光声吸收池及大气颗粒物多光学参数在线测量装置的制作方法

本发明属于光学领域，具体涉及一种同步在线测量大气颗粒物多个光学参数的装置，该装置利用光声光谱技术和弱光信号探测技术分别测量颗粒物的光吸收和散射信号，直接获取其吸收系数和散射系数，进而得到颗粒物的消光系数和单次散射反照率信息，实现颗粒物多光学参数的同步在线测量。

背景技术：

大气颗粒物，是指悬浮在大气中的直径在0.001～100微米的液体或固体微粒体系，是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一。大气颗粒物通过吸收和散射(二者之和为消光)太阳辐射直接影响地球大气辐射平衡，从而改变局部天气和全球气候。单次散射反照率为大气颗粒物散射系数与消光系数之比，它直接反映了大气颗粒物的吸收或散射太阳辐射的能力。

大气颗粒物吸收系数的获取可以通过将颗粒物沉积在过滤介质上测量，也可以在保持其自然悬浮的状态下测量。前一种方法由于技术简单、价格低廉、对气体的吸收不敏感等优点在较长的时间内受到关注，并且发展出了一批商业化的产品，如测碳仪(aethalometer)、粒子烟灰吸收光度计(particle soot absorption photomerer，PSAP)、和多角度吸收光度计(multi-angle absorption photometer，MAAP)等，然而这一技术由于改变了颗粒物的自然悬浮状态，会造成粒子光学特性的改变，并且由于过滤介质的多重散射和粒子形态的改变而引起的潜在吸收增强，使系统测量结果的准确性大大降低，同时给系统的标定带来了一定的困难。在自然悬浮状态下测量大气颗粒物吸收系数的技术，主要包括折射率技术、白炽技术、光声光谱技术，前两种技术分别由于对外部震动敏感、高温改变粒子成分等原因使得他们的在实际大气环境中的应用受到很大的限制。

2001年，Meinrat在《自然》上撰文指出，基于光声原理的光声光谱仪是测量大气颗粒物光吸收系数误差相对较小的仪器，原因在于它是直接测量悬浮在空气中的颗粒物粒子而不改变其自然悬浮状态。由于光声光谱测量的是样品吸收光能产生的声压大小，因而反射光、散射光等对测量结果的干扰较小，该技术成为测量大气颗粒物吸收系数的理想方法。

对于散射测量来说，目前市场上广泛使用的是前向散射能见度仪和积分浊度计。能见度仪是以测量大气颗粒物的散射系数来获取大气能见度的仪器，其理论主要是基于大气透过率的相关研究。然而，由于受下垫面散射光及太阳背景光的影响，能见度仪的测量及安装环境也受到一定的限制。为获得大气颗粒物的总散射系数，Beuttell和Brewer于1941年首先研究并设计出第一台积分浊度计。最初，该设备用于战时军事行动中夜间水平能见度的测量，随着光学测量及电子技术的发展，特别是经过Crosby等学者所做的较大的技术改进，并开发了多波长浊度计之后，它已被广泛用于评估大气颗粒物直接引起的气候效应的测量研究。

通过以上的讨论可以看出，目前针对大气颗粒物吸收和散射的测量大多是采用不同的仪器分别独立进行的，因此颗粒物的采样存在时间和空间上的不均匀性，由此获得的单次散射反照率参数具有较大的不确定性。同时，多套设备的使用也较大的增加了经济成本。因此，研发吸收、散射或者消光同时测量的监测设备是大气颗粒物光学特性测量技术的发展趋势。

技术实现要素：

本发明主要用来实现大气颗粒物的吸收系数和散射系数同步实时测量，提供一种准确获取大气颗粒物消光系数和单次散射反照率的新手段。吸收系数的测量基于光声光谱技术，利用大气颗粒物吸收入射激光在光声吸收池共振腔内产生的光声信号结合吸收系数的标定结果获得大气颗粒物的吸收系数；散射系数通过光声吸收池内安装的光电探测器测量得到的散射光强获取；以上二者之和即为大气颗粒物的消光系数，散射系数与消光系数之比即为大气颗粒物的单次散射反照率。本发明可以避免多台套设备测量时样品的时空差异带来的测量误差或者消光、散射同步测量时传递误差造成的吸收系数测量不准确，有效提高了大气颗粒物光学参数的测量准确性和实时性，降低了测量所需的设备成本。

本发明的技术方案

一种光声吸收池，包括共振腔，共振腔的左右两侧各设置有一个配合体，其特征在于：所述的共振腔为U型圆柱体形状，所述的U型圆柱体形状的共振腔竖直部分的两个端口分别安装扬声器和麦克风，水平部分的中间位置安装有光电倍增管，所述的光电倍增管的光敏面位于U型圆柱体形状的共振腔的水平部分；所述的配合体包括缓冲腔，所述的缓冲腔通过管道与U型圆柱体形状的共振腔的水平部分水平连接，所述的缓冲腔上还连接有声过滤腔以及样品口。

优选的，所述共振腔的直径满足入射光的完整穿过要求，水平长度为声波1/2波长，竖直部分长度为声波1/4波长。

优选的，所述缓冲腔和声过滤腔的直径与共振腔的直径相同，长度均为声波1/4波长。

优选的，所述的连接缓冲腔与U型圆柱体形状的共振腔的水平部分的管道的直径小于缓冲腔和共振腔的直径。

优选的，所述的声过滤腔以及样品口垂直缓冲腔设置。

进一步的，采用上述的光声吸收池搭建的大气颗粒物多光学参数在线测量装置，还包括激光器、光电探测器、光纤调整架、光陷阱、信号发生器、锁相放大器、计算机、流量控制器、采样泵；所述的采样泵连接光声吸收池的样品口实现光声吸收池内大气颗粒物的抽运采样，采样流量由流量控制器控制；所述的信号发生器输出的方波信号分为三路，一路输入激光器作为调制信号，一路输入光声吸收池上的扬声器作为驱动信号，一路输入锁相放大器作为外部参考信号，所解调信号由计算机采集储存；激光器输出的光经光纤分束器分光，功率占比低的一束光连接光电探测器并传输至计算机作为激光功率信号储存处理，功率占比大的一束光经光纤调整架调整后射入光声吸收池与光声吸收池内的大气颗粒物相互作用，产生的反应大气颗粒物吸收入射光的光声信号被光声吸收池上的麦克风接收，并被连接麦克风的锁相放大器解调后传输给计算机存储处理获得大气颗粒物的吸收系数；同时产生的反应大气颗粒物散射入射光的光电信号被光电倍增管接收并传输给计算机存储处理获得大气颗粒物的散射系数，同时由光声吸收池出射的光由光陷阱收集，经过计算机的进一步处理实现同一空间内大气颗粒物单次散射反照率的在线测量。

进一步的，采用上述的装置实现大气颗粒物单次散射反照率在线测量方法，其特征在于：由安装在光声吸收池上的麦克风以及光电倍增管实时对位于同一光声吸收池内的大气颗粒物与激光相互作用产生的光声信号以及散射信号同时进行采集，采集信号由计算机储存处理分别获得大气颗粒物的吸收系数和散射系数，大气颗粒物的吸收系数和散射系数之和为大气颗粒物的消光系数，散射系数比消光系数得到大气颗粒物的单次散射反照率，实现大气颗粒物多个光学参数的在线测量。

本发明的有益效果

本发明的光声吸收池采用U型圆柱体形状的共振腔结合共振腔上安装的麦克风以及光电倍增管，实现共振腔内大气颗粒物与激光相互作用产生的反应吸收系数的光声信号和反应散射系数的光电信号的同步高精度采集，基于该光声吸收池搭建的装置系统，为大气颗粒物消光系数和单次散射反照率的在线测量提供了新手段，实现了大气颗粒物多个光学参数的同步、在线测量，有效提高了吸收系数和单次散射反照率的测量准确性。可以避免多台套设备测量时样品的时空差异带来的测量误差或者消光、散射同步测量时传递误差造成的吸收系数测量不准确，有效提高了吸收系数和单次散射反照率的测量准确性和实时性，降低了测量所需的设备成本。根据该测量结果，可在一定程度上分析大气的污染状况，为城市大气环境评估提供可靠的参考数据。

附图说明

图1.本发明的装置组成示意图；

图中：1、激光器；2、光电探测器；3、光纤调整架；4、光声吸收池；5、扬声器；6、麦克风；7、光电倍增管；8、光陷阱；9、样品口；10、信号发生器；11、锁相放大器；12、计算机；13、流量控制器；14、采样泵；

图2.光声吸收池结构图；

其中：41、共振腔；42、配合体；421、缓冲腔；422、过滤腔。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种光声吸收池，包括共振腔41，共振腔41的左右两侧各设置有一个配合体42，其特征在于：所述的共振腔41为U型圆柱体形状，所述的U型圆柱体形状的共振腔竖直部分的两个端口分别安装扬声器5和麦克风6，水平部分的中间位置安装有光电倍增管7，所述的光电倍增管7的光敏面位于U型圆柱体形状的共振腔41的水平部分；所述的配合体42包括缓冲腔421，所述的缓冲腔421通过管道与U型圆柱体形状的共振腔41的水平部分水平连接，所述的缓冲腔421上还连接有声过滤腔422以及样品口9。

优选的，所述共振腔41的直径满足入射光的完整穿过要求，水平长度为声波1/2波长，竖直部分长度为声波1/4波长。

优选的，所述缓冲腔421和声过滤腔422的直径与共振腔41的直径相同，长度均为声波1/4波长。

优选的，所述的连接缓冲腔421与U型圆柱体形状的共振腔41的水平部分的管道的直径小于缓冲腔421和共振腔41的直径。

优选的，所述的声过滤腔422以及样品口9垂直缓冲腔421设置。

进一步的，采用上述的光声吸收池搭建的在线测量大气颗粒物多光学参数的装置，还包括激光器1、光电探测器2、光纤调整架3、光陷阱8、信号发生器10、锁相放大器11、计算机12、流量控制器13、采样泵14；所述的采样泵14连接光声吸收池的样品口9实现光声吸收池内大气颗粒物的抽运采样，采样流量由流量控制器13控制；所述的信号发生器9输出的方波信号分为三路，一路输入激光器1作为调制信号，一路输入光声吸收池上的扬声器5作为驱动信号，一路输入锁相放大器11作为外部参考信号，所解调信号由计算机采集储存；激光器1输出的光经光纤分束器分光，功率占比低的一束光连接光电探测器2并传输至计算机作为激光功率信号储存处理，功率占比大的一束光经光纤调整架3调整后射入光声吸收池4与光声吸收池内的大气颗粒物相互作用，产生的反应大气颗粒物吸收入射光的光声信号被光声吸收池4上的麦克风6接收，并被连接麦克风的锁相放大器11解调后传输给计算机12存储处理获得大气颗粒物的吸收系数；同时产生的反应大气颗粒物散射入射光的光电信号被光电倍增管7接收并传输给计算机12存储处理获得大气颗粒物的散射系数，同时由光声吸收池4出射的光由光陷阱8收集，经过计算机的进一步处理实现同一空间内大气颗粒物多个光学参数的在线测量。

进一步的，采用上述的装置实现大气颗粒物多光学参数在线测量方法，其特征在于：由安装在光声吸收池上的麦克风以及光电倍增管实时对位于同一光声吸收池内的大气颗粒物与激光相互作用产生的光声信号以及散射信号同步进行采集，采集信号由计算机储存处理分别获得大气颗粒物的吸收系数和散射系数，大气颗粒物的吸收系数和散射系数之和为大气颗粒物的消光系数，散射系数比消光系数得到大气颗粒物的单次散射反照率，实现大气颗粒物多个光学参数同步在线测量。

本发明具体工作原理介绍如下：

光声吸收池内的大气颗粒物的吸收系数通过光声光谱技术获取，散射系数通过测量颗粒物的散射光强获取，二者均需首先对吸收系数和散射系数进行标定，下面具体说明标定的原理和方法。

光声吸收池内的样品吸收入射光产生的光声信号可以表达为：

S＝P×M×C_cell×α₀×c+S_b (1)

S：光声信号的强度(V)；

P：入射激光功率(W)；

M：麦克风的灵敏度(mV·Pa-1)；

C_cell：光声池的池常数(Pa·(cm-1·W)-1)；

α₀：吸收效率(气体：[α₀]＝Mm-1/ppbv；气溶胶：[α₀]＝Mm-1/(g·m-3))；

c：样品的浓度(气体：[c]＝ppbv；气溶胶：[c]＝g·m-3)；

S_b：背景噪声(V)。

其中C_cell与光声池自身的几何参数、测量条件等因素有关；，α₀×c即为样品的吸收系数。由此可见，对于已经建立的光声光谱系统，M×C_cell值是不变的，因此可以通过测量不同已知吸收特性的气体来测定M×C_cell的值。标定过程为：通过测量不同已知浓度c的吸收气体，获得不同的光声信号S对应的吸收系数α＝α₀×c，对测量数据进行线性拟合并将拟合所得线性斜率进行功率归一化，即为M×C_cell，在测得M×C_cell后，根据气溶胶样品的光声信号和所用激光器的功率即可算得的吸收系数。背景噪声S_b通过测量洁净的无吸收气体来获得，在测量背景噪声时，应保持与实际测量气溶胶样品吸收时同样大小的流量。该标定方法通常利用NO₂气体在532nm波长处的吸收来实现。

光电倍增管测量得到的光信号的大小与样品的散射系数大小及入射光的强弱有关，即：

V∝P·β (2)

V：光电倍增管信号强度(V)；

P：入射激光功率(W)；

β：麦克风的灵敏度(mV·Pa^-1)；

根据(2)式可以看出，通过测量不同已知散射系数的样品即可确定光电倍增管测量得到的信号值与散射系数之间的对应关系。由于气体分子在某一波长处的散射系数可以通过瑞利散射模型计算得出，因此可以利用氧气、二氧化碳、氮气等对散射系数进行标定。

本发明的工作过程介绍如下：

1)、按照图1所示连接各零部件，调整激光器1的光路，使之完整穿过光声吸收池，并完整的被光陷阱8接收；采样泵14将大气颗粒物样品抽运流经光声吸收池4，采样流量由流量控制器13控制；

2)、设置信号发生器10的输出频率，使之在光声吸收池4共振腔的共振频率附近进行扫描并驱动扬声器5，麦克风6探测到的声信号最大处即为光声吸收池4的共振频率；

3)、将信号发生器10的输出频率设置为步骤2)测量得到的共振频率，将扬声器5断开与信号发生器10的连接；

4)、将计算机12采集得到的麦克风6的光声信号和光电倍增管7的光电信号分别除以光电探测器2测量得到的激光功率信号，结合吸收系数和散射系数的标定结果分别得到大气颗粒物的吸收系数和散射系数；

5)、吸收系数与散射系数之和为消光系数，散射系数除以消光系数即为大气颗粒物的单次散射反照率。