基于光声光谱技术气溶胶光吸收系数在线检测装置的研究

发布时间：2017-10-29 00:07

  本文关键词：基于光声光谱技术气溶胶光吸收系数在线检测装置的研究

  更多相关文章： 光声光谱 大气气溶胶 吸收系数 溯源 小型化

【摘要】：大气气溶胶粒子作为地球-大气系统的重要组成部分,由于其散射太阳辐射、吸收地球辐射及其和云之间的相互作用对气候及辐射产生显著影响。同时,气溶胶也是环境监测的重要对象,是雾霾的关键成因,雾霾严重影响环境能见度。气候强迫和能见度主要取决于气溶胶的光学特性。因此,对大气气溶胶的光学吸收特性的精确测量具有非常重要的意义。光声光谱技术是一种新型的痕量气体检测法,因其可直接在线检测自然悬浮状态的气溶胶粒子,无需对粒子进行分离处理,且不受粒子散射影响等优点,被公认为是研究气溶胶光吸收特性的有效方法。本文基于光声光谱技术的理论指导,研发了一台用于大气气溶胶光学吸收系数在线检测的小型化光声检测装置。通过设计高性能的光声池,在光声池达到较高Q值的同时又使其谐振频率不易受外界环境温湿度影响,免去了经常标定光声池的必要性;通过抑制检测装置的整体噪声,有效提高了检测装置的灵敏度并降低了检测极限。本文利用研制的小型化装置,首先对该检测装置进行了性能分析,给出了仪器的响应时间、检测灵敏度和检测极限,其次对该仪器进行溯源和不确定度分析,随后使用该仪器测试了人为燃烧产生黑碳气溶胶验证了该仪器测试气溶胶吸收系数的可行性;接着测试了室外大气气溶胶光吸收系数,发现出行早晚高峰过后吸收系数会增大;最后,使用该仪器和杭州市凤凰山气象站做了为期一周的对比测试,给出了En值。本论文的主要工作有:1.研发了一台用于大气气溶胶光吸收系数在线检测的小型化光声检测装置。与传统的光声系统相比:在产生激光调制信号方面,我们采用了可以发出方波信号的数据采集卡代替了函数发生器;在数据处理方面,我们使用了高速的数据采集卡结合使用上位机软件LabVIEW编写的测试程序代替了锁相放大器进行光声信号的锁相提取运算,极大地简化了系统装置,减小了系统体积,更适合现场测量及市场推广。2.本文通过设计高性能的光声池,使光声池在达到较高Q值的同时确保其谐振频率不易受环境温湿度的影响,免去了经常校准光声池的必要性。3.在噪声处理方面,本文通过对光声池两端的窗口片进行镀膜处理降低窗口片的吸收噪声,使用消声器控制气管的振动噪声,从而降低了系统整体噪声,提高系统灵敏度,降低系统检测极限。4.在装置校准方面,与传统的光声系统使用标准气体校准的方法相比,本文直接使用室内空气作为标定气体,以室内空气中的二氧化碳气体作为吸收物质校准装置。该校准方法使用的缓冲气体和实际测量大气气溶胶时的缓冲气体基本一致,结果更为真实、准确,且无需额外制备和携带标准气体。5.本文提出了基于光声光谱技术的气溶胶光吸收系数在线检测装置并给出装置的溯源体系并进行不确定度评定。
【关键词】：光声光谱 大气气溶胶 吸收系数 溯源 小型化
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X851
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 1 绪论14-19
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 大气气溶胶对气候的影响15-16
• 1.3 气溶胶来源和种类16
• 1.4 黑碳气溶胶16-17
• 1.5 论文结构和主要内容17-19
• 2 理论基础19-38
• 2.1 粒子吸收光原理19-24
• 2.1.1 小粒子的吸收和散射21-22
• 2.1.2 球形粒子的吸收和散射22-23
• 2.1.3 非球形粒子的散射和吸收23-24
• 2.2 光声效应24
• 2.2.1 光声效应的发展历程24
• 2.3 光声信号的产生24-38
• 2.3.1 热的产生24-26
• 2.3.2 声波的产生26-34
• 2.3.3 能量损失机制34-36
• 2.3.4 品质因子36-38
• 3 光声检测装置研制38-60
• 3.1 光声检测装置搭建38-40
• 3.2 关键器件选型及参数40-44
• 3.2.1 激光器选型40-41
• 3.2.2 麦克风选型41-43
• 3.2.3 数据采集卡选型43-44
• 3.3 光声池设计44-47
• 3.4 测试程序设计47-49
• 3.4.1 LabVIEW程序简介47-48
• 3.4.2 程序设计48-49
• 3.5 系统噪声分析及改进49-51
• 3.5.1 系统噪声49-51
• 3.6 分子吸附和解吸作用的影响51-52
• 3.7 光声池标定52-55
• 3.7.1 谐振频率标定53-54
• 3.7.2 池常数计算54-55
• 3.8 光声检测装置能分析55-57
• 3.8.1 光声检测装置响应时间55-56
• 3.8.2 光声检测装置的灵敏度56-57
• 3.8.3 光声检测装置的检测极限57
• 3.9 光声检测装置溯源及不确定度分析57-59
• 小结59-60
• 4 气溶胶吸收系数测试60-64
• 4.1 人为燃烧塑料产生的黑烟气溶胶测试60-61
• 4.2 大气气溶胶实测61
• 4.3 和气象站进行对比测试61-63
• 小结63-64
• 5 总结和展望64-66
• 总结64-65
• 展望65-66
• 参考文献66-70
• 作者简历70

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本文编号：1110519