專利名稱：一種氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，具體涉及一種同時測量消光系數(shù)和散射系數(shù)的氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠是指通過人為因素和自然因素進入大氣中的固體、液體微粒與氣體載體所組成的多相體系，具有時空分布廣泛、生命周期不同、空間變化巨大、化學成分復雜、光學性能特殊等特點，對區(qū)域大氣污染和全球氣候變化，以及大氣環(huán)境質(zhì)量等方面有重要影響。研究表明，大氣氣溶膠具有一定程度的氣候致冷效應(yīng)，人類活動造成的氣溶膠粒子增加所造成的氣候致冷效應(yīng)可以部分抵消人類活動造成的溫室氣體增加所引起的氣候變暖效應(yīng)；同時，氣溶膠能夠顯著影響云的形成和發(fā)展以及伴隨的降水過程，進而加劇干旱和洪澇災害。但因為氣溶膠對輻射的影響不但取決于其本身的分布，還包括氣溶膠自身的理化性質(zhì)及下墊面的光學性質(zhì)，而這些因素都有極大的時空變化率，因此，氣溶膠的氣候效應(yīng)比溫室氣體的氣候效應(yīng)要復雜的多。到目前為止，氣溶膠的氣候效應(yīng)是人類活動引起的氣候變化預測中最不確定的一個因素。1995年，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第三次評估報告指出，在眾多的氣候變化影響因子中，最不確定和有待深入認識的是氣溶膠的輻射強迫作用；2007年，IPCC第四次報告指出，對氣溶膠人為貢獻的結(jié)果會產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，氣溶膠的直接輻射強迫具有較大的不確定性，準確評估各類氣溶膠的輻射效應(yīng)對減少上述不確定性具有重要的科學意義。氣溶膠的輻 射效應(yīng)取決于氣溶膠粒子對光的吸收和散射作用，而氣溶膠粒子與光的這兩種作用又與氣溶膠的成分和粒徑有密切的關(guān)系。近年來的一些觀測研究表明，在遠離人為污染的海洋區(qū)域，氣溶膠主要源于海鹽，這種類型的氣溶膠對光的散射作用遠遠大于吸收；而在內(nèi)陸地區(qū)，氣溶膠粒子有豐富的人為源和自然源，對煤煙而言，氣溶膠的消光作用以吸收為主，而對于硫酸鹽、稍酸鹽等氣溶膠，消光作用則是以散射為主。因此，不能籠統(tǒng)的以消光系數(shù)來標定氣溶膠的輻射效應(yīng)，必須厘清消光、散射和吸收對氣溶膠輻射效應(yīng)的貢獻和影響。但長期以來，氣溶膠吸收系數(shù)的測量一直都是一個難題。激光光譜技術(shù)作為研究物質(zhì)基本特性的一種方法，被廣泛用于定性、定量分析領(lǐng)域，在冶金、電子、化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)部門都成為相當重要的分析手段。但因為氣溶膠對光同時具有散射和吸收效應(yīng)，因此，無法直接用激光吸收光譜技術(shù)獲得氣溶膠的吸收系數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能夠有效獲得氣溶膠吸收系數(shù)的測量系統(tǒng)。[0008]為了達到上述目的，本實用新型提供了一種氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，包括消光探測系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；消光探測系統(tǒng)包括半導體激光器、光隔離器、光纖分束器、波長測量裝置、光纖準直器、匹配透鏡、樣品池、聚焦透鏡和透射光探測器；半導體激光器發(fā)出的激光束依次通過光隔離器和光纖分束器后分成兩束，一束導入波長測量裝置，另一束依次通過光纖準直器、匹配透鏡、樣品池和聚焦透鏡導入透射光探測器；樣品池包括鋼管和設(shè)于鋼管兩端的平凹鏡，其中一端平凹鏡通過壓電陶瓷管與鋼管相連；控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與半導體激光器、壓電陶瓷管和透射光探測器相連；其中散射光探測系統(tǒng)包括積分球和固定在積分球上的散射光探測器；積分球設(shè)于樣品池的鋼管中間；散射光探測系統(tǒng)通過散射光探測器與控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。對本實用新型的進一步改進在于:散射光探測器為多個，分別固定在積分球的不同方向上，更加準確得得到氣溶膠光散射系數(shù)，從而利用氣溶膠消光系數(shù)與光散射系數(shù)及吸收吸收之間的關(guān)系，用光譜技術(shù)獲得氣溶膠吸收系數(shù)?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道數(shù)據(jù)采集卡、工控機、壓電陶瓷信號發(fā)生器和壓電陶瓷信號放大器；多通道數(shù)據(jù)采集卡分別與所述透射光探測器、散射光探測器和工控機相連；工控機分別與半導體激光器和壓電陶瓷信號發(fā)生器相連；壓電陶瓷信號發(fā)生器通過壓電陶瓷信號放大器與壓電陶瓷管相連。本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:同時利用光譜技術(shù)在獲取氣溶膠消光系數(shù)方面的能力和積分球探測技術(shù)在獲取氣溶膠散射系數(shù)的能力，根據(jù)氣溶膠的消光系數(shù)、吸收系數(shù)和散射系數(shù)之間的關(guān)系，在多通吸收光譜技術(shù)中巧妙引入積分球探測技術(shù)，實現(xiàn)用吸收光譜技術(shù)獲得氣溶膠的吸收系數(shù)的目的。

圖1為本實用新型氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖中，1-半導體激光器，2-光隔離器，3-光纖分束器，4-光纖準直器，5-匹配透鏡，6-樣品池，61-積分球，62-鋼管A，63-鋼管B，64-平凹鏡A，65-壓電陶瓷管，66-平凹鏡B, 7-聚焦透鏡，8-透射光探測器，9-多通道數(shù)據(jù)采集卡，10-工控機，11-壓電陶瓷發(fā)生器，12-壓電陶瓷信號放大器，13-散射光探測器A，14-散射光探測器B，15-波長探測裝置。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)進行詳細說明。本實用新型氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)包括消光探測系統(tǒng)、散射光探測系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1所示，消光探測系統(tǒng)由半導體激光器1、光隔離器2、光纖分束器3、波長測量裝置15、光纖準直器4、匹配透鏡5、樣品池6、聚焦透鏡7、透射光探測器8組成。半導體激光器I發(fā)出的激光束依次通過光隔離器2和光纖分束器3,并被光纖分束器3分成兩束,一束通過光纖跳線直接導入波長測量裝置15測量激光波長，另一束經(jīng)光纖準直器4和模式匹配透鏡5耦合到樣品池6中，透過樣品池6的光經(jīng)聚焦透鏡7后，聚焦到透射光探測器8的光敏面上。樣品池6同時也是一個穩(wěn)定的光學諧振腔，由積分球61、固定在積分球61兩側(cè)的鋼管A62、鋼管B63、固定在鋼管B63外側(cè)的壓電陶瓷管65、固定在鋼管A62外側(cè)的高反射率平凹鏡A62和固定在壓電陶瓷管65外側(cè)的高反射率平凹鏡B66組成。散射光探測系統(tǒng)由消光探測系統(tǒng)的半導體激光器1、光隔離器2、光纖分束器3、波長測量裝置15、光纖準直器4、匹配透鏡5、積分球61，以及散射光探測器A 13和散射光探測器B14組成，散射光探測器A13和散射光探測器B14固定在積分球61的不同方向上。當激光束進入樣品池6后，在積分球61內(nèi)發(fā)生散射，通過散射光探測器A 13和散射光探測器B14檢測不同方向上的散射光強度。控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括工控機10、壓電陶瓷信號發(fā)生器11、壓電陶瓷放大器12和多通道數(shù)據(jù)采集卡9。透射光探測器8和散射光探測器A13、散射光探測器B14的輸出信號經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集卡9輸入工控機10。半導體激光器I采用DFB半導體激光器，工控機10通過連接半導體激光器的溫度控制板和電流控制板控制半導體激光器I的輸出波長。工控機10控制壓電陶瓷信號發(fā)生器11發(fā)出的信號源，經(jīng)壓電陶瓷信號放大器12放大成高壓信號后加載在壓電陶瓷管65上。本實用新型氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)的測量方法和原理是:壓電陶瓷信號發(fā)生器11由工控機10控制，發(fā)出的信號經(jīng)壓電陶瓷信號放大器12放大后，以一定規(guī)律變化的高電壓施加于樣品池6中的壓電陶瓷管65上,壓電陶瓷管65在高電壓的作用下,其自身長度發(fā)生變化，進而使樣品池6的長度發(fā)生微尺度變化。安裝在工控機10上的軟件通過半導體激光器溫度控制板和(或)電流控制板，控制半導體激光器I的輸出波長，達到掃描激光波長的目的。從激光器I輸出的激光依次通過光隔離器2、光分束器3、光準直器4和匹配透鏡5，耦合到樣品池6中，因為樣品池6同時也是一個光學諧振腔，當諧振腔的腔長在壓電陶瓷管65的作用下發(fā)生微尺度變化，滿足諧振腔的腔長(Z)是激光波長(I)的整數(shù)倍(即Z= η Λ,/7=0、1、2...)時，激光即可以耦合到諧振腔(帶有積分球的樣品池6)，耦合到樣品池6的激光將在樣品池6內(nèi)多次往返，每一次往返都攜帶氣溶膠的消光信息，透過樣品池6的光信號經(jīng)聚焦透鏡7聚焦到透射光探測器8上，透射光探測器8將氣溶膠的消光信號轉(zhuǎn)化為電信號，傳入與工控機10相連的多通道數(shù)據(jù)采集卡9中，通過工控機10上的數(shù)據(jù)采集和分析程序記錄下來，通過采集不同波長下透過樣品池6的光信號強度和對應(yīng)的激光波長值(激光波長由波長測量裝置15測量)，即可得到氣溶膠的消光光譜，從消光光譜中可以獲得氣溶膠·的消光系數(shù)。在用透射光探測器8測定不同波長下透過樣品池6的光信號強度的同時，用連接在積分球61上的散射光探測器Α13和散射光探測器Β14測定不同波長下氣溶膠的散射光強度，同時也通過多通道數(shù)據(jù)采集卡9將散射光的強度通過工控機10上的數(shù)據(jù)采集和分析程序記錄下來，依此獲得氣溶膠的散射光信息，進而從散射光信息中得到氣溶膠的散射系數(shù)；最后根據(jù)氣溶膠的消光系數(shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)之間的關(guān)系，以及系統(tǒng)測得的氣溶膠消光系數(shù)和散射系數(shù)，得到氣溶膠的吸收系數(shù)。
權(quán)利要求1.一種氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，包括消光探測系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述消光探測系統(tǒng)包括半導體激光器、光隔離器、光纖分束器、波長測量裝置、光纖準直器、匹配透鏡、樣品池、聚焦透鏡和透射光探測器；所述半導體激光器發(fā)出的激光束依次通過光隔離器和光纖分束器后分成兩束，一束導入波長測量裝置，另一束依次通過光纖準直器、匹配透鏡、樣品池和聚焦透鏡導入透射光探測器；所述樣品池包括鋼管和設(shè)于鋼管兩端的平凹鏡，其中一端平凹鏡通過壓電陶瓷管與所述鋼管相連；所述控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與半導體激光器、壓電陶瓷管和透射光探測器相連；其特征在于:所述散射光探測系統(tǒng)包括積分球和固定在積分球上的散射光探測器；所述積分球設(shè)于所述樣品池的鋼管中間；所述散射光探測系統(tǒng)通過所述散射光探測器與所述控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述散射光探測器為多個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于:所述控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多通道數(shù)據(jù)采集卡、工控機、壓電陶瓷信號發(fā)生器和壓電陶瓷信號放大器；所述多通道數(shù)據(jù)采集卡分別與所述透射光探測器、散射光探測器和工控機相連；所述工控機分別與所述半導體激光器和壓電陶瓷信號發(fā)生器相連；所述壓電陶瓷信號發(fā)生器通過所述壓電陶瓷信號 放大器與所述壓電陶瓷管相連。
專利摘要本實用新型公開了一種氣溶膠吸收系數(shù)測量系統(tǒng)，包括消光探測系統(tǒng)、散射光探測系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；消光探測系統(tǒng)包括半導體激光器、光隔離器、光纖分束器、波長測量裝置、光纖準直器、匹配透鏡、樣品池、聚焦透鏡和透射光探測器；散射光探系統(tǒng)包括積分球和安裝在積分球上的散射光探測器；控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別與半導體激光器、壓電陶瓷管、散射光探測器和透射光探測器相連。本實用新型同時利用光譜技術(shù)獲取氣溶膠消光系數(shù)和積分球探測技術(shù)獲取氣溶膠散射系數(shù)，實現(xiàn)用光譜技術(shù)獲得氣溶膠吸收系數(shù)的目的。
文檔編號G01N15/00GK203101225SQ201320123060
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者裴世鑫, 崔芬萍, 孫婷婷 申請人:南京信息工程大學