專利名稱：被動差分光學(xué)吸收光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用自然光為光源的被動差分光學(xué) 吸收光譜儀。
技術(shù)背景大氣中的污染氣體，如二氧化氮、二氧化硫、臭氧、甲醛等對人們健康影響是非常明 顯的。目前，為了對它們進(jìn)行測量，常使用空氣二氧化氮、二氧化硫、臭氧自動監(jiān)測儀， 和長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置。對于自動監(jiān)測儀，在監(jiān)測時(shí)，儀器先將待測氣體 與某些物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使其處于激發(fā)態(tài)，再利用其向基態(tài)躍遷時(shí)發(fā)射光強(qiáng)度與濃度成 一定比例的關(guān)系，通過測量其發(fā)光強(qiáng)度來反演待測氣體的濃度。如二氧化氮監(jiān)測儀工作時(shí)， 先將二氧化氮轉(zhuǎn)化成一氧化氮，再讓一氧化氮與過量的臭氧反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的二氧化氮， 該激發(fā)態(tài)的二氧化氮很不穩(wěn)定，很快躍遷回基態(tài)，并發(fā)射波長范圍為600 3000nm的光， 根據(jù)測得的發(fā)射光強(qiáng)來確定一氧化氮的濃度，最后由一氧化氮濃度推算出二氧化氮濃度； 臭氧的測量原理與上面也非常類似，只不過臭氧是基于其與乙烯反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的甲醛或 乙二醇；二氧化硫是采樣紫外熒光法，儀器一般由樣品池、紫外光源、探測器構(gòu)成，監(jiān)測 時(shí)，將二氧化硫通入樣品池，然后用波長190 300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收 紫外光后躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子回到基態(tài)時(shí)，發(fā)射出峰值波長在330nm 附近的紫外熒光，該熒光強(qiáng)度與二氧化硫濃度呈線性關(guān)系，進(jìn)而再推算出二氧化硫濃度， 但這類儀器的不足之處是每種儀器只能測量一種污染物，儀器維護(hù)工作量大。對于長程差 分吸收光譜氣體污染監(jiān)測裝置，它是利用氣體分子對某些波長光的特定吸收原理工作的， 其工作過程是發(fā)射接/收望遠(yuǎn)鏡固定在一端，在距離500m左右的地方放置一角反射鏡，望 遠(yuǎn)鏡發(fā)射出去的光經(jīng)過角反射鏡反射后再被望遠(yuǎn)鏡接收，然后通過光纖將光傳輸?shù)焦庾V儀 進(jìn)行分光，光信號由探測器檢測，并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行光譜分析，反演出光路經(jīng)過區(qū)域中污 染物的濃度，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)測量多種污染物，測量區(qū)域較大，但由于設(shè)備比 較龐大，沒有辦法進(jìn)行移動測量，而且由于角反射鏡的位置限制，只能進(jìn)行固定區(qū)域的測 量，而且測量范圍被限制在地面幾十米附近，沒法進(jìn)行高空測量。目前對高空大氣進(jìn)行測量的方法主要是通過釋放探空氣球的手段，探空氣球每次攜帶 幾種測量儀器，由地面緩慢升到高空，其探測路線主要由當(dāng)時(shí)的氣象條件決定。這種方法 成本高，探測范圍受氣象因素影響較大，時(shí)間分辨率低，效率不搞。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供一種基于太陽光的 被動差分光學(xué)吸收光譜儀。所采用的技術(shù)方案包括一個(gè)光路接收裝置，該光路接收裝置由一塊凸透鏡和濾光片構(gòu) 成，工作時(shí)始終對準(zhǔn)天空方向，接收從天空方向散射下來的太陽光，不需要跟隨太陽移動； 一個(gè)光譜儀，該光譜儀由光柵、準(zhǔn)直鏡和探測器一體化組成； 一個(gè)連接光纖，該光纖是紫 外石英光纖，用于連接光路接收裝置和光譜儀；所說的光譜儀通過電纜線與控制計(jì)算機(jī)相 連，所說的計(jì)算機(jī)與GPS系統(tǒng)連接。作為技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的光路接收裝置由凸透鏡和濾光片構(gòu)成，石英光纖 的入射端在凸透鏡的焦點(diǎn)處，在凸透鏡的上方為濾光片，用于濾去太陽散射光中不需要的 部分，防止雨水、灰塵落到凸透鏡上；GPS系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，提供計(jì)算機(jī)儀器的坐標(biāo)位 置，用于對測量結(jié)果的二維實(shí)時(shí)顯示。相對于現(xiàn)有披術(shù)，本裝置是利用采集太陽天頂散射光，分析太陽光在穿越大氣層時(shí)被 大氣分子吸收情況，來反演大氣分子成分和濃度的一種光譜分析技術(shù)，由于測量光譜范圍 廣，因此可以同時(shí)測量多種大氣成分，克服了上述污染物自動監(jiān)測儀的缺點(diǎn)；由于太陽光 穿越整層大氣，因此該技術(shù)可以測量高層大氣，克服了上述長程差分吸收光譜氣體污染監(jiān) 測裝置只能對地面附近污染物進(jìn)行測量的不足之處；由于測量光譜的采集時(shí)間是5分鐘左 右，具有較高的測量時(shí)間分辨率，克服了上述探空氣球測量時(shí)測量分辨率低(一般每天測 量一次)、裝置復(fù)雜、測量成本高的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型中由GPS與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時(shí)將儀器位置坐標(biāo)傳輸給計(jì)算機(jī)，因此可以實(shí) 時(shí)對測量結(jié)果進(jìn)行二維平面分布顯示，是上述幾種測量技術(shù)所沒有的。該技術(shù)裝備結(jié)構(gòu)簡單，便于車載、船載移動，適合于對較大范圍內(nèi)的大氣環(huán)境進(jìn)行測 量，能夠獲得污染物分布的平面二維分布圖。由于在工作過程中不需要任何耗材，運(yùn)行成 本極低，適合于推廣使用。

圖1是本實(shí)用新型的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號1為光路接收裝置，2為光纖，3為光譜儀，4為電纜線，5為計(jì)算機(jī)，6 為GPS系統(tǒng)，ll為濾光片，12為凸透鏡。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖1對本實(shí)用新型的優(yōu)選方式進(jìn)行進(jìn)一步的描述。參見圖l，光路接收裝置1由內(nèi)壁涂黑的外殼、凸透鏡12和濾光片11構(gòu)成，在凸透
鏡的焦點(diǎn)處有光纖2的入射端，光纖2將光路接收裝置與光譜儀3相連，光纖2的出射端 與光譜儀3的入射狹縫連接，光譜儀3由光柵、準(zhǔn)直鏡和探測器構(gòu)成，經(jīng)電纜線4與控制 計(jì)算機(jī)5相連，GPS6與計(jì)算機(jī)相連。工作時(shí)，光駱接收裝置l對準(zhǔn)天頂方向，收集從天頂方向散射下來的太陽散射光，經(jīng) 濾光片11濾除不需要的成分，由凸透鏡12會聚在光纖2的入射端，經(jīng)過光纖2的傳輸后， 射入光譜儀3的入射狹縫，在光譜儀中經(jīng)過準(zhǔn)直、分光后由探測器檢測，光譜信號由電纜 線4傳輸?shù)接?jì)算機(jī)5進(jìn)行光譜處理，反演污染物濃度，結(jié)合GPS6提供的儀器坐標(biāo)位置， 實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果。
權(quán)利要求1、一種被動差分光學(xué)吸收光譜儀，其特征在于包括一個(gè)光路接收裝置，該光路接收裝置由一塊凸透鏡和濾光片構(gòu)成；一個(gè)光譜儀，該光譜儀由光柵、準(zhǔn)直鏡和探測器一體化組成；一個(gè)連接光纖，該光纖是紫外石英光纖，用于連接光路接收裝置和光譜儀；所說的光譜儀通過電纜線與控制計(jì)算機(jī)相連，所說的計(jì)算機(jī)與GPS系統(tǒng)連接。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于天頂散射光的被動差分光學(xué)吸收光譜儀，它由光路接收裝置、光譜儀、連接光纖、計(jì)算機(jī)和GPS系統(tǒng)組成，光譜儀由準(zhǔn)直鏡、光柵和探測器構(gòu)成，電纜線連接光譜儀和計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)最后處理測量光譜和顯示、存儲測量結(jié)果，GPS系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)相連，提供計(jì)算機(jī)儀器的坐標(biāo)位置用于二維平面顯示。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于移動，監(jiān)測范圍大，可廣泛應(yīng)用于對高層、低層以及整層大氣成分的連續(xù)測量，也可用于移動工作狀態(tài)，對城市和區(qū)域大氣環(huán)境進(jìn)行污染物二維分布研究。
文檔編號G01N21/31GK201051075SQ200720070728
公開日2008年4月23日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者斌 周, 丹 陳, 陳立民 申請人:復(fù)旦大學(xué)