[发明专利]光声吸收池及大气颗粒物多光学参数在线测量装置

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种同步在线测量大气颗粒物多个光学参数的装置，该装置利用光声光谱技术和弱光信号探测技术分别测量颗粒物的光吸收和散射信号，直接获取其吸收系数和散射系数，进而得到颗粒物的消光系数和单次散射反照率信息，实现颗粒物多光学参数的同步在线测量。

背景技术

大气颗粒物，是指悬浮在大气中的直径在0.001～100微米的液体或固体微粒体系，是大气环境中组成复杂、危害较大的污染物之一。大气颗粒物通过吸收和散射(二者之和为消光)太阳辐射直接影响地球大气辐射平衡，从而改变局部天气和全球气候。单次散射反照率为大气颗粒物散射系数与消光系数之比，它直接反映了大气颗粒物的吸收或散射太阳辐射的能力。

大气颗粒物吸收系数的获取可以通过将颗粒物沉积在过滤介质上测量，也可以在保持其自然悬浮的状态下测量。前一种方法由于技术简单、价格低廉、对气体的吸收不敏感等优点在较长的时间内受到关注，并且发展出了一批商业化的产品，如测碳仪(aethalometer)、粒子烟灰吸收光度计(particle soot absorption photomerer，PSAP)、和多角度吸收光度计(multi-angle absorption photometer，MAAP)等，然而这一技术由于改变了颗粒物的自然悬浮状态，会造成粒子光学特性的改变，并且由于过滤介质的多重散射和粒子形态的改变而引起的潜在吸收增强，使系统测量结果的准确性大大降低，同时给系统的标定带来了一定的困难。在自然悬浮状态下测量大气颗粒物吸收系数的技术，主要包括折射率技术、白炽技术、光声光谱技术，前两种技术分别由于对外部震动敏感、高温改变粒子成分等原因使得他们的在实际大气环境中的应用受到很大的限制。

2001年，Meinrat在《自然》上撰文指出，基于光声原理的光声光谱仪是测量大气颗粒物光吸收系数误差相对较小的仪器，原因在于它是直接测量悬浮在空气中的颗粒物粒子而不改变其自然悬浮状态。由于光声光谱测量的是样品吸收光能产生的声压大小，因而反射光、散射光等对测量结果的干扰较小，该技术成为测量大气颗粒物吸收系数的理想方法。

对于散射测量来说，目前市场上广泛使用的是前向散射能见度仪和积分浊度计。能见度仪是以测量大气颗粒物的散射系数来获取大气能见度的仪器，其理论主要是基于大气透过率的相关研究。然而，由于受下垫面散射光及太阳背景光的影响，能见度仪的测量及安装环境也受到一定的限制。为获得大气颗粒物的总散射系数，Beuttell和Brewer于1941年首先研究并设计出第一台积分浊度计。最初，该设备用于战时军事行动中夜间水平能见度的测量，随着光学测量及电子技术的发展，特别是经过Crosby等学者所做的较大的技术改进，并开发了多波长浊度计之后，它已被广泛用于评估大气颗粒物直接引起的气候效应的测量研究。

通过以上的讨论可以看出，目前针对大气颗粒物吸收和散射的测量大多是采用不同的仪器分别独立进行的，因此颗粒物的采样存在时间和空间上的不均匀性，由此获得的单次散射反照率参数具有较大的不确定性。同时，多套设备的使用也较大的增加了经济成本。因此，研发吸收、散射或者消光同时测量的监测设备是大气颗粒物光学特性测量技术的发展趋势。

发明内容

本发明主要用来实现大气颗粒物的吸收系数和散射系数同步实时测量，提供一种准确获取大气颗粒物消光系数和单次散射反照率的新手段。吸收系数的测量基于光声光谱技术，利用大气颗粒物吸收入射激光在光声吸收池共振腔内产生的光声信号结合吸收系数的标定结果获得大气颗粒物的吸收系数；散射系数通过光声吸收池内安装的光电探测器测量得到的散射光强获取；以上二者之和即为大气颗粒物的消光系数，散射系数与消光系数之比即为大气颗粒物的单次散射反照率。本发明可以避免多台套设备测量时样品的时空差异带来的测量误差或者消光、散射同步测量时传递误差造成的吸收系数测量不准确，有效提高了大气颗粒物光学参数的测量准确性和实时性，降低了测量所需的设备成本。

本发明的技术方案

一种光声吸收池，包括共振腔，共振腔的左右两侧各设置有一个配合体，其特征在于：所述的共振腔为U型圆柱体形状，所述的U型圆柱体形状的共振腔竖直部分的两个端口分别安装扬声器和麦克风，水平部分的中间位置安装有光电倍增管，所述的光电倍增管的光敏面位于U型圆柱体形状的共振腔的水平部分；所述的配合体包括缓冲腔，所述的缓冲腔通过管道与U型圆柱体形状的共振腔的水平部分水平连接，所述的缓冲腔上还连接有声过滤腔以及样品口。