本發(fā)明涉及氣溶膠光學特性監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀。

技術(shù)背景

氣溶膠是大氣中的主要污染物，其存在對于地球輻射能量平衡，全球氣候以及大氣能見度起著重要的作用。開展氣溶膠光學特性的測量有助于實現(xiàn)氣溶膠的源解析，分析氣溶膠的混合態(tài)以及時空變化規(guī)律，為大氣氣溶膠的綜合治理提供有益的參考。然而由于缺乏合適的科學儀器及方法，目前關(guān)于氣溶膠光學特性的測量值仍然存在比較大的不確定性。目前關(guān)于氣溶膠光學特性的測量儀器大多采用多個儀器聯(lián)用分別選擇氣溶膠消光、吸收、散射中的兩個參數(shù)進行測量，然后利用消光等于吸收與散射之和進行另外一個光學參數(shù)的分析，進一步獲得氣溶膠的單次散射反照度。

然而在采用多個儀器聯(lián)用時，一方面不得不考慮氣溶膠分流分別進入不同儀器所帶來的測量誤差。另一方面不同儀器所用的光波段具有或多或少的差異，盡管利用氣溶膠的光學波長依賴特性理論上可以解決不同儀器光波段差異所帶來的問題，但是氣溶膠的光學波長依賴特性自身會隨著氣溶膠的種類，尺寸，混合態(tài)或老化等發(fā)生變化，無法精確的確定不同氣溶膠的光學波長依賴特性，因此不同儀器光波段差異的問題可能不能利用氣溶膠光波長依賴特性得到有效解決。

近年來寬帶腔增強吸收光譜技術(shù)與積分球結(jié)合實現(xiàn)了在同一樣品體積內(nèi)氣溶膠的消光系數(shù)與散射系數(shù)的同步測量，該技術(shù)有效的解決了不同儀器分開聯(lián)用引起的氣溶膠分流所帶來的測量誤差，并且有效的減小了樣品體積，減少了樣品交換時間，系統(tǒng)響應(yīng)時間也明顯提高。同時由于僅采用單個光源避免了光波段差異所帶來的測量誤差。然而寬帶腔增強吸收光譜技術(shù)與積分球結(jié)合雖能有效對氣溶膠的消光系數(shù)和散射系數(shù)同步測量，但據(jù)文獻報導(dǎo)，當氣溶膠的消光系數(shù)主要由散射系數(shù)組成時(這種情況在實際大氣中比較常見)，其測量誤差一般較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀。

本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，包括光學模塊，光聲腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，

所述光聲腔模塊包括設(shè)置在所述光學模塊出光光路上的氣體吸收池和垂直于所述出光光路設(shè)置的聲學諧振腔，所述聲學諧振腔的一端為開放端，所述開放端貫穿所述氣體吸收池一側(cè)池壁的中部并構(gòu)成固定連接，另一端為封閉端，所述封閉端設(shè)置有聲學麥克風。

優(yōu)選的，所述光學模塊包括激光二極管、光纖、光纖準直器和設(shè)置在所述氣體吸收池兩端的第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡和第二反射鏡與所述氣體吸收池兩端設(shè)置有間隙，且第一反射鏡和第二反射鏡與氣體吸收池中心水平共軸。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括與所述聲學麥克風電連接的前置放大器、與所述前置放大器輸出端電連接的鎖相放大器和與所述鎖相放大器輸出端電連接的數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備。

優(yōu)選的，所述第一反射鏡和第二反射鏡均為平凹透鏡，平凹透鏡的凹面均朝向氣體吸收池相對設(shè)置，所述平凹透鏡的另一面為平面，所述光纖準直器連接在光纖上，并設(shè)置在第一反射鏡的平面?zhèn)龋龅谝环瓷溏R上設(shè)置有通光孔供所述光纖準直器的出射光光通過。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊還包括設(shè)置在氣體吸收池遠離光學模塊一端的光電二極管，所述光電二極管設(shè)置在氣體吸收池的出光光路上，并與所述數(shù)據(jù)采集卡電連接。

優(yōu)選的，所述光學模塊還包括激光二極管控制器與信號發(fā)生器，所述激光二極管、激光二極管控制器與信號發(fā)生器依次電連接實現(xiàn)激光二極管的調(diào)制以及穩(wěn)定的光功率輸出；所述信號發(fā)生器的ttl輸出端還與鎖相放大器的輸入端電連接提供參考信號。

優(yōu)選的，所述氣體吸收池的兩端分別設(shè)置有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片和第二窗片的大小與氣體吸收池的口徑相匹配，并封閉所述氣體吸收池的兩端。

進一步優(yōu)選的，所述激光二極管發(fā)出的光束在氣體吸收池內(nèi)借助第一反射鏡和第二反射鏡多次來回反射，氣體吸收池內(nèi)的氣溶膠吸收光能后產(chǎn)生聲波信號，所述聲波信號的波長λ與所述聲學諧振腔的長度l滿足λ＝4l；所述聲學諧振腔封閉端與聲學麥克風的連接處為聲波的波腹處，所述聲學諧振腔開放端與氣體吸收池的交界面為聲波的波節(jié)處。

進一步優(yōu)選的，在滿足工作要求的前提下，所述氣體吸收池的內(nèi)徑設(shè)置的盡量大，方便光線的通過。

進一步優(yōu)選的，所述氣體吸收池的內(nèi)壁鍍有聚四氟乙烯膜。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明利用光電二極管測量得到的光聲腔中有無氣溶膠的光信號，即可依據(jù)朗伯比爾定律實現(xiàn)氣溶膠消光系數(shù)的測量；此外，氣體吸收池吸收光束光能產(chǎn)生聲波信號進入側(cè)向的聲學諧振腔實現(xiàn)駐波放大并在聲波腹處被聲學麥克風測量，將聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號實現(xiàn)氣溶膠吸收系數(shù)的測量；通過對測量得到氣溶膠的吸收系數(shù)，消光系數(shù)的分析處理，進一步可實現(xiàn)氣溶膠的散射系數(shù)、單次散射反照度的同步測量，可有效解決儀器聯(lián)用以及寬帶腔增強吸收光譜與積分球結(jié)合所面臨的問題。

2)本發(fā)明中氣體吸收池的內(nèi)壁鍍有聚四氟乙烯膜，可有效解決長期外場測量氣溶膠吸收特性時所面臨的氣溶膠易粘附在吸收池內(nèi)壁的問題；由于光線在吸收池之間的多次來回反射增加了光源的有效功率，從而使氣溶膠的光吸收探測靈敏度極大的提高；同時本發(fā)明由于自身帶有氣體吸收池可實現(xiàn)痕量氣體濃度的測量，從而可單獨完成聲學諧振腔的標定工作，因此本系統(tǒng)無需再利用其它儀器進行聲學諧振腔的標定。

3)本發(fā)明將傳統(tǒng)聲學共振腔與吸收池結(jié)合，同時吸收池與一對反射鏡結(jié)合形成了一個光學多通池，實現(xiàn)了側(cè)向聲共振對氣溶膠吸收特性的高靈敏度測量，最終可完整的獲得氣溶膠的光學特性參數(shù)。由于氣溶膠的吸收系數(shù)、消光系數(shù)、散射系數(shù)以及單次散射反照度均在同一樣品池中進行，避免了傳統(tǒng)樣品分流分別進行氣溶膠吸收與消光測量所引起的測量誤差。更重要的是，本發(fā)明的光聲腔腔體體積較小，氣溶膠在系統(tǒng)內(nèi)的交換時間大大減小，從而使系統(tǒng)響應(yīng)時間明顯加快，更加適用在氣溶膠成分變化迅速的環(huán)境如汽車尾氣測量中的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中光線在氣體吸收池內(nèi)，在第一反射鏡和第二反射鏡間的反射光路示意圖。

圖中標注符號的含義如下：

10-激光二極管11-激光二極管控制器12-信號發(fā)生器

21-第一反射鏡22-第二反射鏡30-光纖31-光纖準直器

50-氣體吸收池51-第一窗片52-第二窗片60-聲學諧振腔

70-聲學麥克風81-前置放大器82-鎖相放大器83-數(shù)據(jù)采集卡

84-數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備85-光電二極管90-固定裝置

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明的技術(shù)方案做出更為具體的說明：

如圖1-2所示，一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，包括光學模塊，光聲腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，

光聲腔模塊包括設(shè)置在光學模塊出光光路上的氣體吸收池50和垂直于出光光路設(shè)置的聲學諧振腔60，聲學諧振腔60的一端為開放端，開放端貫穿氣體吸收池50一側(cè)池壁的中部并構(gòu)成固定連接，另一端為封閉端，封閉端設(shè)置有聲學麥克風70。

光學模塊包括激光二極管10、光纖30、光纖準直器31和設(shè)置在氣體吸收池兩端的第一反射鏡21和第二反射鏡22，且第一反射鏡21和第二反射鏡22與氣體吸收池50兩端設(shè)置有間隙，且第一反射鏡21和第二反射鏡22與氣體吸收池50中心水平共軸。

數(shù)據(jù)處理模塊包括與聲學麥克風70電連接的前置放大器81、與前置放大器81輸出端電連接的鎖相放大器82和與鎖相放大器82輸出端電連接的數(shù)據(jù)采集卡83及數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備84。

第一反射鏡21和第二反射鏡22均為平凹透鏡，平凹透鏡的凹面朝向氣體吸收池相對設(shè)置，平凹透鏡的另一面為平面，光纖準直器31連接在光纖30上，并設(shè)置在第一反射鏡21的平面?zhèn)?，所述第一反射鏡21上設(shè)置有通光孔供所述光纖準直器31的出射光光通過。

數(shù)據(jù)處理模塊還包括設(shè)置在氣體吸收池50遠離光學模塊一端的光電二極管85，光電二極管85設(shè)置在氣體吸收池50的出光光路上，第二反射鏡22在出光光路上開設(shè)通孔供光線通過，光電二極管85與數(shù)據(jù)采集卡83電連接。

光學模塊還包括激光二極管控制器11與信號發(fā)生器12，激光二極管10、激光二極管控制器11與信號發(fā)生器12依次電連接實現(xiàn)激光二極管10的調(diào)制以及穩(wěn)定的光功率輸出；信號發(fā)生器12的ttl輸出端與鎖相放大器82輸入端電連接提供參考信號。

氣體吸收池50的兩端還分別設(shè)置有第一窗片51和第二窗片52，第一窗片51和第二窗片52的大小與氣體吸收池的口徑相匹配，并封閉氣體吸收池50的兩端，窗片材質(zhì)為石英；氣體吸收池50的側(cè)壁還設(shè)置有樣品的入口和出口。

本系統(tǒng)光源的調(diào)制方式為振幅調(diào)制，其調(diào)制頻率為聲學諧振腔60的一階縱向共振頻率。

工作時，激光二極管10發(fā)出的光線經(jīng)光纖準直器31準直后穿過第一反射鏡21上方開設(shè)的通孔和第一窗片51進入氣體吸收池50，并在氣體吸收池50內(nèi)借助第一反射鏡21和第二反射鏡22的凹面實現(xiàn)光線的來回多次反射，氣體吸收池50內(nèi)的氣溶膠吸收光能后產(chǎn)生聲波信號，光線最終經(jīng)第二窗片52和第二反射鏡22下方開設(shè)的通孔進入到光電二級管85中。光電二極管85將收集到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡83采集顯示在數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備84上，進行氣溶膠消光特性的分析處理。聲學諧振腔60對聲波信號駐波放大隨后被聲學麥克風70所測量，聲波的波長λ與聲學諧振腔60長度l滿足關(guān)系式λ＝4l。

聲學諧振腔60在聲學麥克風70處為硬聲場邊界，形成波腹。聲學諧振腔60與氣體吸收池50的交界處為軟聲場邊界，形成波節(jié)。聲波信號經(jīng)前置放大器81放大輸入到鎖相放大器82進行解調(diào)，同時信號發(fā)生器12輸出ttl信號輸入到鎖相放大器82作為參考信號。解調(diào)出來的聲波信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡83傳輸至數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備84如筆記本電腦進行進一步的分析處理。

在滿足工作要求的前提下，氣體吸收池50的內(nèi)徑可設(shè)置的足夠大方便光線的通過。

本實施方式中，氣體吸收池50的內(nèi)徑即通光口徑設(shè)置較大以方便光線的多次來回反射，從而增加光源的有效功率，提高氣溶膠吸收探測靈敏度。

光線在吸收池中的來回反射構(gòu)成了一個光學多通池，其出射光經(jīng)光電二極管監(jiān)測，然后依據(jù)朗伯比爾定律獲得氣溶膠的消光系數(shù)。其中朗伯比爾定律可表示為αext＝1/l·ln(i0/i)，αext為消光系數(shù)，l為有效光程，i與i0分別為有無氣溶膠時所測得的光信號。

氣體吸收池50的內(nèi)壁鍍有聚四氟乙烯膜，可有效解決長期外場測量氣溶膠吸收特性時所面臨的氣溶膠易粘附在吸收池內(nèi)壁的問題。

氣體吸收池50和聲學諧振腔60的外側(cè)設(shè)置有一體式固定裝置90以減小氣體吸收池50和聲學諧振腔60間位置變化引起的振動。

以上僅為本發(fā)明創(chuàng)造的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明創(chuàng)造；盡管參照前述實施方式對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：凡在本發(fā)明創(chuàng)造的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，包括光學模塊，光聲腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于，

所述光聲腔模塊包括設(shè)置在所述光學模塊出光光路上的氣體吸收池(50)和垂直于所述出光光路設(shè)置的聲學諧振腔(60)，所述聲學諧振腔(60)的一端為開放端，所述開放端貫穿所述氣體吸收池(50)一側(cè)池壁的中部并構(gòu)成固定連接，另一端為封閉端，所述封閉端設(shè)置有聲學麥克風(70)。

2.如權(quán)利要求1所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述光學模塊包括激光二極管(10)、光纖(30)、光纖準直器(31)和設(shè)置在所述氣體吸收池兩端的第一反射鏡(21)和第二反射鏡(22)，所述第一反射鏡(21)和第二反射鏡(22)與所述氣體吸收池(50)兩端設(shè)置有間隙，且第一反射鏡(21)和第二反射鏡(22)與氣體吸收池(50)中心水平共軸。

3.如權(quán)利要求1所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括與所述聲學麥克風(70)電連接的前置放大器(81)、與所述前置放大器(81)輸出端電連接的鎖相放大器(82)和與所述鎖相放大器(82)輸出端電連接的數(shù)據(jù)采集卡(83)及數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備(84)。

4.如權(quán)利要求2所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述第一反射鏡(21)和第二反射鏡(22)均為平凹透鏡，平凹透鏡的凹面均朝向氣體吸收池相對設(shè)置，所述平凹透鏡的另一面為平面，所述光纖準直器(31)連接在光纖(30)上，并設(shè)置在第一反射鏡(21)的平面?zhèn)?，所述第一反射鏡(21)上設(shè)置有通光孔供所述光纖準直器(31)的出射光光通過。

5.如權(quán)利要求3或4所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理模塊還包括設(shè)置在氣體吸收池(50)遠離光學模塊一端的光電二極管(85)，所述光電二極管(85)設(shè)置在氣體吸收池(50)的出光光路上，所述第二反射鏡(22)在出光光路上開設(shè)通孔供光線通過，所述光電二極管(85)與所述數(shù)據(jù)采集卡(83)電連接。

6.如權(quán)利要求2或3所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述光學模塊還包括激光二極管控制器(11)與信號發(fā)生器(12)，所述激光二極管(10)、激光二極管控制器(11)與信號發(fā)生器(12)依次電連接實現(xiàn)激光二極管(10)的調(diào)制以及穩(wěn)定的光功率輸出；所述信號發(fā)生器(12)的ttl輸出端還與鎖相放大器(82)輸入端電連接提供參考信號。

7.如權(quán)利要求1所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述氣體吸收池(50)的兩端分別設(shè)置有第一窗片(51)和第二窗片(52)，所述第一窗片(51)和第二窗片(52)的大小與氣體吸收池的口徑相匹配，并封閉所述氣體吸收池(50)的兩端。

8.如權(quán)利要求2所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述激光二極管(10)發(fā)出的光束在氣體吸收池(50)內(nèi)借助第一反射鏡(21)和第二反射鏡(22)多次來回反射，氣體吸收池(50)內(nèi)的氣溶膠吸收光能后產(chǎn)生聲波信號，所述聲波信號的波長λ與所述聲學諧振腔(60)的長度l滿足λ＝4l；所述聲學諧振腔(60)封閉端與聲學麥克風(70)的連接處為聲波的波腹處，所述聲學諧振腔(60)開放端與氣體吸收池(50)的交界面為聲波的波節(jié)處。

9.如權(quán)利要求1所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，在滿足工作要求的前提下，所述氣體吸收池(50)的內(nèi)徑設(shè)置的盡量大，方便光線的通過。

10.如權(quán)利要求1所述的一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀，其特征在于，所述氣體吸收池(50)的內(nèi)壁鍍有聚四氟乙烯膜。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及氣溶膠光學特性監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種適用于氣溶膠吸收及消光系數(shù)同步測量的光聲光譜儀。包括光學模塊，光聲腔模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，光聲腔模塊包括設(shè)置在光學模塊出光光路上的氣體吸收池和垂直于出光光路設(shè)置的聲學諧振腔；光學模塊包括激光二極管、光纖、光纖準直器和第一反射鏡、第二反射鏡，第一反射鏡和第二反射鏡設(shè)置在氣體吸收池兩側(cè)且中心水平共軸；數(shù)據(jù)處理模塊包括與聲學麥克風依次電連接的前置放大器、鎖相放大器和數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)終端處理設(shè)備。本發(fā)明對氣溶膠吸收及消光系數(shù)進行同步測量，最終可完整的獲得氣溶膠的光學特性參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉錕;曹淵;王瑞峰;王貴師;梅教旭;高曉明

受保護的技術(shù)使用者：中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.07

技術(shù)公布日：2020.12.18