[發明專利]光聲吸收池及大氣顆粒物多光學參數在線測量裝置

在審

• 申請號: 201710095118.0
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106644942A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 劉強;朱文越;曹振松;黃印博;都小凡;李學彬
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/17;G01N15/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112
• 代理人: 張巧

技術領域

本發明屬于光學領域，具體涉及一種同步在線測量大氣顆粒物多個光學參數的裝置，該裝置利用光聲光譜技術和弱光信號探測技術分別測量顆粒物的光吸收和散射信號，直接獲取其吸收系數和散射系數，進而得到顆粒物的消光系數和單次散射反照率信息，實現顆粒物多光學參數的同步在線測量。

背景技術

大氣顆粒物，是指懸浮在大氣中的直徑在0.001～100微米的液體或固體微粒體系，是大氣環境中組成復雜、危害較大的污染物之一。大氣顆粒物通過吸收和散射(二者之和為消光)太陽輻射直接影響地球大氣輻射平衡，從而改變局部天氣和全球氣候。單次散射反照率為大氣顆粒物散射系數與消光系數之比，它直接反映了大氣顆粒物的吸收或散射太陽輻射的能力。

大氣顆粒物吸收系數的獲取可以通過將顆粒物沉積在過濾介質上測量，也可以在保持其自然懸浮的狀態下測量。前一種方法由于技術簡單、價格低廉、對氣體的吸收不敏感等優點在較長的時間內受到關注，并且發展出了一批商業化的產品，如測碳儀(aethalometer)、粒子煙灰吸收光度計(particle soot absorption photomerer，PSAP)、和多角度吸收光度計(multi-angle absorption photometer，MAAP)等，然而這一技術由于改變了顆粒物的自然懸浮狀態，會造成粒子光學特性的改變，并且由于過濾介質的多重散射和粒子形態的改變而引起的潛在吸收增強，使系統測量結果的準確性大大降低，同時給系統的標定帶來了一定的困難。在自然懸浮狀態下測量大氣顆粒物吸收系數的技術，主要包括折射率技術、白熾技術、光聲光譜技術，前兩種技術分別由于對外部震動敏感、高溫改變粒子成分等原因使得他們的在實際大氣環境中的應用受到很大的限制。

2001年，Meinrat在《自然》上撰文指出，基于光聲原理的光聲光譜儀是測量大氣顆粒物光吸收系數誤差相對較小的儀器，原因在于它是直接測量懸浮在空氣中的顆粒物粒子而不改變其自然懸浮狀態。由于光聲光譜測量的是樣品吸收光能產生的聲壓大小，因而反射光、散射光等對測量結果的干擾較小，該技術成為測量大氣顆粒物吸收系數的理想方法。

對于散射測量來說，目前市場上廣泛使用的是前向散射能見度儀和積分濁度計。能見度儀是以測量大氣顆粒物的散射系數來獲取大氣能見度的儀器，其理論主要是基于大氣透過率的相關研究。然而，由于受下墊面散射光及太陽背景光的影響，能見度儀的測量及安裝環境也受到一定的限制。為獲得大氣顆粒物的總散射系數，Beuttell和Brewer于1941年首先研究并設計出第一臺積分濁度計。最初，該設備用于戰時軍事行動中夜間水平能見度的測量，隨著光學測量及電子技術的發展，特別是經過Crosby等學者所做的較大的技術改進，并開發了多波長濁度計之后，它已被廣泛用于評估大氣顆粒物直接引起的氣候效應的測量研究。

通過以上的討論可以看出，目前針對大氣顆粒物吸收和散射的測量大多是采用不同的儀器分別獨立進行的，因此顆粒物的采樣存在時間和空間上的不均勻性，由此獲得的單次散射反照率參數具有較大的不確定性。同時，多套設備的使用也較大的增加了經濟成本。因此，研發吸收、散射或者消光同時測量的監測設備是大氣顆粒物光學特性測量技術的發展趨勢。

發明內容

本發明主要用來實現大氣顆粒物的吸收系數和散射系數同步實時測量，提供一種準確獲取大氣顆粒物消光系數和單次散射反照率的新手段。吸收系數的測量基于光聲光譜技術，利用大氣顆粒物吸收入射激光在光聲吸收池共振腔內產生的光聲信號結合吸收系數的標定結果獲得大氣顆粒物的吸收系數；散射系數通過光聲吸收池內安裝的光電探測器測量得到的散射光強獲取；以上二者之和即為大氣顆粒物的消光系數，散射系數與消光系數之比即為大氣顆粒物的單次散射反照率。本發明可以避免多臺套設備測量時樣品的時空差異帶來的測量誤差或者消光、散射同步測量時傳遞誤差造成的吸收系數測量不準確，有效提高了大氣顆粒物光學參數的測量準確性和實時性，降低了測量所需的設備成本。

本發明的技術方案

一種光聲吸收池，包括共振腔，共振腔的左右兩側各設置有一個配合體，其特征在于：所述的共振腔為U型圓柱體形狀，所述的U型圓柱體形狀的共振腔豎直部分的兩個端口分別安裝揚聲器和麥克風，水平部分的中間位置安裝有光電倍增管，所述的光電倍增管的光敏面位于U型圓柱體形狀的共振腔的水平部分；所述的配合體包括緩沖腔，所述的緩沖腔通過管道與U型圓柱體形狀的共振腔的水平部分水平連接，所述的緩沖腔上還連接有聲過濾腔以及樣品口。