同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，包括光路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)包括發(fā)光二極管和接收發(fā)光二極管輸出光的光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔的光出射端設(shè)有檢測(cè)消光系數(shù)的消光光譜儀，光學(xué)諧振腔中部從側(cè)面插入有散射光積分檢測(cè)器。本實(shí)用新型使用消光光譜儀分析從發(fā)光二極管射出并進(jìn)入光學(xué)諧振腔不同波長(zhǎng)的透射光，用散射光積分檢測(cè)器測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)下的散射系數(shù)，在測(cè)量到消光系數(shù)和散射系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步得到氣溶膠的吸收系數(shù)和單次散射反照率等光學(xué)參數(shù)，更大程度地滿足大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究工作的需要。本實(shí)用新型可應(yīng)用于大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)在線分析檢測(cè)。
【專利說明】同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及氣溶膠在線檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀。

【背景技術(shù)】
[0002]大氣氣溶膠是全球和區(qū)域氣候變化重要的驅(qū)動(dòng)因子，但同時(shí)氣溶膠也是目前氣候研究中最大的不確定性來源之一，其原因除了全球尺度上大氣氣溶膠來源的多樣性、時(shí)空分布差異較大外，測(cè)量技術(shù)的限制對(duì)氣溶膠吸收特性測(cè)量上的極大不確定性也是一個(gè)重要原因。研究能夠同時(shí)測(cè)量消光系數(shù)和散射系數(shù)或同時(shí)測(cè)量散射系數(shù)和吸收系數(shù)的新技術(shù)，對(duì)大氣科學(xué)研究以及氣象領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和意義。
[0003]光腔衰蕩光譜技術(shù)基于高反鏡的多次反射特性，在較短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)等效光程，具有超高靈敏度和低檢測(cè)限的優(yōu)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的腔增強(qiáng)吸收光譜，采用連續(xù)發(fā)射光源，將不同反射次數(shù)的光累加，大大提高了光腔內(nèi)的光強(qiáng)，不僅繼承了光腔衰蕩光譜的這些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，簡(jiǎn)化了對(duì)光源和分析計(jì)算的要求，非常適合于大氣氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)研究以及各種痕量氣體的檢測(cè)分析。
[0004]目前，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了將腔增強(qiáng)吸收光譜用于氣溶膠消光系數(shù)檢測(cè)的研究。但是氣溶膠散射系數(shù)的測(cè)量仍舊依賴其他儀器(如積分濁度儀)的輔助，并且在兩者光源波長(zhǎng)不一致的情況下，需要進(jìn)一步的計(jì)算統(tǒng)一到相同的波長(zhǎng)下。計(jì)算準(zhǔn)確度受氣溶膠模式的影響，可能產(chǎn)生不可忽略的誤差。因此，開發(fā)能夠在同一臺(tái)儀器上同時(shí)測(cè)量氣溶膠消光系數(shù)和散射系數(shù)的方法，同時(shí)得到氣溶膠吸收系數(shù)和單次散射反照率，對(duì)提高系數(shù)吸收和單次散射反照率測(cè)量的準(zhǔn)確度和可靠性，具有極其重要的意義。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]為了克服上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的非相干寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜儀。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，包括光路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，所述光路系統(tǒng)包括發(fā)光二極管和接收發(fā)光二極管輸出光的光學(xué)諧振腔，所述光學(xué)諧振腔的光出射端設(shè)有檢測(cè)消光系數(shù)的消光光譜儀，所述光學(xué)諧振腔中部從側(cè)面插入有散射光積分檢測(cè)器，所述氣路系統(tǒng)包括連接光學(xué)諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護(hù)氣路。
[0008]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述散射光積分檢測(cè)器垂直于光學(xué)諧振腔的光路方向且位于光路中部的側(cè)端。
[0009]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述散射光積分檢測(cè)器為一個(gè)或多個(gè)帶有不同波長(zhǎng)濾波器的光檢測(cè)器，接收一定散射角范圍的散射光，由檢測(cè)到的散射光光強(qiáng)得到待測(cè)樣品的散射系數(shù)。
[0010]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述供氣氣路連接于光學(xué)諧振腔靠近光入射端位置，所述排氣氣路連接于光學(xué)諧振腔靠近光出射端位置，形成單側(cè)供氣、單側(cè)排氣。
[0011]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述供氣氣路包括并聯(lián)連接的樣品通道和背景通道，所述樣品通道和背景通道的入口端用于連接待測(cè)氣體，所述樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥，所述三通切換閥連接光學(xué)諧振腔，所述背景通路上設(shè)有過濾器。
[0012]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述保護(hù)氣路設(shè)有兩個(gè)連接光學(xué)諧振腔的入口，兩個(gè)入口分別位于供氣氣路出口與光入射端之間、排氣氣路入口與光出射端之間。
[0013]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述排氣氣路包括通過管道串聯(lián)連接的抽氣泵、限流閥和流量計(jì)。
[0014]作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光路系統(tǒng)包括位于發(fā)光二極管與光學(xué)諧振腔之間的導(dǎo)入裝置，所述導(dǎo)入裝置包括光依次通過的透鏡組和光纖。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型結(jié)合了腔增強(qiáng)吸收光譜技術(shù)和邊散射積分濁度檢測(cè)技術(shù)，使用消光光譜儀分析從發(fā)光二極管射出并進(jìn)入光學(xué)諧振腔不同波長(zhǎng)的透射光，可以得到波長(zhǎng)解析的氣溶膠消光系數(shù)，用散射光積分檢測(cè)器測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)下的散射系數(shù)，消光系數(shù)涵蓋的波長(zhǎng)范圍包括了散射系數(shù)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，因此無需進(jìn)行波長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換；在測(cè)量到消光系數(shù)和散射系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步得到氣溶膠的吸收系數(shù)和單次散射反照率等光學(xué)參數(shù)，并且，波長(zhǎng)解析的消光系數(shù)可以計(jì)算出氣溶膠的埃斯屈朗指數(shù)，可用于分析氣溶膠的分布模式，更大程度地滿足大氣氣溶膠光學(xué)性質(zhì)研究工作的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0017]圖1是本實(shí)用新型的構(gòu)造原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，包括光路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)包括發(fā)光二極管I和接收發(fā)光二極管I輸出光的光學(xué)諧振腔2,光學(xué)諧振腔2的光出射端設(shè)有檢測(cè)消光系數(shù)的消光光譜儀3，光學(xué)諧振腔2中部從側(cè)面插入有散射光積分檢測(cè)器4，氣路系統(tǒng)包括連接光學(xué)諧振腔2的供氣氣路5、排氣氣路6和保護(hù)氣路7。
[0019]發(fā)光二極管I可發(fā)出非相干寬帶光，其發(fā)光連續(xù)，光波長(zhǎng)范圍連續(xù)。在本實(shí)施例中發(fā)光二極管I的輸出功率為10mW,光波長(zhǎng)范圍500nm至560nm，相對(duì)于采用激光作為光源輸出，發(fā)光二極管I由于波長(zhǎng)具有較寬的范圍，就可以得到不同波長(zhǎng)條件下的光學(xué)性質(zhì)的信息，而且這些信息更多更全面，有利于后續(xù)的分析。
[0020]在本實(shí)施例中，光路系統(tǒng)還包括位于發(fā)光二極管I與光學(xué)諧振腔2之間的導(dǎo)入裝置，導(dǎo)入裝置包括光依次通過的透鏡組8和光纖9，通過透鏡組8和凸透鏡將發(fā)光二極管I發(fā)出的光耦合進(jìn)入光纖9，再直接耦合進(jìn)入光學(xué)諧振腔2，而光纖9的輸出由三維調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0021]優(yōu)選的，光學(xué)諧振腔2包括兩片垂直于光入射方向的平凹高反鏡，其中，高反鏡凹面為高反面，曲率半徑lm，在500nm至560nm范圍內(nèi)反射率高于99.99%，安裝時(shí)凹面相對(duì)鏡面平行且中心線重合，其中輸入高反鏡位于光入射一端，輸出高反鏡位于相對(duì)的另一端即光出射端，兩片高反鏡鏡片之間的距離為0.74m，可形成高品質(zhì)的穩(wěn)定光學(xué)諧振腔2。
[0022]在本實(shí)施例中，散射光積分檢測(cè)器4為光電倍增管，接收面積320_2，用550nm的帶通濾波片進(jìn)行濾波，該光電倍增管位于光學(xué)諧振腔2中部，與腔體垂直，可同時(shí)接收散射角5°至175°范圍的散射光。根據(jù)邊散射式積分濁度儀的原理，可由檢測(cè)到的散射光光強(qiáng)計(jì)算得出氣溶膠樣品在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)下的散射系數(shù)。
[0023]消光光譜儀3位于光學(xué)諧振腔2的輸出高反鏡的后側(cè)，接收光學(xué)諧振腔2的透射光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以便進(jìn)行光信號(hào)變化的觀測(cè)，對(duì)500nm至560nm在內(nèi)的波段進(jìn)行光譜分析，根據(jù)腔增強(qiáng)吸收光譜原理，可得到腔內(nèi)氣溶膠樣品的波長(zhǎng)解析的消光系數(shù)。
[0024]在本實(shí)施例中，供氣氣路5用于將氣溶膠樣品引入光學(xué)諧振腔2進(jìn)行光學(xué)分析，排氣氣路6將光學(xué)諧振腔2的氣溶膠樣品排出光譜儀外并提供進(jìn)氣的動(dòng)力。供氣氣路5連接于光學(xué)諧振腔2靠近光入射端位置，排氣氣路6連接于光學(xué)諧振腔2靠近光出射端位置，形成單側(cè)供氣、單側(cè)排氣。相比于中間供氣兩端排氣或者兩端進(jìn)氣中間排氣的方式，該方式減少了整個(gè)光譜儀的連接管道及相應(yīng)的管道彎頭，使得氣溶膠的流通較為順暢，減少了損耗。
[0025]優(yōu)選的，供氣氣路5包括并聯(lián)連接的樣品通道和背景通道，樣品通道和背景通道的入口端用于連接待測(cè)氣體，樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥51，三通切換閥51連接光學(xué)諧振腔2，背景通路上設(shè)有過濾器52。過濾器52可將樣品氣體中的顆粒物過濾，得到作為參考的背景氣體，三通切換閥51可使進(jìn)入光學(xué)諧振腔2的分析氣體在過濾背景氣體和樣品氣體之間切換。
[0026]本實(shí)施例中，排氣氣路6包括通過管道串聯(lián)連接的抽氣泵61、限流閥62和流量計(jì)63。抽氣泵61給整個(gè)氣路提供驅(qū)動(dòng)力，限流閥62用于調(diào)節(jié)和控制氣體流速，流量計(jì)63用于監(jiān)測(cè)氣體流速，通過排氣氣路6可以控制和測(cè)量樣品氣體的流速。
[0027]保護(hù)氣路7設(shè)有兩個(gè)連接光學(xué)諧振腔2的入口，兩個(gè)入口分別位于供氣氣路5出口與光入射端之間、排氣氣路6入口與光出射端之間。保護(hù)氣路7用于將高純氮?dú)狻⒏呒兏稍锟諝獾燃儍魵怏w引入光學(xué)諧振腔2高反鏡的內(nèi)側(cè)，形成保護(hù)區(qū)域，防止樣品氣體中的氣溶膠顆粒物污染鏡片。
[0028]本實(shí)施例的工作原理是:發(fā)光二極管I發(fā)射連續(xù)的不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過導(dǎo)入裝置耦合進(jìn)入光學(xué)諧振腔2，在這種高品質(zhì)的諧振腔中形成來回反射，形成振蕩，并疊加增強(qiáng)，使得有效光程提高數(shù)萬甚至數(shù)十萬倍。腔內(nèi)的光在氣溶膠的作用下產(chǎn)生吸收和散射，兩者的總和即為消光。氣溶膠的消光系數(shù)不同，腔內(nèi)的光強(qiáng)會(huì)發(fā)生變化，通過透射光可以測(cè)量腔內(nèi)氣溶膠的消光。這里，使用消光光譜儀3分析不同波長(zhǎng)的透射光，可以得到波長(zhǎng)解析的氣溶膠消光系數(shù)。同時(shí)，腔體內(nèi)氣溶膠的散射光，會(huì)被位于腔體側(cè)面的散射光積分檢測(cè)器4接收至IJ，由于散射光光強(qiáng)與散射系數(shù)成正比，因此可以通過測(cè)量散射光得到氣溶膠散射系數(shù)。進(jìn)氣氣路可將大氣中的氣溶膠樣品不斷引入到光學(xué)諧振腔2中，然后通過排氣氣路6排出，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣溶膠的消光系數(shù)和散射系數(shù)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
[0029]該方法作用的等效光程長(zhǎng)，具有靈敏度高、檢測(cè)限低的特點(diǎn)。
[0030]本實(shí)施例可同時(shí)得到氣溶膠的消光系數(shù)和散射系數(shù)，進(jìn)一步可計(jì)算出氣溶膠的吸收系數(shù)和單次散射反照率等氣溶膠光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，另外，波長(zhǎng)解析的氣溶膠消光系數(shù)，可以擬合得到氣溶膠的埃斯屈朗指數(shù)，用于分析氣溶膠粒徑組成的模式。該儀器不僅實(shí)現(xiàn)了氣溶膠消光系數(shù)和散射系數(shù)的同時(shí)檢測(cè)，還可實(shí)現(xiàn)氣溶膠多光學(xué)性質(zhì)參數(shù)的同步分析，大大提高儀器的使用價(jià)值、擴(kuò)展儀器的應(yīng)用范圍。
[0031]以上所述只是本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施方式，其并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，包括光路系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)，其特征在于:所述光路系統(tǒng)包括發(fā)光二極管和接收發(fā)光二極管輸出光的光學(xué)諧振腔，所述光學(xué)諧振腔的光出射端設(shè)有檢測(cè)消光系數(shù)的消光光譜儀，所述光學(xué)諧振腔中部從側(cè)面插入有散射光積分檢測(cè)器，所述氣路系統(tǒng)包括連接光學(xué)諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護(hù)氣路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述散射光積分檢測(cè)器垂直于光學(xué)諧振腔的光路方向且位于光路中部的側(cè)端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述散射光積分檢測(cè)器為一個(gè)或多個(gè)帶有不同波長(zhǎng)濾波器的光檢測(cè)器，接收一定散射角范圍的散射光，由檢測(cè)到的散射光光強(qiáng)得到待測(cè)樣品的散射系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述供氣氣路連接于光學(xué)諧振腔靠近光入射端位置，所述排氣氣路連接于光學(xué)諧振腔靠近光出射端位置，形成單側(cè)供氣、單側(cè)排氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述供氣氣路包括并聯(lián)連接的樣品通道和背景通道，所述樣品通道和背景通道的入口端用于連接待測(cè)氣體，所述樣品通道和背景通道的出口端接有三通切換閥，所述三通切換閥連接光學(xué)諧振腔，所述背景通路上設(shè)有過濾器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述保護(hù)氣路設(shè)有兩個(gè)連接光學(xué)諧振腔的入口，兩個(gè)入口分別位于供氣氣路出口與光入射端之間、排氣氣路入口與光出射端之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述排氣氣路包括通過管道串聯(lián)連接的抽氣泵、限流閥和流量計(jì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同時(shí)檢測(cè)氣溶膠消光和散射系數(shù)的腔增強(qiáng)吸收光譜儀，其特征在于:所述光路系統(tǒng)包括位于發(fā)光二極管與光學(xué)諧振腔之間的導(dǎo)入裝置，所述導(dǎo)入裝置包括光依次通過的透鏡組和光纖。
【文檔編號(hào)】G01N21/31GK204008442SQ201420377877
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】洪義, 黃正旭, 高偉, 程平, 周振, 李梅 申請(qǐng)人:廣州禾信分析儀器有限公司, 昆山禾信質(zhì)譜技術(shù)有限公司