[发明专利]基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法

说明书

本发明属于光电检测领域，提供了基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法，包括氙灯、望远镜、透明气体室、单色仪、光电探测器、光谱仪、光子采集器、激光器和计算机；望远镜与透明气体室一体连接，透明气体室的顶部设有进气阀，透明气体室底部设有放气阀，放气阀与导气管相连接，导气管的出口安装有高压喷头，高压喷头接入到加热玻璃管中，加热玻璃管与抽气机相连接；激光器的发射端面向加热玻璃管设置，光子采集器的探头面向激光在加热玻璃管上的照射点设置，本发明将DOAS与LIBS技术结合，既能测量气体污染物的成分与浓度，同时又能对污染物中的重金属元素实现定性和定量分析，对研究大气污染和防治有着十分重要的意义。

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体的是基于DOAS和LIBS技术的大气分析检测系统和检测方法。

背景技术

差分吸收光谱技术(DOAS)：

差分吸收光谱技术是一种光谱监测技术，其基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。该方法是利用光线在大气中传输时，大气中各种气体分子在不同的波段对其有不同的差分吸收的特性来反演这些微量气体在大气中的浓度。在紫外和近紫外附近，分子的吸收光谱主要是由分子和原子的电子跃迁引起的，该吸收光谱包括慢变的宽带吸收和快变的窄带吸收，去除宽带吸收剩下的窄带吸收后，通常称这个窄带吸收为差分吸收，对应的吸收截面为差分吸收截面。通过比较被测气体的差分吸收光谱和差分吸收截面，利用最小二乘法进行数据拟合，就可以计算出被测气体的浓度，大大地减小了仪器噪声和其它气体对测量结果的影响，使得测量精度和测量下限都有很大的提高。经过一段时间的发展，目前已渐渐成为进行大气污染模式研究和大气污染监测的常用方法之一。

DOAS技术的监测范围很广，所测得的气体浓度是几百米到几公里长的光路上的气体浓度的平均值，可以消除某些污染排放源对测量的干扰，使得测量结构更具代表性。同时，由于该方法是非接触性测量，因而可以避免一些误差源的影响，如监测对象的化学变化、采样器壁的吸附损失等，这特别适合于测量一些性质比较活泼的气体分子和离子的质量浓度。DOAS技术测量周期短，响应快，并且一台装置可同时测量几种不同气体的质量浓度, 这对研究大气化学变化和污染物之间相互转化规律有着非常重要的意义。同时其采用的光学仪器较稳定，维护量小且运行费用低。该技术对光谱反演算法中剩余光谱成分的分析，在揭示空气中尚未发现的成分方面有很大的潜力。最早的时候DOAS技术专门用于城市、地下通道、工业矿区的有害气体的监测。随着应用范围的不断扩大，DOAS也已经在烟气排放监测领域，发电厂，造纸厂等污染源排放集中的地方得到广泛应用。

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)：

激光诱导击穿光谱技术是一种新型的物质成分检测与分析技术，它利用激光聚焦在测试位点激发产生等离子体而发光，在激光脉冲作用结束之后,所形成的等离子体伴随着温度的降低不断膨胀。在冷却过程中，处于激发态的原子与离子发生向低能级或基态的跃迁,同时发射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度分布代表了分析对象所包含的元素种类和浓度信息，通过分析谱图中元素对应的特征峰强度实现对样品的定性以及定量分析。与传统的元素分析技术相比，LIBS具备许多独特的优点，如样品预处理简单或无需预处理；适合于各种形态物质的分析；激光激发样品无二次污染；近似于无损检测；可进行快速实时现场分析；能够完成表面和逐层原位检测；可以实现非接触式远距离探测；能够应对恶劣环境下的在线分析；仪器操作简单方便等。随着激光技术的发展，LIBS的应用研究日趋成熟，已广泛的应用于冶金工业、地质分析、环境监测、生物医学等领域，特别是在重金属的检测方面，LIBS已经成为一种极具应用前景的物质成分检测技术。

如何把两个技术进行结合设计出一套集差分吸收光谱技术(DOAS)与激光诱导击穿光谱技术(LIBS)于一体，是一套具有高精准度高分辨率的针对大气污染物中气体成分和重金属元素的在线分析检测系统，对大气中污染物的分析更为全面和具体，以达到实时稳定的连贯性分析的目的，是当前需要做的事情。

发明内容