光腔衰蕩氣溶膠消光儀的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀，包括光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及氣路系統(tǒng)。所述光路系統(tǒng)包括光源、光腔、調(diào)光系統(tǒng)；所述氣路包括樣氣氣路和保護(hù)氣路，安裝在光腔前后，包括電磁三通閥、氣溶膠過(guò)濾器及氣泵，所述電磁三通閥、氣溶膠過(guò)濾器和繼電器一起構(gòu)成了自動(dòng)校零裝置；所述電路系統(tǒng)包括光路控制部分和數(shù)據(jù)采集部分，由數(shù)字延遲發(fā)生器、光電倍增管、穩(wěn)壓電源、計(jì)算機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集卡。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：精確度高，可以達(dá)到10-1Mm-1；時(shí)間分辨率高,可以達(dá)到20s；對(duì)樣品進(jìn)行原位測(cè)量，對(duì)樣品的影響小。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光腔衰蕩氣溶膠消光儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及大氣氣溶膠消光系數(shù)的測(cè)量領(lǐng)域，更具體的涉及一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀。
【背景技術(shù)】[0002]大氣氣溶膠指在空氣中懸浮的顆粒物或液滴，會(huì)對(duì)光產(chǎn)生散射和吸收，兩者綜合作用下，使光在通過(guò)大氣時(shí)發(fā)生衰減現(xiàn)象。這種大氣氣溶膠對(duì)光的衰減作用可以由其消光系數(shù)準(zhǔn)確表述。從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)來(lái)看，為了測(cè)量大氣氣溶膠的消光系數(shù)，通常采用分別測(cè)量氣溶膠的散光系數(shù)和吸收系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)的加和就是氣溶膠的消光系數(shù)。目前，散射系數(shù)的測(cè)量已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確快速的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)誤差可以達(dá)到但是吸收系數(shù)的測(cè)量還沒(méi)有達(dá)到這樣的精度。吸收的測(cè)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(cè)量過(guò)程中可能改變氣溶膠本身性質(zhì)，具有誤差大，檢測(cè)限高，時(shí)間分辨率低等缺點(diǎn)。
[0003]濾膜采樣吸收儀通過(guò)將大氣氣溶膠截留在濾膜表面，測(cè)量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(zhǎng)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(cè)量過(guò)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(wèn)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(zhǎng)光的過(guò)程中波長(zhǎng)(或頻率)分布較寬，也會(huì)引起測(cè)量誤差，測(cè)量的不準(zhǔn)確性達(dá)到30%，無(wú)法滿(mǎn)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(cè)量。
[0004]為了避免引入濾膜對(duì)氣溶膠消光系數(shù)測(cè)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(cè)量。氣溶膠吸收特定波長(zhǎng)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?chē)鷼怏w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(cè)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(zhǎng)光的吸收。由于光聲光電光譜儀對(duì)特定波長(zhǎng)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(cè)量，增大測(cè)量誤差。
[0005]為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量大氣氣溶膠消光系數(shù)，光腔衰蕩光譜吸收技術(shù)被應(yīng)用到氣溶膠的光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域。光腔衰蕩光譜吸收技術(shù)由o’ Keefe在1988年創(chuàng)建，具有檢測(cè)限低，時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氣體分子吸收光譜的研究中。由于這一技術(shù)將樣品的吸收路徑增加到幾十公里，所以與其它傳統(tǒng)的吸收光譜技術(shù)相比有很高的靈敏度，其檢測(cè)限達(dá)到 10-4 Μπm1。
[0006]光腔衰蕩光譜技術(shù)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。耦合進(jìn)入光腔內(nèi)的光脈沖會(huì)在兩個(gè)反射鏡之間發(fā)生多次反射，同時(shí)通過(guò)后腔鏡后會(huì)有一小部分光強(qiáng)漏出光腔并被置于其后的光電探測(cè)器接收。當(dāng)光脈沖第n+1次到選后腔鏡時(shí)，漏出的光強(qiáng)為久+1 = iM.(耶2)，則相鄰兩次經(jīng)由后腔鏡漏出的光強(qiáng)差為
【權(quán)利要求】
1.一種光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于包括光路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及其氣路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括光源、光腔和光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中:所述光源為激光器(1);所述光腔(2)由腔體和高反射鏡(12)組成，所述腔體為不銹鋼圓柱體，所述高反射鏡(12)通過(guò)法蘭固定在腔體兩端，且腔體兩端保持密閉，兩個(gè)高反射鏡(12)平行相對(duì)，高反射鏡(12)鏡面朝向光腔(2)內(nèi)部，高反射鏡(12)裝在可調(diào)節(jié)鏡架中，用以調(diào)節(jié)高反射鏡的鏡面與入射光的角度；所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)位于光源與光腔(2)之間；所述氣路系統(tǒng)包括繼電器(6)、電磁三通閥(7)、氣溶膠過(guò)濾器(15)和氣泵(10)，其中繼電器(6)、電磁三通閥(7)、氣溶膠過(guò)濾器(15)位于光腔(2)的前部，氣泵(10)位于光腔(2)的后部，數(shù)據(jù)采集卡(11)、繼電器(6)、電磁三通閥(7)和氣溶膠過(guò)濾器(15)依次連接，構(gòu)成了自動(dòng)校零裝置；所述電路系統(tǒng)包括光路控制部分和數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)采集部分由光電倍增管(8)、穩(wěn)壓電源(9)、計(jì)算機(jī)(5)及高速數(shù)據(jù)采集卡(4)組成，光路控制部分由數(shù)字延遲發(fā)生器(3)構(gòu)成，用于觸發(fā)激光脈沖與高速數(shù)據(jù)采集卡(4);數(shù)字延遲發(fā)生器(3)的輸出端連接高速數(shù)據(jù)采集卡(4)，穩(wěn)壓電源(9)連接光電倍增管(8)，光電倍增管⑶的輸出端連接高速數(shù)據(jù)采集卡(4)，高速數(shù)據(jù)采集卡(4)連接計(jì)算機(jī)(5)，計(jì)算機(jī)(5)連接數(shù)據(jù)采集卡(11);所述光電倍增管(8)作為探測(cè)器，用于接收激光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述光路調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括兩個(gè)反射鏡(13)以及一組可調(diào)節(jié)光柵(14)，激光器(1)的出光口對(duì)準(zhǔn)一個(gè)反射鏡(13)的入光口，所述反射鏡(13)的出光口對(duì)準(zhǔn)光柵(14)的入光口，光柵(14)的出光口對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)反射鏡(13)的入光口，另一個(gè)反射鏡(13)的出光口對(duì)準(zhǔn)光腔(2)的中心，即激光器(1)發(fā)出的光通過(guò)所述兩個(gè)反射鏡(13)反射和光柵(14)調(diào)節(jié)后平行進(jìn)入光腔(2)的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述激光器(1)為中心波長(zhǎng)在綠光波段的半導(dǎo)體泵浦高頻脈沖激光器，激光由外觸發(fā)器觸發(fā)，并具有金屬散熱支架。`
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述高反射鏡(12)為中心反射波段540 nm,反射率99.9985%的高反射鏡，所述腔體為圓柱形不銹鋼管腔體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述氣路系統(tǒng)還包括背景氣體氣路和氣溶膠氣路，背景氣體氣路和氣溶膠氣路共用同一條管路，樣氣經(jīng)電磁三通閥(7)后分為兩個(gè)進(jìn)氣路；一進(jìn)氣路直接進(jìn)入腔體，構(gòu)成氣溶膠供應(yīng)氣路；一路氣路經(jīng)過(guò)氣溶膠過(guò)濾器(15)后構(gòu)成背景氣體氣路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述氣路系統(tǒng)還包括保護(hù)氣路，保護(hù)氣路分為兩條支路，保護(hù)氣路在光腔(2)的臨近其高反射鏡(12)的位置連通于所述光腔(2)，以將保護(hù)氣通入到光腔(2)每個(gè)高反射鏡的鏡面前端；其中的保護(hù)氣采用高純氮?dú)馇也缓瑲馊苣z顆粒物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光腔衰蕩氣溶膠消光儀，其特征在于所述電磁三通閥(7)采用L型三通球閥，氣溶膠過(guò)濾器(15)采用高效氣溶膠顆粒過(guò)濾器，濾除效率99.998% ;氣泵采用可調(diào)流量隔膜泵，流量范圍1-10 L/min。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK203465189SQ201320565501
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】李凌, 陳建民, 顏鵬, 陳暉
申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)