成熟广泛的仪器。CRDS使用高精度光腔以一米的基长实现数公里的光程，在具有很高探测灵敏度和时间
分辨率的同时，还需要精确探测时间衰荡因子的高速
硬件设备，成本较高。CEAS是在CRDS的
基础上发展而来，主要通过测量通过样品前后光强变化，无需CRDS的高成本硬件，成本相对较低。
[0004] 气相吸收是影响气溶胶消光系数精确测量的主要因素，如在可见光波段，影响消光系数测量的主要气体为NO2，如532nm处吸收对消光贡献为约0.33Mm－1/ppbv，440nm处则为约1.8Mm－1/ppbv，由此可见气相吸收的影响是不可忽视的。常用来估计气相吸收的方法为测量前先测量背景气(即粒子过滤后的样气)的吸收系数，通过扣除背景气体吸收来确定气溶胶消光系数。但大气中NO2浓度距离排放源的远近变化很大，可达到几个ppbv到几百个ppbv的变化。
[0005] 因此，单
波长测量技术在气溶胶消光系数测量时气相吸收会引入测量误差，无法得出气体对消光的实时贡献，影响大气环境中气溶胶消光系数的实时准确监测。在这种情况下要准确测量大气气溶胶消光系数就需要单独外加一台设备专
门测量NO2浓度，这使得测量设备更加复杂。而且传统的设备体积庞大且必须具备昂贵的激光
光源控制器和多个光路折返镜，成本较高，集成化程度低。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供
一种光腔、具有该光腔的气溶胶消光仪及气溶胶消光系数的测量方法，用以解决
现有技术大气环境中气溶胶消光系数的实时监测不够准确的问题。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
[0008] 一种光腔，包括腔体，所述腔体呈圆筒状，所述腔体的两端均密封安装有高反腔镜，所述高反腔镜的一面为具有
曲率的高
反面，且所述高反面皆面朝腔内，所述高反面的反射率大于99.95％；所述腔体上连通第一保护气嘴、第二保护气嘴、进样气嘴和抽气嘴，所述第一保护气嘴、第二保护气嘴分
居所述腔体的两端，所述进样气嘴和抽气嘴同样分居所述腔体的两端，且所述第一保护气嘴、第二保护气嘴处于相对更靠近所述腔体两端端面的
位置。
[0009] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述腔体的材质为不锈
钢。
[0010] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述高反腔镜固定在
法兰中，所述法兰分别密封安装于所述腔体的两端。
[0011] 气溶胶消光仪，包括
[0012] 光路部件，所述光路部件包括光源、入射光纤、耦合透镜、滤光片、光腔、自聚焦透镜、出射光纤及光谱仪，所述光源发出的光通过所述入射光纤、所述滤光片，再通过所述耦合透镜，进入所述光腔内，所述光腔内出射光经所述自聚焦透镜导入所述出射光纤，再接入所述光谱仪，由此完成整个光路传输；
[0013] 气路部件，所述气路部件包括三通电磁
阀、温湿计、压
力计、
采样泵、
质量流量计，所述三通
电磁阀连接所述进样气嘴，用于控制两路样气进入所述进样气嘴，其中一路接有第一粒子
过滤器，所述温湿计、压力计、采样泵依序
串联，且所述温湿计与所述抽气嘴连通，所述压力计与采样泵之间设置有第二粒子过滤器，所述质量流量计有三个，其中两个分别用于控制所述第一保护气嘴、第二保护气嘴的保护气流量，另一个设置于所述第二粒子过滤器与所述采样泵之间；
[0014] 以及
数据采集部件，所述数据采集部件包括数据采集卡及计算机，所述数据采集卡用于采集温湿计及压力计的数据，并与所述计算机相连，所述光谱仪直接与所述计算机相连。
[0015] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述光源为宽带LED光源。
[0016] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述第一保护气嘴、第二保护气嘴均通入保护气，用来冲洗保护所述高反腔镜。
[0017] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述保护气为高纯氮气或者零空气；所述的质量流量计分别用来控制两路保护气的流量。
[0018] “零空气”指的是理想空气，基本为
氧气(约20％)和氮气(约80％)，为实验室常用，有专门的零空气发生设备(商业仪器)。
[0019] 本发明中，作为一种优选的技术方案，所述三通电磁阀控制的两路样气在正常工作时仅能择一通入。
[0020] 气溶胶消光系数的测量方法，利用如上所述的气溶胶消光仪，包括如下步骤：
[0021] (1)打开气溶胶消光仪，光路部件和
电路部件全部启动，从所述第一保护气嘴、第二保护气嘴均通入保护气用来冲洗保护所述高反腔镜，启动采样泵开始抽气，利用计算机设置数据保存路径，点击
软件运行，选择工作波长，消光仪正式工作。
[0022] (2)保证第一保护气嘴、第二保护气嘴内通入的保护气的流量都为0.1L/min；设置三通电磁阀的工作时间分别为背景气5分钟和样气30分钟，即每30分钟自动校零一次；所述采样泵通过质量流量计控制抽气嘴的采样抽速为1.5L/min，并在采样管路上接有温湿计和压力计分别检测样气的
温度、湿度及压强值。
[0023] (3)数据采集卡采集温湿计和压力计的实时监测数据，并和光谱仪一起分别通过USB传输线接入计算机，由此完成整个数据采集传输，并根据计算机获知测量结果。
[0024] 步骤(2)中，背景气5分钟是指打开接有第一粒子过滤器的气路5分钟，另一路为关闭状态；而样气30分钟则是关闭接有第一粒子过滤器的气路，同时打开另一气路30分钟。
[0025] 本发明具有如下优点：
[0026] (1)仪器结构中使用宽带LED光源、光纤和自聚焦透镜，省去了体积庞大且昂贵的激光光源控制器和多个光路折返镜，使得仪器更紧凑，集成化程度更高；
[0027] (2)大气环境中气溶胶消光系数的实时监测；
[0028] (3)宽光谱测量，可获得整个光源波段的气溶胶消光谱数据；
[0029] (4)获得气体浓度，有效扣除谱内气相吸收带来的测量误差；
[0030] (5)精确度高，消光系数的测量误差可达0.1Mm－1；
[0031] (6)
时间分辨率高，可达1s。
附图说明
[0032] 图1宽带腔增强气溶胶消光仪原理结构示意图。
[0033] 图2光腔的原理示意图。
[0034] 图3标准聚苯乙烯小球的消光系数测量数据。
[0035] 图4实际大气气溶胶消光系数测量数据。
具体实施方式
[0036] 以下
实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0037] 如图1和图2所示，一种光腔，包括腔体，所述腔体呈圆筒状，采用
不锈钢材质，所述腔体的两端均密封安装有高反腔镜，所述高反腔镜的一面为具有曲率的高反面，且所述高反面皆面朝腔内，所述高反面的反射率大于99.95％；所述腔体上连通第一保护气嘴、第二保护气嘴、进样气嘴和抽气嘴，所述第一保护气嘴、第二保护气嘴分居所述腔体的两端，第一保护气嘴、第二保护气嘴均通入保护气，用来冲洗保护所述高反腔镜，保护气为高纯氮气或者零空气；所述进样气嘴和抽气嘴同样分居所述腔体的两端，且所述第一保护气嘴、第二保护气嘴处于相对更靠近所述腔体两端端面的位置。
[0038] 为了确保
密封性，所述高反腔镜固定在法兰中，所述法兰分别密封安装于所述腔体的两端。
[0039] 本发明提供的气溶胶消光仪，包括光路部件、气路部件以及数据采集部件，所述光路部件包括光源、入射光纤、耦合透镜、滤光片、光腔、自聚焦透镜、出射光纤及光谱仪，所述光源为宽带LED光源，所述光源发出的光通过所述入射光纤、所述耦合透镜，再通过所述滤光片，进入所述光腔内，所述光腔内出射光经所述自聚焦透镜导入所述出射光纤，再接入所述光谱仪，由此完成整个光路传输；所述气路部件包括三通电磁阀、温湿计、压力计、采样泵、质量流量计，所述三通电磁阀连接所述进样气嘴，用于控制两路样气进入所述进样气嘴，其中一路接有第一粒子过滤器，所述三通电磁阀控制的两路样气在正常工作时仅能择一通入，即当接有第一粒子过滤器的气路开通时，另一气路为关闭的，当接有第一粒子过滤器的气路关闭时，另一气路才能开通；所述温湿计、压力计、采样泵依序串联，且所述温湿计与所述抽气嘴连通，所述压力计与采样泵之间设置有第二粒子过滤器，所述质量流量计有三个，其中两个分别用于控制所述第一保护气嘴、第二保护气嘴的保护气流量，另一个设置于所述第二粒子过滤器与所述采样泵之间；所述数据采集部件包括数据采集卡及计算机，所述数据采集卡用于采集温湿计及压力计的数据，并与所述计算机相连，所述光谱仪直接与所述计算机相连。
[0040] 气溶胶消光系数的测量方法，利用如上所述的气溶胶消光仪，包括如下步骤：
[0041] (1)打开气溶胶消光仪，光路部件和电路部件全部启动，从所述第一保护气嘴、第二保护气嘴均通入保护气用来冲洗保护所述高反腔镜，启动采样泵开始抽气，利用计算机设置数据保存路径，点击软件运行，选择工作波长，消光仪正式工作。
[0042] (2)保证第一保护气嘴、第二保护气嘴内通入的保护气的流量都为0.1L/min；设置三通电磁阀的工作时间分别为背景气5分钟和样气30分钟，即每30分钟自动校零一次，也就是说：打开接有第一粒子过滤器的气路5分钟，另一路为关闭状态；关闭接有粒子过滤器的气路，同时打开另一气路30分钟，周期循环；所述采样泵通过质量流量计控制抽气嘴的采样抽速为1.5L/min，并在采样管路上接有温湿计和压力计分别检测样气的温度、湿度及压强值。
[0043] (3)数据采集卡采集温湿计和压力计的实时监测数据，并和光谱仪一起分别通过USB传输线接入计算机，由此完成整个数据采集传输，并根据计算机获知测量结果。
[0044] (4)计算机对步骤(3)采集的
数据处理过程如下：利用测得的背景气宽带光强谱数据I0(λ)和样气宽带光强谱数据I(λ)计算出光腔内总的宽带消光谱：
[0045]
[0046] 上式测得的结果实际为气相吸收αgas和气溶胶消光αaerosol之和，若要准确测量气溶胶消光系数需对测得的总消光系数α(λ)进行非线性拟合处理：
[0047] α(λ)＝∑niσi(si+tiλ)+P(λ)
[0048] 处理后的消光系数主要包括两个部分：第一部分为各气体的气相吸收，表示为niσi(si+tiλ)，ni为气体浓度，σi(si+tiλ)为气体吸收截面，si和ti分别为谱线位置的平移和拉伸；第二部分为待测气溶胶的消光系数，表示为P(λ)，由此最终的计算结果可将气相吸收与气溶胶消光分离，实现气溶胶消光谱的实时精确测量。
[0049] 下面为一则更详细的应用实例：
[0050] 所述宽带腔增强气溶胶消光仪包括光路部件、气路部件和数据采集部件。光源101选用蓝光宽带LED，中心波长461nm。入射光纤102为芯径600um、数值孔径0.22的多模光纤。耦合透镜103为口径25.4mm、焦距75mm的消色差透镜。滤光片104选用中心波长450nm，最大半宽40nm的宽带滤光片。光腔105腔长为700mm，腔体1051材质为不锈钢，形状为圆柱状，内径为35mm，第一保护气嘴1054、第二保护气嘴1055、进样气嘴1056、抽气嘴1057内径均为
4mm，第一高反腔镜1052、第二高反腔镜1053为
曲率半径1m、口径25.4mm的平凹高反镜，其反射率在440nm－475nm波段大于99.96％，两个腔镜固定在特定的法兰中，再利用法兰分别密封装调在腔体1051的两端，高反面朝腔内方向。出射光纤107为芯径500um、数值孔径0.22的多模光纤。
[0051] 光源101(蓝光宽带LED)发出的光通过入射光纤102传输，经耦合透镜103和滤光片104后进入光腔105，光腔105出射光经自聚焦透镜106导入出射光纤107，再接入光谱仪108，由此完成整个光路传输。
[0052] 保护气通入气路管件后分为两路，分别在每一路接入质量流量计201(与第一保护气嘴1054相配合)和质量流量计202(与第二保护气嘴1055相配合)，控制两路保护气的流量都为0.1L/min；保护气选用高纯氮气，用于保护第一高反腔镜1052、第二高反腔镜1053在测量过程中免受气溶胶污染。进样气嘴用于通入待测样气，样气端
接口有两路，一路气接有第一粒子过滤器205，另一路气不接。两路气通过三通电磁阀204接入进样气嘴1056，每次只允许其中一路通过，将三通电磁阀204的工作时间分别设置为背景气5分钟和样气30分钟，即每30分钟自动校零一次。当接有第一粒子过滤器205的气路打开时，另一路为关闭状态，此时过滤后的样气可作为背景气使用；当接有第一粒子过滤器205的气路关闭时，另一路为打开状态，此时样气未经过滤，则为待测大气。采样泵209通过质量流量计203控制抽气嘴1057采样抽速为1.5L/min，第二过滤器206保护质量流量计203，并在采样管路上接有温湿计207和压力计208分别检测样气的温度、湿度及压强值，由此完成整个气路传输。
[0053] 数据采集卡301用来采集温湿计207和压力计208的实时监测数据，并和光谱仪108一起分别通过USB传输线接入计算机302，由此完成整个数据采集传输。
[0054] 计算机对采集的数据处理过程如下：利用测得的背景气光强I0和样气光强I计算出光腔内总的宽带消光谱：
[0055]
[0056] 上式测得的结果实际为气相吸收αgas和气溶胶消光αaerosol之和，若要准确测量气溶胶消光系数需对测得的总消光系数α(λ)进行非线性拟合处理：
[0057] α(λ)＝∑niσi(si+tiλ)+P(λ)
[0058] 处理后的消光系数主要包括两个部分：第一部分为各气体的气相吸收，表示为niσi(si+tiλ)，ni为气体浓度，σi(si+tiλ)为气体吸收截面，si和ti分别为谱线位置的平移和拉伸；第二部分为待测气溶胶的消光系数，表示为P(λ)，由此最终的计算结果可将气相吸收与气溶胶消光分离，实现气溶胶消光谱的实时精确测量。
[0059] 图3、图4为上述应用实例得到的结果。
[0060] 图3所示为使用本发明测得的标准聚苯乙烯小球(PSL)消光系数与粒子数浓度关系图。选取了不同粒径的PSL(200nm、240nm、300nm、350nm、400nm和500nm)进行实测，得到了PSL消光系数和粒子数浓度，并通过线性拟合得到了461nm处各粒径的消光截面。
[0061] 图4所示为使用本发明进行的实际大气气溶胶消光系数测量数据，在获得461nm处气溶胶消光系数的同时，还获得了其中的主要吸收性气体NO2的实时浓度。
[0062] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
