專利名稱：黑碳?xì)馊苣z消光系數(shù)測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種光輻射接收和測量裝置，特別是一種透射式大氣環(huán)境污染測量裝置，屬于光輻射能量在大氣中傳播時(shí)消光系數(shù)測量裝置。
背景技術(shù)：
大氣中的污染源主要是氣溶膠和毒性氣體。黑碳?xì)馊苣z是大氣氣溶膠的重要組成部分，主要是由富含碳的物質(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生的，如火山爆發(fā)、森林大火等自然現(xiàn)象、人類大量使用煤、石油等化石燃料，均可造成黑碳?xì)馊苣z排放量的增加。由于黑碳?xì)馊苣z在從可見光到紅外的波長范圍內(nèi)對太陽輻射都有強(qiáng)烈的吸收效應(yīng)，所以對區(qū)域和全球氣候有著重要的影響。2000 年的 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change,聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì))報(bào)告指出，黑碳?xì)馊苣z能夠?qū)е抡妮椛鋸?qiáng)迫，從而極大地減弱氣溶膠對地球的冷卻效果。另一方面，由于黑碳?xì)馊苣z具有吸附性，黑碳?xì)馊苣z的表面能夠吸附其它污染物(如多環(huán)芳烴類、重金屬等)，可以通過呼吸作用，夾帶所吸附的有毒物質(zhì)進(jìn)入人體，從而引起呼吸系統(tǒng)哮喘以及心血管病、癌癥等疾病的發(fā)生，危害人類健康。 此外，大量的黑碳?xì)馊苣z可明顯地降低大氣能見度，使航空、交通和人類生活等受到嚴(yán)重影響。發(fā)達(dá)國家為應(yīng)對氣溶膠的危害，提出了多種監(jiān)測方法或儀器裝置。主要有如下幾種類型1.光散射法，令一束平行光入射到待測氣溶膠，測量各角度的散射系數(shù)，計(jì)算總散射系數(shù)，或在35°角方向測量散射光，計(jì)算總散射，這種方法假定探測光束不被氣溶膠吸收，以總散射系數(shù)代替氣溶膠的消光系數(shù)，顯然存在先天不足。光散射法中還有一種后向散射法， 利用激光雷達(dá)原理實(shí)現(xiàn)消光系數(shù)測量。2.光透射法，是令光通過氣溶膠，然后測量透射光的強(qiáng)度，按朗伯-比爾定律計(jì)算消光系數(shù)。這些方法與裝置基本上都是單一通道，光源強(qiáng)度的波動(dòng)、探測器性能的變化，都會(huì)帶來測量的不確定性或誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種長期可靠性高、能準(zhǔn)確測量大氣氣溶膠消光系數(shù)的雙通道透射式大氣氣溶膠測量裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供大氣氣溶膠消光系數(shù)測量方法，該方法用雙通道光電探測技術(shù)，以過濾后氣體透過率和未過濾待測氣溶膠氣體透過率之比表示氣溶膠的消光系數(shù)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收單元、光電信號處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，接收單元探測的信號經(jīng)光電信號處理單元后，送入計(jì)算機(jī)控制單元，其特征在于該裝置還包括一取樣部分，取樣部分包括測量池和參考池；所述發(fā)射部分的光束分為兩束分別通過測量池通道和參考池通道，并分別經(jīng)接收單元和光電信號處理后，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元送入計(jì)算機(jī)控制單元。其中，發(fā)射部分包括激光器、分光棱鏡和直角射鏡，激光器發(fā)射的光束經(jīng)分光棱鏡，一束被分光界面反射，形成參考通道光束，另一束透過分光界面投射到直角棱鏡，經(jīng)直角棱鏡反射，形成測量通道光束。其中，接收單元采用光電探測總成，包括金屬圓筒、設(shè)置在圓筒前部的會(huì)聚透鏡、 圓筒后部的光電探測器和圓筒內(nèi)的小光闌。其中，測量池設(shè)有輸入光窗口、輸出光窗口和進(jìn)氣口、出氣口，其出氣口與一取樣氣泵相連；所述參考池也設(shè)有輸入光窗口、輸出光窗口和進(jìn)氣口、出氣口，其進(jìn)氣口設(shè)有濾膜，其出氣口與另一取樣氣泵相連。其中，測量池內(nèi)為含氣溶膠的待測氣體；參考池內(nèi)為氣溶膠被濾除的參考?xì)怏w。其中，光電信號處理單元包括前置放大器、帶通濾波電路和精密有效值轉(zhuǎn)換電路。其中，數(shù)據(jù)采集單元采用雙路同步取樣電路，兩個(gè)通道的光束經(jīng)各自接收單元、光電信號處理單元處理后，再經(jīng)雙路同步取樣電路送入計(jì)算機(jī)控制單元。本發(fā)明黑碳?xì)馊苣z消光系數(shù)測量方法，其測量步驟包括
(1)通過LD發(fā)射光脈沖序列，經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光發(fā)出，用分光棱鏡將該光束分成近于相等強(qiáng)度的兩束光；
(2)兩束光分別通過測量池通道和參考池通道后，再分別由接收單元接收，其中測量池內(nèi)為含氣溶膠的待測氣體；參考池內(nèi)為氣溶膠被濾除的參考?xì)怏w；
(3)每通道接收的信號分別由經(jīng)光電信號處理單元處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元后，送入計(jì)算機(jī)控制單元；
(4)由計(jì)算機(jī)控制單元計(jì)算兩通道探測到的光功率之比，并取對數(shù)運(yùn)算，獲得氣溶膠的消光系數(shù)。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明采用單光源雙光束探測光束技術(shù)，探測光束來自同一光源，能有效抑制探測光束由于光源發(fā)出光強(qiáng)度變化產(chǎn)生的影響。聲光光譜被認(rèn)為是準(zhǔn)確測定氣溶膠吸收系數(shù)的方法，但光束通過氣溶膠時(shí)還受到氣溶膠粒子的散射，因此，并不能給出對光的消光系數(shù)；濾膜法(如石英濾膜等)可以測量氣溶膠的消光系數(shù)，但不是氣體狀態(tài)的氣溶膠，而是一定時(shí)間內(nèi)氣體通過濾膜時(shí)沉積在濾膜上的氣溶膠粒子，因此，濾膜法并不能真正實(shí)時(shí)測量氣體的氣溶膠消光系數(shù)。本發(fā)明的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，能夠?qū)崟r(shí)測量氣體的消光系數(shù)。


圖1為大氣消光系數(shù)測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為實(shí)施例的光發(fā)射部分總成結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實(shí)施例的光電探測總成結(jié)構(gòu)示意圖4為實(shí)施例的氣體采樣裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖4 (甲)為測量通道取樣裝置，圖4 (乙) 為參考通道取樣裝置；
圖5為計(jì)算機(jī)控制單元的主控流程圖。圖中1-激光器驅(qū)動(dòng)電源；2-半導(dǎo)體激光器；3-分光棱鏡；4-直角射鏡；5-測量池大氣進(jìn)口 ；6-測量池；7-測量池出口 ；8-測量通道光電探測總成；9-測量通道前置放大器；10-測量通道帶通濾波器；11-測量通道真有效值轉(zhuǎn)換器；12-參考池進(jìn)氣口 ；13-濾膜；14-參考池；15-參考池出氣口 ； 16-參考通道光電探測總成；17-參考通道前置放大器； 18-參考通道帶通濾波器；19-參考通道真有效值轉(zhuǎn)換器；20-雙通道同步數(shù)據(jù)采集單元(由 ⑶4066多路開關(guān)和采樣/保持電路AD582組成)；21-計(jì)算機(jī)控制單元；22-聚四氟乙烯墊板；23-激光器安裝座；24-發(fā)射單元安裝基板；25-固定螺絲；26-固定螺絲；27-固定螺絲；28-聚四氟乙烯墊板；29-分光棱鏡夾板；30-直角棱鏡夾板；31或31’-會(huì)聚透鏡；32或 32’ -光闌；33或33’ -金屬圓筒；34或34’ -光電探測器；35-測量池輸入光窗口 ；36-測量池輸出光窗口 ；37-測量池壁筒；38-連接管；39-測量通道取樣氣泵；40-參考池輸入光窗口 ；41-參考池輸出光窗口 ；42-參考池壁筒；43-濾膜夾持環(huán)；44-連接管；45-參考通道取樣氣泵。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明的大氣氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，它包括發(fā)射部分、取樣部分和探測部分。發(fā)射部分包括激光驅(qū)動(dòng)電源1、半導(dǎo)體激光器2、分光棱鏡3 和直角棱鏡4，激光器驅(qū)動(dòng)電源1設(shè)置有激光器溫度控制電路、光功率調(diào)制電路和光功率穩(wěn)定電路，保證激光器發(fā)出光波長和功率不隨環(huán)境的變化而變化，并且有效抑制環(huán)境光變化對測量的影響，半導(dǎo)體激光器2與激光器驅(qū)動(dòng)電源1連接，發(fā)射出一定頻率的光脈沖。取樣部分包括測量池6和參考池14，測量池6和參考池14的結(jié)構(gòu)、幾何尺度和材質(zhì)相同，參考池進(jìn)氣口設(shè)置了高性能濾膜13，濾膜13由濾膜夾持器固定在參考池的進(jìn)氣口，濾除氣溶膠；微型取樣氣泵39和45由計(jì)算機(jī)控制單元21內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；
探測部分包括光電探測總成8和16、光電信號處理單元，數(shù)據(jù)采集單元20和計(jì)算機(jī)控制單元21。光探測總成接收單元采用Si光電探測器，每個(gè)探測器前安放一個(gè)小光闌32或 32’，各光闌前設(shè)置一個(gè)會(huì)聚透鏡31或31’，其作用是將接收到的光束會(huì)聚后通過光闌投射到探測器34或34’上，光闌32或32’具有限制光接收單元視場角的作用，抑制主光路以外的雜散光進(jìn)入光電探測器34或34’。探測器的輸出信號輸入各自的光電信號處理單元，經(jīng)各光電信號處理單元輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入計(jì)算機(jī)控制單元21處理；由計(jì)算機(jī)控制單元21計(jì)算消光系數(shù)。光電信號處理單元包括前置放大器9、17，帶通濾波電路10、18和精密有效值轉(zhuǎn)換電路11、19，精密真有效值轉(zhuǎn)換電路由AD736組成，計(jì)算機(jī)控制單元21由MSP430單片機(jī)為核心構(gòu)成，其內(nèi)部自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端與AD736輸出端聯(lián)接。測量池與參考池的兩端分別設(shè)置了一個(gè)光學(xué)窗口 35、36和40、41，測量池和參考池的出氣口 7、15分別通過連接管38和44連接到取樣器泵39和45的進(jìn)氣口。本發(fā)明的工作過程 如圖1、圖2、圖3、圖4所示
首先打開取樣氣泵電源后，取樣氣泵39和45開始工作，參考池14內(nèi)流過的氣體氣溶膠被濾除，測量池內(nèi)流過的氣體為含氣溶膠的待測氣體。本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器2在驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射出頻率1.0 kHz平行光束的光脈沖序列，經(jīng)分光棱鏡3分成近于等光強(qiáng)的兩束光，一束被分光界面反射，形成參考通道光束，另一束透過分光界面投射到直角棱鏡4，經(jīng)反射形成測量通道光束。參考通道光束通過參考池14后到達(dá)接收單元的會(huì)聚透鏡31，會(huì)聚到光電探測總成16的光電探測器34’表面，光電探測器34’將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，參考通道的電信號經(jīng)前置放大器17、帶通濾波器18、被有效值轉(zhuǎn)換電路19轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，其大小正比于探測器接收到的參考光功率；測量通道光束通過測量池6后到達(dá)光接收單元的透鏡31’，會(huì)聚到光電探測總成8的光電探測器34表面，光電探測器34將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，測量通道的電信號經(jīng)前置放大器9、帶通濾波器10、被有效值轉(zhuǎn)換電路11轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，其大小正比于探測器接收到的測量光功率；
計(jì)算機(jī)控制單元21通過多路(兩路)同步取樣電路20分別獲得參考通道和測量通道光信號的平均功率，按下面的式(8)、(9)、(10)和(11)計(jì)算氣溶膠的消光系數(shù)。本發(fā)明的工作原理
當(dāng)強(qiáng)度為4平行光束通過一段路程為￡大氣時(shí)，根據(jù)朗伯-比爾定律可得經(jīng)過該段大氣后光強(qiáng)度/為
/ = /丨廣(1)
α為大氣的消光系數(shù)。大氣中除了標(biāo)準(zhǔn)大氣分子外，還包含氣溶膠粒子，因此大氣的消光系數(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)大氣分子和氣溶膠粒子兩部分的貢獻(xiàn)，大氣的消光系數(shù)《可表述為
α. - β+ γ(2)
式中歲與;T分別為氣溶膠和標(biāo)準(zhǔn)大氣分子的消光系數(shù)。本發(fā)明采用雙通道差分測量方法，利用分光棱鏡將入射平行光束分為兩束，分別透過測量池和濾除大氣氣溶膠的參考池，同時(shí)檢測兩個(gè)通道的出射光強(qiáng)，由測得兩束光強(qiáng)度之比求，得到大氣氣溶膠的消光系數(shù)。在本檢測系統(tǒng)(圖1)中，分光棱鏡的透射比力反射光束比為r，激光器發(fā)出的光強(qiáng)度為A，則進(jìn)入測量池的光束強(qiáng)度為/#，進(jìn)入?yún)⒖汲氐墓馐鴱?qiáng)度為/er。發(fā)明裝置中， 測量池與參考池長度相等，均力A光束通過測量池后的出射光強(qiáng)為
Zjf =I0UT1T^(3)
其中I^r3分別為測量池光入射端和光出射端的透過率#力直角棱鏡的透過率。同理得到光束通過參考池后的出射光強(qiáng)為
h = ViWpt(4)
其中T3、I4分別為參考池光入射端和光出射端的透過率。由式(3)和式(4)得，透過池后測量光與參考光強(qiáng)度之比為
A = =(5)
令r = ^1,則待測大氣氣溶膠吸收系數(shù)為
■I JT .··— Bl J§
β = ^-^ (6) M-M通常情況下，分光棱鏡的透射比《"和反射光比r接近相等，k9玻璃制作的直角棱鏡透過率i為0. 92左右，鍍增透膜后i接近于1，用同材質(zhì)材料制作的池端面鏡，它們的透過率幾乎相等，故因子fcr很小。式(3)和式(4)表明氣溶膠消光系數(shù)斿與激光器發(fā)出的光強(qiáng)度無關(guān)，表明本發(fā)明能有效抑制光源波動(dòng)產(chǎn)生的影響。本發(fā)明為抑制環(huán)境光的影響，探測光束調(diào)制為頻率為1. 0 kHz的光脈沖，光電探測器將光脈沖轉(zhuǎn)換為電流脈沖，測量通道光電流為
權(quán)利要求
1.一種雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收單元、光電信號處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，接收單元探測的信號經(jīng)光電信號處理單元后，送入計(jì)算機(jī)控制單元，其特征在于該裝置還包括一取樣部分， 取樣部分包括測量池和參考池；所述發(fā)射部分的光束分為兩束分別通過測量池通道和參考池通道，并分別經(jīng)接收單元和光電信號處理后，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元送入計(jì)算機(jī)控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于所述發(fā)射部分包括激光器、分光棱鏡和直角射鏡，激光器發(fā)射的光束經(jīng)分光棱鏡分成兩束光后， 一束被分光界面反射，形成參考通道光束，另一束透過分光界面投射到直角棱鏡，經(jīng)直角棱鏡反射，形成測量通道光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于所述接收單元采用光電探測總成，包括金屬圓筒、設(shè)置在圓筒前部的會(huì)聚透鏡、圓筒后部的光電探測器和圓筒內(nèi)的小光闌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于所述測量池設(shè)有輸入光窗口、輸出光窗口和進(jìn)氣口、出氣口，其出氣口與一取樣氣泵相連；所述參考池也設(shè)有輸入光窗口、輸出光窗口和進(jìn)氣口、出氣口，其進(jìn)氣口設(shè)有濾膜，其出氣口與另一取樣氣泵相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于其中測量池內(nèi)為含氣溶膠的待測氣體；參考池內(nèi)為氣溶膠被濾除的參考?xì)怏w。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于光電信號處理單元包括前置放大器、帶通濾波電路和精密有效值轉(zhuǎn)換電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙通道透射式氣溶膠消光系數(shù)測量裝置，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元采用雙路同步取樣電路，兩個(gè)通道的光束經(jīng)各自接收單元、光電信號處理單元處理后，再經(jīng)雙路同步取樣電路送入計(jì)算機(jī)控制單元。
8.黑碳?xì)馊苣z消光系數(shù)測量方法，其特征是其測量步驟包括(1)通過LD發(fā)射光脈沖序列，經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光發(fā)出，用分光棱鏡將該光束分成近于相等強(qiáng)度的兩束光；(2)兩束光分別通過測量池通道和參考池通道后，再分別由接收單元接收，其中測量池內(nèi)為含氣溶膠的待測氣體；參考池內(nèi)為氣溶膠被濾除的參考?xì)怏w；(3)每通道接收的信號分別由經(jīng)光電信號處理單元處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元后，送入計(jì)算機(jī)控制單元；(4)由計(jì)算機(jī)控制單元計(jì)算兩通道探測到的光功率之比，并取對數(shù)運(yùn)算，獲得氣溶膠的消光系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種黑碳?xì)馊苣z消光系數(shù)測量裝置及測量方法，該裝置長期可靠性高、能準(zhǔn)確測量大氣氣溶膠消光系數(shù)的雙通道透射式大氣氣溶膠測量裝置。該方法用雙通道光電探測技術(shù)，以過濾后氣體透過率和未過濾待測氣溶膠氣體透過率之比表示氣溶膠的消光系數(shù)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。其測量步驟包括通過LD發(fā)射光脈沖序列，經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光發(fā)出，用分束鏡將該光束分成近于相等強(qiáng)度的兩束光；兩束光分別通過測量池通道和參考池通道后，再分別由接收單元接收；每通道接收的信號分別由光電信號處理單元處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入計(jì)算機(jī)控制單元；由計(jì)算機(jī)控制單元計(jì)算兩通道探測到的光功率之比，并取對數(shù)運(yùn)算，獲得氣溶膠的消光系數(shù)。
文檔編號G01N21/59GK102253012SQ20111018179
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者朱潤, 肖韶榮, 趙靜 申請人:南京信息工程大學(xué)