[发明专利]三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪及测量方法

权利要求书

1.三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：包括光学测量腔室，光学测量腔室内壁涂以无光黑漆；光学测量腔室的中间为散射腔(8)，散射腔顶端安装有基于LED的积分球光源(7)；散射腔左、右侧壁分别开有锥形透光孔(20、21)，散射腔左、右两侧的光学测量腔室内分别安装有数个光阑(19、20、21、22、23、24)，光学测量腔室的左、右侧壁上分别安装有光阱(9)、单光子光电探测器(11)；散射腔右侧光路的光阑外安装有可打开与闭合的散射快门(10、28、29、30)，光学测量腔室左右两端(26、27)设有标准气体和零气进气接口，光学测量腔室中部有样气进气端口(17)和出气端口(18)，通过采样泵(13)从出光学测量腔室的出气端口抽气，样气从进气端口进入光学测量腔室；标准气体气路中安装有标气电磁阀(5)；零气进气气路中依次安装有粗过滤器(3)、零气泵(4)，标准气体气路、零气进气气路同时汇入精细过滤器(6)后接入到所述的标准气体和零气进气接口；积分球光源发出的光照射到散射腔内的样气中大气溶胶颗粒上产生的散射光一部分经过散射腔左侧的锥形透光孔、光阑到达光阱使得散射光偏离单光子光电探测器，散射光另一部分经过散射腔右侧的锥形透光孔光阑到达单光子光电探测器，单光子光电探测器将接收到的信号转换为电信号后送至微处理器(15)进行计数、处理并控制，并将测量和计算结果输送至触摸屏(16)显示。

2.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的精细过滤器去除0.1um以上粒子的效率为99.5％；散射快门由旋转电磁铁10、前端有圆孔的转臂30、毛玻璃28及衰减片29组成；光学测量腔室材料为阳极氧化铝。

3.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的积分球光源，从积分球出光口(33)出射的光强满足朗伯分布；积分球三个侧面(S1、S2、S3)分别安装红、绿、蓝三波段LED光源，波长分别选为630nm的红光、520nm的绿光及450nm的蓝光。

4.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的积分球光源的散射角为10°-170°。

5.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：样气进气端口(17)和出气端口(18)分别连通于样气进气气路、样气出气气路，样气进气气路、样气出气气路中的气管均采用黑色硅胶管；样气出气气路中排气管的末端连有采样泵。

6.根据权利要求1所述的三波段积分式大气气溶胶粒子散射系数测量仪，其特征在于：所述的微处理器主要由CPLD与C8052单片机组成，CPLD主要功能是：根据单片机提供的光源时序对某一段时间内的光子进行计数，并将计数结果输送给单片机；单片机的主要功能是：1)负责将CPLD提供的光子数进行实时计算；2)产生PWM时序信号控制光源亮灭；3)实时采集温湿度传感器和压力传感器的数据；4)控制电磁阀、电磁铁、采样泵、零气泵及加热片的开关；5)将数据输送给单片机以显示并接受单片机的触摸指令从而控制其它部件进行相应的工作。

7.利用权利要求1所述的测量仪进行大气气溶胶粒子散射系数测量的方法，其特征在于，包括校准步骤和测量步骤：

一、校准步骤如下：

(1)标气校准：让已知散射系数的标准气体进入光学测量腔室，分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数C_m和参比计数C_sh，计算它们的比值得到标气的测量比MR_span＝C_m/C_sh；

(2)零气校准：通过隔膜泵将过滤后的空气(零气)抽入到光学测量腔室，分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数C_m′和参比计数C_sh′，计算它们的比值得到零气的测量比MR_zero＝C_m′/C′_sh；

(3)根据标气和零气的测量比及它们各自的散射系数值，绘制测量比与散射系数之间关系的校准曲线，由校准曲线得到其斜率k和截距b；

(4)计算标气或零气的校准稳定度：校准稳定度计算公式为S＝100×(1-2s/x)；其中x，s分别为校准气体测量比值样本的平均值和标准差；

(5)计算光学测量腔室的器壁信号：器壁信号计算公式为W＝100×(b/MR_zero)，其中b为校准曲线的截距，MR_zero为零气的测量比值；

二、测量步骤如下：

(1)样气被抽入光学测量腔室，通过采样泵从出气口排除；

(2)积分球光源照射散射腔内的样气；

(3)样气中的气体和大气溶胶颗粒成分引起光散射；

(4)散射光经过光学测量腔室中的光阑让光进入散射角为10°-170°(图4)之间的锥形区域，最终达到单光子光电探测器，多次散射光不能进入单光子光电探测器；

(5)单光子光电探测器产生的电信号是与入射光强成比例的，因此，单光子光电探测器产生的电信号与样气的散射系数成比例；

(6)分别测量在散射快门开启和关闭状态下的单光子光电探测器的测量计数C_m和参比计数C_sh，得到测量比MR_sample＝C_m/C_sh；

(7)根据校准过程得到的校准曲线计算气溶胶颗粒物散射系数：

对于任一环境样品，当测量比为MR时，可通过下式计算得到气溶胶颗粒物散射系数σ_sp，单位为Mm^-1。

σsp=σscat-σscat(Z)=(MR-b×10-3)k×10-3-σscat(Z),]]>

其中，b为校准曲线的截距，k为校准曲线的斜率。