[发明专利]一种基于LED光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统有效

专利信息
申请号: 201811049114.X 申请日: 2018-09-10
公开(公告)号: CN108931489B 公开(公告)日: 2020-12-22
发明(设计)人: 周斌;王珊珊;郭艳林 申请(专利权)人: 复旦大学
主分类号: G01N21/31 分类号: G01N21/31
代理公司: 上海正旦专利代理有限公司 31200 代理人: 陆飞;陆尤
地址: 200433 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 led 光源 测量 大气 中乙二醛 浓度 吸收光谱 系统
【说明书】:

发明属于光学测量技术领域,具体为一种基于LED光源测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。本发明系统由LED灯、平面反射镜、主凹面镜、角反射镜、次镜、光纤、光谱仪以及电脑等构成。LED灯在平面镜产生的虚像位于主凹面镜焦点附近,光束经主凹面镜准直后进入到大气中,经一段距离传输后到达角反射镜,光束被沿原路反射回主凹面镜,再由次镜聚焦后汇聚到光纤中,通过光谱仪分光及光电转换后得到吸收光谱信息;使用最小二乘法对光谱进行解析,将标定后的NO2标准吸收光谱作为乙二醛反演的拟合项,以降低NO2对乙二醛分析的干扰,从而达到对大气中乙二醛浓度的精准测量。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域,具体涉及一种测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。

背景技术

乙二醛是一种存在于大气中的最小α二羰基物质,主要来源于生物质燃烧的直接排放以及挥发性有机物(VOCs)与OH自由基的氧化反应,氧化过程中还伴随着臭氧的产生。该物质的大气寿命仅为几个小时,随后又将通过与OH自由基氧化以及气溶胶表面的非均相反应进行去除,因此该物质对于大气氧化性和二次有机气溶胶形成的研究极其重要。

对于该物质的测量主要集中在色谱、质谱以及光谱技术,其中气相和液相色谱对于样品的前处理过程较为繁琐,且不能快速、实时在线测量;质谱技术对于机械真空度以及高压电源等方面要求较高,极大的增加了科研成本以及操作难度;用于测量乙二醛的光谱类技术主要为激光诱导荧光光谱(LIF)、非相干宽带光源腔增强吸收光谱(IBBCEAS)和长光程差分光学吸收光谱(LP-DOAS)。其中LIF对于真空要求较高,和质谱技术存在同样的弊端;IBBCEAS的光路调节十分精细,温度及机械振动都将影响最终的测量效果,对于仪器的维护要求过高,气体通过管路导入仪器内部也将对测量结果造成一定误差;LP-DOAS能够在不影响大气任何状态的条件下,对其进行实时在线测量,且机械结构较为简单,成本较低,操作和维护十分方便。

LP-DOAS的光源通常为氙灯,但由于氙灯的发射光谱在乙二醛吸收较强的波段(455nm附近)存在明显的光谱结构,且该结构会随着温度和电压等因素发生改变,极大的干扰了乙二醛的反演,本发明利用LED(发光二极管)灯作为光源,由于LED光源本身光谱平滑,没有尖锐的发射峰,因此,光谱本身对乙二醛的测量不造成干扰,大幅度提高了测量精度。本发明通过将LED灯直接置于光路中,通过添加一组散热装置保证其稳定工作,极大程度的提高了光能利用率。

由于乙二醛和NO2在455nm波段均有吸收,而NO2的大气浓度和吸收截面较高,且网上公开的吸收截面[1]由于仪器传递函数的差异将对乙二醛的反演造成极大干扰,本发明使用标定后的NO2标准吸收光谱作为最小二乘法的拟合项,有效地降低了这一干扰。

发明内容

本发明旨在弥补现有技术的不足,提供一种精度高、能耗低的用于测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统。

本发明提供的用于测量大气中乙二醛浓度的差分吸收光谱系统,是基于LED光源的,即将低能耗、高转化功率的LED灯系统置于光路中,减小散热装置的尺寸,在最低限度影响光路传播的情况下,提高返回光强,增加信噪比;通过标定实验获取干扰物质NO2的标准吸收谱,结合最小二乘法实现对乙二醛的准确反演,从而精确测量大气中乙二醛浓度。

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