專利名稱：利用光-熱法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣溶膠微物理特性測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種利用光-熱轉(zhuǎn)換法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的新方法，它可以實(shí)時(shí)測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)。
背景技術(shù)：
氣溶膠是大氣物理化學(xué)過(guò)程中的一個(gè)重要因素，大氣科學(xué)的很多領(lǐng)域都與氣溶膠有關(guān)。大氣氣溶膠粒子的存在直接影響了光在大氣中的傳播，造成光在大氣中的衰減。大氣中氣溶膠粒子對(duì)光的散射和吸收特性是影響光傳播的主要因素之一，氣溶膠粒子的吸收系數(shù)(折射率虛部)是決定大氣氣溶膠吸收特性的重要參數(shù)，在大氣輻射收支平衡中起著重要的作用，氣溶膠輻射強(qiáng)迫效應(yīng)的正負(fù)在很大程度上取決于其吸收系數(shù)的大小。氣溶膠粒子對(duì)光的吸收，還造成了大氣中一些氣溶膠粒子間以及氣溶膠粒子和氣體間的光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生了很多尚不可測(cè)的影響。而氣溶膠的吸收系數(shù)直接反映了碳?xì)馊苣z的污染程度，況且氣溶膠吸收系數(shù)在研究氣候變化、衛(wèi)星遙感和顆粒物污染等方面是不可獲缺的參數(shù)。因此，研究實(shí)際大氣氣溶膠吸收的測(cè)量方法有著重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。大氣中的氣溶膠粒子主要集中在近地面邊界層內(nèi)，由于地理位置、環(huán)境和氣象條件的變化，氣溶膠的化學(xué)成分較為復(fù)雜，由于除含有沙塵、礦物質(zhì)、煙灰、浙青和煤煙等成分夕卜，還常含有硫酸鹽、硝酸鹽、硅酸鹽和碳酸鹽等。不同地區(qū)氣溶膠基本微物理參數(shù)特別是氣溶膠吸收系數(shù)的時(shí)空變化差異很大，因此，許多研究人員對(duì)氣溶膠粒子吸收系數(shù)的測(cè)量方法進(jìn)行了研究。目前，直接測(cè)量氣溶膠吸收特性的方法還不多，對(duì)于氣溶膠粒子吸收的測(cè)量，是一個(gè)重要而又很難解決的問(wèn)題。因此研究測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的方法是一項(xiàng)很有意義和迫切需要的工作。氣溶膠粒子對(duì)光的吸收系數(shù)很小，典型值為10 _3 10_6 πΓ1，它對(duì)光吸收的同時(shí)總伴有對(duì)光的散射，測(cè)量時(shí)一般不能很好地消除散射 的影響，導(dǎo)致準(zhǔn)確測(cè)量氣溶膠粒子對(duì)光的吸收系數(shù)極其困難。目前，關(guān)于氣溶膠對(duì)光的吸收及折射率虛部的測(cè)量已有很多報(bào)道，對(duì)氣溶膠吸收系數(shù)的測(cè)量方法可以簡(jiǎn)單概括為三類(1)測(cè)量氣溶膠粒子吸收光的能量后產(chǎn)生的聲波來(lái)確定粒子的吸收系數(shù)即光聲光譜法。當(dāng)氣溶膠受到調(diào)制或脈沖光照射時(shí)，氣溶膠粒子吸收光產(chǎn)生熱，熱量傳給空氣，從而產(chǎn)生聲波。麥克風(fēng)輸出的電壓與聲壓成正比，聲壓與氣體吸收的熱量成比例，即間接與光吸收系數(shù)成比例。散射光不產(chǎn)生熱量，它對(duì)聲波的產(chǎn)生沒(méi)有影響，所以光聲法很成功地消除了散射光對(duì)光吸收系數(shù)測(cè)量的影響。光聲法系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但受腔的熱損耗、粒子的濕度等因素的影響較大。(2)測(cè)量直接采樣得到的氣溶膠粒子樣品的吸收系數(shù)，如積分片法和采樣光度計(jì)法。以采樣光度計(jì)法為例，采樣光度計(jì)(Sampling Photometer)用濾膜采集大氣氣溶膠粒子,并用光纖傳感器監(jiān)測(cè)濾膜的反射光。隨著濾膜上大氣氣溶膠粒子的增多，反射光強(qiáng)逐漸減弱。大氣氣溶膠粒子的吸收系數(shù)σ a由公式給出ο a= (Area/Vol) · In (Rf0/Rf) · C式中Area為濾膜面積，Vol為采集空氣的體積(m3) ,Rftl為第i個(gè)周期濾膜的反射光強(qiáng)，Rf為第i+1個(gè)周期濾膜的反射光強(qiáng)，C為校正系數(shù)。這一測(cè)量方法是基于激光傳輸理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)激光傳輸理論對(duì)于沉積在漫反射基片上的吸收粒子，激光傳輸僅對(duì)吸收敏感。在漫反射基片上聚集的粒子隨時(shí)間的增加而增加，信號(hào)光的衰減與聚集粒子的厚度成正比，即光的衰減是氣溶膠粒子累積吸收的結(jié)果。通過(guò)信號(hào)光和參考光以及對(duì)氣流速度的分析便可得到吸收系數(shù)。由于該方法在測(cè)量中改變了氣溶膠粒子的自然懸浮狀態(tài)，濾膜收集到的粒子的光學(xué)特性可能與實(shí)際大氣中情況有所不同。還有，該方法忽略了多次散射效應(yīng)和后向散射以及一些界面反射等的影響，這些都可能會(huì)造成較大的測(cè)量誤差。(3)碳元素法。測(cè)量碳元素，因?yàn)樵靥际谴髿鈿馊苣z中的主要吸光物質(zhì)，所以可通過(guò)測(cè)量氣溶膠中元素碳的含量來(lái)研究氣溶膠的吸收特性和吸收系數(shù)，而元素碳濃度法需要對(duì)氣溶膠元素碳濃度的精確測(cè)量，需要知道元素碳的質(zhì)量吸收效率并確定元素碳是被測(cè)氣溶膠中唯一有意義的吸收成分。本發(fā)明利用光-熱法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的測(cè)量方法，基于光與粒子相互作用，粒子吸收光產(chǎn)生熱效應(yīng)，粒子散射光不產(chǎn)生熱量等特點(diǎn)，某一波長(zhǎng)的光在充滿氣溶膠的絕熱玻璃管中傳輸，氣溶膠粒子對(duì)光的吸收效應(yīng)可以通過(guò)玻璃管內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量得到；本發(fā)明直接測(cè)量粒子對(duì)光的吸收效應(yīng)，測(cè)量過(guò)程中不改變粒子的懸浮狀態(tài)，測(cè)量中有效扣除了空氣分子吸收的干擾，可以對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有大氣氣溶膠吸收系數(shù)測(cè)量技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)巧妙、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可以實(shí)時(shí)測(cè)量的新方法。本發(fā)明的方法可以有效測(cè)量多種大氣氣溶膠吸收系數(shù)，具有原理簡(jiǎn)單、操作方便、檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是利用光-熱法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的新方法，其特征在于包括絕熱玻璃管，所述的玻璃管內(nèi)外壁間有一真空帶，玻璃管被一個(gè)真空絕熱箱包圍，玻璃管設(shè)有氣溶膠入口、出口和光束入口，所述氣溶膠入、出口分別位于玻璃管的兩端且均垂直于玻璃管，氣溶膠入口設(shè)有氣閥和過(guò)濾器，氣溶`膠出口設(shè)有抽氣泵；所述玻璃管的兩端分別設(shè)有一個(gè)凹面鏡，玻璃管的其中一端作為光束入口，光束入口設(shè)有激光器作為光源，激光器與光束入口之間的光路上設(shè)有平行光管、分光鏡，激光器發(fā)射出的光束經(jīng)過(guò)平行光管使光束準(zhǔn)直，再通過(guò)分光鏡產(chǎn)生兩束準(zhǔn)直光束，分別作為參考光和入射光；所述的參考光全部能量進(jìn)入光電探測(cè)器，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，所述的玻璃管內(nèi)放置高靈敏度的溫度傳感器，所述的入射光進(jìn)入玻璃管并在玻璃管內(nèi)與氣溶膠粒子相互作用，使周圍溫度產(chǎn)生微小變化，光電探測(cè)器、溫度傳感器的電信號(hào)輸出端接入帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，單片機(jī)還控制連接激光器、氣閥、抽氣泵，單片機(jī)通過(guò)連接的USB接口連接計(jì)算機(jī)，具體測(cè)量過(guò)程包括以下步驟(I)在玻璃管的氣溶膠入口裝上過(guò)濾器，讓波長(zhǎng)為λ的入射光進(jìn)入玻璃管，通過(guò)沒(méi)有氣溶膠的干凈大氣傳輸，并記錄溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化信息T1，同時(shí)波長(zhǎng)為λ的參考光直接進(jìn)入光電探測(cè)器，記錄光電探測(cè)器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)I1，把信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制調(diào)整激光器電源，使光電探測(cè)器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)一直穩(wěn)定在I1處，確保入射光的穩(wěn)定;(2)拿掉玻璃管的氣溶膠入口的過(guò)濾器，讓氣溶膠均勻進(jìn)入玻璃管內(nèi)，開啟玻璃管的氣溶膠出口的抽氣泵，使氣溶膠粒子在玻璃管內(nèi)均勻分布，然后關(guān)閉抽氣泵和氣溶膠入口的氣閥，開啟入射光電源，讓激光穿過(guò)待測(cè)大氣氣溶膠，激光與粒子相互作用，氣溶膠粒子的散射光透光玻璃管壁消耗在真空絕熱箱中，氣溶膠粒子的吸收轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)使玻璃管內(nèi)的溫度升高，并記錄溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化信息T2 ；(3)步驟(1)、(2)中，溫度傳感器檢測(cè)到的溫度變化分別轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后接入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件建立了氣溶膠吸收系數(shù)測(cè)量公式
權(quán)利要求
1.利用光-熱法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的新方法，其特征在于包括絕熱玻璃管，所述的玻璃管內(nèi)外壁間有一真空帶，玻璃管被一個(gè)真空絕熱箱包圍，玻璃管設(shè)有氣溶膠入口、 出口和光束入口，所述氣溶膠入、出口分別位于玻璃管的兩端且均垂直于玻璃管，氣溶膠入口設(shè)有氣閥和過(guò)濾器，氣溶膠出口設(shè)有抽氣泵；所述玻璃管的兩端分別設(shè)有一個(gè)凹面鏡，玻璃管的其中一端作為光束入口，光束入口設(shè)有激光器作為光源，激光器與光束入口之間的光路上設(shè)有平行光管、分光鏡，激光器發(fā)射出的光束經(jīng)過(guò)平行光管使光束準(zhǔn)直，再通過(guò)分光鏡產(chǎn)生兩束準(zhǔn)直光束，分別作為參考光和入射光；所述的參考光全部能量進(jìn)入光電探測(cè)器， 轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，所述的玻璃管內(nèi)放置高靈敏度的溫度傳感器，所述的入射光進(jìn)入玻璃管并在玻璃管內(nèi)與氣溶膠粒子相互作用，使周圍溫度產(chǎn)生微小變化，光電探測(cè)器、溫度傳感器的電信號(hào)輸出端接入帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，單片機(jī)還控制連接激光器、氣閥、抽氣泵， 單片機(jī)通過(guò)連接的USB接口連接計(jì)算機(jī)，具體測(cè)量過(guò)程包括以下步驟(I)在玻璃管的氣溶膠入口裝上過(guò)濾器，讓波長(zhǎng)為λ的入射光進(jìn)入玻璃管，通過(guò)沒(méi)有氣溶膠的干凈大氣傳輸，并記錄溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化信息T1，同時(shí)波長(zhǎng)為λ的參考光直接進(jìn)入光電探測(cè)器，記錄光電探測(cè)器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)I1，把信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制調(diào)整激光器電源，使光電探測(cè)器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)一直穩(wěn)定在I1處，確保入射光的穩(wěn)(2)拿掉玻璃管的氣溶膠入口的過(guò)濾器，讓氣溶膠均勻進(jìn)入玻璃管內(nèi)，開啟玻璃管的氣溶膠出口的抽氣泵，使氣溶膠粒子在玻璃管內(nèi)均勻分布，然后關(guān)閉抽氣泵和氣溶膠入口的氣閥，開啟入射光電源，讓激光穿過(guò)待測(cè)大氣氣溶膠，激光與粒子相互作用，氣溶膠粒子的散射光透光玻璃管壁消耗在真空絕熱箱中，氣溶膠粒子的吸收轉(zhuǎn)化為分子熱運(yùn)動(dòng)使玻璃管內(nèi)的溫度升高，并記錄溫度傳感器檢測(cè)的溫度變化信息T2 ；(3 )步驟(I )、( 2 )中，溫度傳感器檢測(cè)到的溫度變化分別轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后接入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)部軟件建立了氣溶膠吸收系數(shù)測(cè)量公式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光-熱法測(cè)量大氣氣溶膠吸收系數(shù)的新方法，基于光與粒子相互作用，粒子吸收光產(chǎn)生熱效應(yīng)，粒子散射光不產(chǎn)生熱量等特點(diǎn)，某一波長(zhǎng)的光在充滿氣溶膠的絕熱玻璃管中傳輸，氣溶膠粒子對(duì)光的吸收效應(yīng)可以通過(guò)玻璃管內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量得到；本發(fā)明直接測(cè)量粒子對(duì)光的吸收效應(yīng)，測(cè)量過(guò)程中不改變粒子的懸浮狀態(tài)，測(cè)量中有效扣除了空氣分子吸收的干擾，可以對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，為氣象環(huán)保部門的定量化監(jiān)測(cè)，為研究氣溶膠的微物理特性，都展示了很好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/31GK103048285SQ201210570579
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者李學(xué)彬, 宮純文, 朱文越, 高亦橋, 徐青山, 魏合理 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所