同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀的制作方法

同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系統，光路系統包括發光二極管和接收發光二極管輸出光的光學諧振腔，光學諧振腔的光出射端設有檢測消光系數的消光光譜儀，光學諧振腔中部從側面插入有散射光積分檢測器。本發明使用消光光譜儀分析從發光二極管射出并進入光學諧振腔不同波長的透射光，用散射光積分檢測器測量多個波長下的散射系數，在測量到消光系數和散射系數的基礎上，可以進一步得到氣溶膠的吸收系數和單次散射反照率等光學參數，更大程度地滿足大氣氣溶膠光學性質研究工作的需要。本發明可應用于大氣氣溶膠光學性質在線分析檢測。
【專利說明】同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀

【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣溶膠在線檢測領域，特別是涉及一種同時檢測氣溶膠消光和散射系 數的腔增強吸收光譜儀。

【背景技術】
[0002] 大氣氣溶膠是全球和區域氣候變化重要的驅動因子，但同時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、時空 分布差異較大外，測量技術的限制對氣溶膠吸收特性測量上的極大不確定性也是一個重要 原因。研究能夠同時測量消光系數和散射系數或同時測量散射系數和吸收系數的新技術， 對大氣科學研究以及氣象領域具有重要的實用價值和意義。
[0003] 光腔衰蕩光譜技術基于高反鏡的多次反射特性，在較短的距離內實現了長等效光 程，具有超高靈敏度和低檢測限的優點，在此基礎上發展起來的腔增強吸收光譜，采用連續 發射光源，將不同反射次數的光累加，大大提高了光腔內的光強，不僅繼承了光腔衰蕩光譜 的這些優點，同時，簡化了對光源和分析計算的要求，非常適合于大氣氣溶膠的光學性質研 究以及各種痕量氣體的檢測分析。
[0004] 目前，國際上已經出現了將腔增強吸收光譜用于氣溶膠消光系數檢測的研究。但 是氣溶膠散射系數的測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 不一致的情況下，需要進一步的計算統一到相同的波長下。計算準確度受氣溶膠模式的影 響，可能產生不可忽略的誤差。因此，開發能夠在同一臺儀器上同時測量氣溶膠消光系數和 散射系數的方法，同時得到氣溶膠吸收系數和單次散射反照率，對提高系數吸收和單次散 射反照率測量的準確度和可靠性，具有極其重要的意義。


【發明內容】

[0005] 為了克服上述技術問題，本發明的目的在于提供一種能夠同時檢測氣溶膠消光和 散射系數的非相干寬帶腔增強吸收光譜儀。
[0006] 本發明所采用的技術方案是： 一種同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系 統，所述光路系統包括發光二極管和接收發光二極管輸出光的光學諧振腔，所述光學諧振 腔的光出射端設有檢測消光系數的消光光譜儀，所述光學諧振腔中部從側面插入有散射光 積分檢測器，所述氣路系統包括連接光學諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護氣路。
[0007] 作為上述技術方案的進一步改進，所述散射光積分檢測器垂直于光學諧振腔的光 路方向且位于光路中部的側端。
[0008] 作為上述技術方案的進一步改進，所述散射光積分檢測器為一個或多個帶有不同 波長濾波器的光檢測器，接收一定散射角范圍的散射光，由檢測到的散射光光強得到待測 樣品的散射系數。
[0009] 作為上述技術方案的進一步改進，所述供氣氣路連接于光學諧振腔靠近光入射端 位置，所述排氣氣路連接于光學諧振腔靠近光出射端位置，形成單側供氣、單側排氣。
[0010] 作為上述技術方案的進一步改進，所述供氣氣路包括并聯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諧振腔，所述背景通路上設有過濾器。
[0011] 作為上述技術方案的進一步改進，所述保護氣路設有兩個連接光學諧振腔的入 口，兩個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。
[0012] 作為上述技術方案的進一步改進，所述排氣氣路包括通過管道串聯連接的抽氣 泵、限流閥和流量計。
[0013] 作為上述技術方案的進一步改進，所述光路系統包括位于發光二極管與光學諧振 腔之間的導入裝置，所述導入裝置包括光依次通過的透鏡組和光纖。
[0014] 本發明的有益效果是：本發明結合了腔增強吸收光譜技術和邊散射積分濁度檢測 技術，使用消光光譜儀分析從發光二極管射出并進入光學諧振腔不同波長的透射光，可以 得到波長解析的氣溶膠消光系數，用散射光積分檢測器測量多個波長下的散射系數，消光 系數涵蓋的波長范圍包括了散射系數對應的波長，因此無需進行波長的轉換；在測量到消 光系數和散射系數的基礎上，可以進一步得到氣溶膠的吸收系數和單次散射反照率等光學 參數，并且，波長解析的消光系數可以計算出氣溶膠的埃斯屈朗指數，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性質研究工作的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。
[0016] 圖1是本發明的構造原理圖。

【具體實施方式】
[0017] 如圖1所示的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系 統和氣路系統，光路系統包括發光二極管1和接收發光二極管1輸出光的光學諧振腔2,光 學諧振腔2的光出射端設有檢測消光系數的消光光譜儀3,光學諧振腔2中部從側面插入有 散射光積分檢測器4,氣路系統包括連接光學諧振腔2的供氣氣路5、排氣氣路6和保護氣 路7。
[0018] 發光二極管1可發出非相干寬帶光，其發光連續，光波長范圍連續。在本實施例中 發光二極管1的輸出功率為l〇〇mW，光波長范圍500nm至560nm，相對于采用激光作為光源 輸出，發光二極管1由于波長具有較寬的范圍，就可以得到不同波長條件下的光學性質的 信息，而且這些信息更多更全面，有利于后續的分析。
[0019] 在本實施例中，光路系統還包括位于發光二極管1與光學諧振腔2之間的導入裝 置，導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和凸透鏡將發光二極管1 發出的光耦合進入光纖9,再直接耦合進入光學諧振腔2,而光纖9的輸出由三維調節裝置 進行調節。
[0020] 優選的，光學諧振腔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范圍內反射率高于99. 99%，安裝時凹面相對鏡 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，可形成高品質的穩定光學諧振腔2。
[0021] 在本實施例中，散射光積分檢測器4為光電倍增管，接收面積320_2,用550nm的 帶通濾波片進行濾波，該光電倍增管位于光學諧振腔2中部，與腔體垂直，可同時接收散射 角5°至175°范圍的散射光。根據邊散射式積分濁度儀的原理，可由檢測到的散射光光強 計算得出氣溶膠樣品在對應波長下的散射系數。
[0022] 消光光譜儀3位于光學諧振腔2的輸出高反鏡的后側，接收光學諧振腔2的透射 光，并將光信號轉化為電信號以便進行光信號變化的觀測，對500nm至560nm在內的波段進 行光譜分析，根據腔增強吸收光譜原理，可得到腔內氣溶膠樣品的波長解析的消光系數。
[0023] 在本實施例中，供氣氣路5用于將氣溶膠樣品引入光學諧振腔2進行光學分析，排 氣氣路6將光學諧振腔2的氣溶膠樣品排出光譜儀外并提供進氣的動力。供氣氣路5連接 于光學諧振腔2靠近光入射端位置，排氣氣路6連接于光學諧振腔2靠近光出射端位置，形 成單側供氣、單側排氣。相比于中間供氣兩端排氣或者兩端進氣中間排氣的方式，該方式減 少了整個光譜儀的連接管道及相應的管道彎頭，使得氣溶膠的流通較為順暢，減少了損耗。
[0024] 優選的，供氣氣路5包括并聯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連接光學諧振腔2,背景通路上設有過濾器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可使進入光學諧振腔2的分析氣體在過濾 背景氣體和樣品氣體之間切換。
[0025] 本實施例中，排氣氣路6包括通過管道串聯連接的抽氣泵61、限流閥62和流量計 63。抽氣泵61給整個氣路提供驅動力，限流閥62用于調節和控制氣體流速，流量計63用 于監測氣體流速，通過排氣氣路6可以控制和測量樣品氣體的流速。
[0026] 保護氣路7設有兩個連接光學諧振腔2的入口，兩個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。保護氣路7用于將高純氮氣、高純干 燥空氣等純凈氣體引入光學諧振腔2高反鏡的內側，形成保護區域，防止樣品氣體中的氣 溶膠顆粒物污染鏡片。
[0027] 本實施例的工作原理是：發光二極管1發射連續的不同波長的光經過導入裝置耦 合進入光學諧振腔2,在這種高品質的諧振腔中形成來回反射，形成振蕩，并疊加增強，使得 有效光程提高數萬甚至數十萬倍。腔內的光在氣溶膠的作用下產生吸收和散射，兩者的總 和即為消光。氣溶膠的消光系數不同，腔內的光強會發生變化，通過透射光可以測量腔內氣 溶膠的消光。這里，使用消光光譜儀3分析不同波長的透射光，可以得到波長解析的氣溶膠 消光系數。同時，腔體內氣溶膠的散射光，會被位于腔體側面的散射光積分檢測器4接收 至IJ，由于散射光光強與散射系數成正比，因此可以通過測量散射光得到氣溶膠散射系數。進 氣氣路可將大氣中的氣溶膠樣品不斷引入到光學諧振腔2中，然后通過排氣氣路6排出，可 以實現對大氣氣溶膠的消光系數和散射系數的實時在線檢測。
[0028] 該方法作用的等效光程長，具有靈敏度高、檢測限低的特點。
[0029] 本實施例可同時得到氣溶膠的消光系數和散射系數，進一步可計算出氣溶膠的吸 收系數和單次散射反照率等氣溶膠光學性質的關鍵參數，另外，波長解析的氣溶膠消光系 數，可以擬合得到氣溶膠的埃斯屈朗指數，用于分析氣溶膠粒徑組成的模式。該儀器不僅 實現了氣溶膠消光系數和散射系數的同時檢測，還可實現氣溶膠多光學性質參數的同步分 析，大大提高儀器的使用價值、擴展儀器的應用范圍。
[0030] 以上所述只是本發明優選的實施方式，其并不構成對本發明保護范圍的限制。
【權利要求】
1. 一種同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，包括光路系統和氣路系 統，其特征在于：所述光路系統包括發光二極管和接收發光二極管輸出光的光學諧振腔，所 述光學諧振腔的光出射端設有檢測消光系數的消光光譜儀，所述光學諧振腔中部從側面插 入有散射光積分檢測器，所述氣路系統包括連接光學諧振腔的供氣氣路、排氣氣路和保護 氣路。
2. 根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述散射光積分檢測器垂直于光學諧振腔的光路方向且位于光路中部的側端。
3. 根據權利要求2所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述散射光積分檢測器為一個或多個帶有不同波長濾波器的光檢測器，接收一定 散射角范圍的散射光，由檢測到的散射光光強得到待測樣品的散射系數。
4. 根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述供氣氣路連接于光學諧振腔靠近光入射端位置，所述排氣氣路連接于光學諧 振腔靠近光出射端位置，形成單側供氣、單側排氣。
5. 根據權利要求4所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述供氣氣路包括并聯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 切換閥連接光學諧振腔，所述背景通路上設有過濾器。
6. 根據權利要求4所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述保護氣路設有兩個連接光學諧振腔的入口，兩個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. 根據權利要求4或5或6所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜 儀，其特征在于：所述排氣氣路包括通過管道串聯連接的抽氣泵、限流閥和流量計。
8. 根據權利要求1所述的同時檢測氣溶膠消光和散射系數的腔增強吸收光譜儀，其特 征在于：所述光路系統包括位于發光二極管與光學諧振腔之間的導入裝置，所述導入裝置 包括光依次通過的透鏡組和光纖。
【文檔編號】G01N21/31GK104122214SQ201410326683
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】洪義, 黃正旭, 高偉, 程平, 周振, 李梅 申請人:廣州禾信分析儀器有限公司, 昆山禾信質譜技術有限公司