一種基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于折疊腔標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo) 定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多光程折疊腔是利用氣體的光譜吸收特性測(cè)量氣體濃度的光學(xué)儀器。對(duì)于這種用 于氣體濃度測(cè)量的多光程折疊腔的標(biāo)定，目前主要是使用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行腔體標(biāo) 定，然后利用最小二乘法擬合差分吸收譜，計(jì)算痕量氣體的濃度，根據(jù)擬合殘差進(jìn)行系統(tǒng)檢 出限的估計(jì)。這種檢出限的估計(jì)是一種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的估計(jì)而不是直接的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定檢出 限。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定檢出限是通入該檢出限濃度的待測(cè)氣體，觀察測(cè)量濃度值對(duì)于待測(cè)氣體濃度 真值的相對(duì)誤差是否小于50%。這是最直接、最可信的驗(yàn)證小型多光程DOAS系統(tǒng)檢出限的 方法。事實(shí)上，直接實(shí)驗(yàn)標(biāo)定ppb量級(jí)檢出限的難度非常大：首先，它要求準(zhǔn)確地產(chǎn)生ppb 量級(jí)的標(biāo)氣；其次，由于材料吸附等問(wèn)題的存在，實(shí)際很難準(zhǔn)確地控制吸收池內(nèi)PPb量級(jí)的 痕量氣體濃度。因此，國(guó)內(nèi)外研究者在對(duì)多光程折疊腔系統(tǒng)做性能分析時(shí)都是估計(jì)系統(tǒng)檢 出限而非實(shí)驗(yàn)標(biāo)定檢出限，該種方式得出的檢出限存在一定誤差，精度不能得到有效保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo)定方 法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式標(biāo)定檢出限，提高檢出限的標(biāo)定精度，降低誤差。
[0005] (二）技術(shù)方案
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo)定 方法，其包括以下步驟：
[0007] 步驟一：根據(jù)待標(biāo)定的多光程折疊腔的基本參數(shù)分析計(jì)算多光程折疊腔的折返光 束和標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)密度片相互作用所產(chǎn)生的所有光學(xué)密度值供,
[0008] 步驟二：在光學(xué)密度標(biāo)準(zhǔn)裝置上測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)密度片得到，并將所有 ￡)(心C/),., A)積分得到總的光學(xué)密度值Ds ( λ );
[0009] 步驟三：把標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)密度片放入多光程折疊腔中，測(cè)得多光程折疊腔的光學(xué)密度 值DJ λ);然后計(jì)算多光程折疊腔的測(cè)量偏差：〇 (DJ = I(A)-Ds(X)，根據(jù)所述測(cè)量偏 差計(jì)算多光程折疊腔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和標(biāo)定的擴(kuò)展不確定度，所得到的標(biāo)定的擴(kuò)展不確定 度即為多光程折疊腔的檢出限。
[0010] 其中，所述步驟一中，所述多光程折疊腔的基本參數(shù)包括測(cè)量光源、測(cè)量幾何條件 和測(cè)量量值范圍；所述測(cè)量光源為漫射光源；所述測(cè)量幾何條件包括按照所述多光程折疊 腔光路結(jié)構(gòu)所確定的所有光學(xué)密度測(cè)量的角度；所述測(cè)量量值范圍為根據(jù)多光程折疊腔需 標(biāo)定的氣體濃度的等級(jí)、氣體的種類推算出的光學(xué)密度測(cè)量值的量級(jí)。
[0011] 其中，所述步驟一和步驟二包括以下過(guò)程：
[0012] 以多光程折疊腔中放置標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)密度片進(jìn)行分析計(jì)算；
[0013] 根據(jù)多光程折疊腔在場(chǎng)鏡中形成的光斑陣列的行數(shù)m、列數(shù)n，得到光源入射到密 度片的次數(shù)N為：N = 4X (mn-1);
[0014] 不同光束對(duì)密度片的入射角不同，光束的入射角度記為0f;對(duì)應(yīng)每一個(gè)光斑，計(jì) 算密度片的入射弧矢角鈐和入射子午角Θ y θ ι= 90-Θ f，其中，f = 1，2，……，N，i = l， 2,……，mn，得到成對(duì)的入射弧矢角約和入射子午角集合；
[0015] 利用光學(xué)密度測(cè)量裝置分別測(cè)量在每一對(duì)入射弧矢角貨和入射子午角Θ i的入射 條件下的光學(xué)密度為WL#，其中，λ為光源波長(zhǎng)；
[0016] 計(jì)算多光程折疊腔總的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)密度值DsU):
[0017]
[0018] 其中，所述光學(xué)密度測(cè)量裝置包括：光源模塊，密度片模塊和探測(cè)模塊；
[0019] 所述光源模塊包括原始光源、光纖束和光纖半球發(fā)射器單元，光纖半球發(fā)射器單 元包括光纖半球發(fā)射器、底板和乳玻窗；光纖半球發(fā)射器為半球狀，其開(kāi)口上方設(shè)置底板， 底板圓心位置設(shè)置乳玻窗；光纖束包括多根光纖，光纖的入射端端面接收原始光源發(fā)出的 光線；光纖束的出射端在光纖半球發(fā)射器的半球壁上以等立體角方式排布，且每根光纖出 射端的端面與半球內(nèi)壁處于同一表面；
[0020] 所述密度片模塊包括光纖半球發(fā)射器單元安裝臺(tái)和載片舟，載片舟包括小轉(zhuǎn)臺(tái)， 作為承載裝置并能帶動(dòng)其上的被承載物進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；平面架載臺(tái)，位于小轉(zhuǎn)臺(tái)上，其上承載平 面架；平面架，位于平面架載臺(tái)上，其上安裝平面載體；平面載體，通過(guò)銷軸安裝在平面架 上，用于承載標(biāo)準(zhǔn)密度片；小轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置有小轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)，用于帶動(dòng)小轉(zhuǎn)臺(tái)及其上的被承載物 在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；平面架上設(shè)置有俯仰調(diào)節(jié)電機(jī)，用于帶動(dòng)安裝在平面架上的平面載體和標(biāo) 準(zhǔn)密度片繞平面架的銷軸做繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；平面載體上設(shè)置有投影調(diào)節(jié)電機(jī)，用于帶動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)密 度片繞平面法線360°轉(zhuǎn)動(dòng)；標(biāo)準(zhǔn)密度片通過(guò)空氣壓縮模塊固定在平面載體上；光纖半球 發(fā)射器單元通過(guò)乳玻窗發(fā)出的光束入射到標(biāo)準(zhǔn)密度片上；
[0021] 所述探測(cè)模塊用于接收探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)密度片的輻射通量，以獲得不同入射弧矢角釣和 入射子午角 9Jt應(yīng)的光學(xué)密度
[0022] 其中，在ppm級(jí)的氣體濃度測(cè)量需求時(shí)，對(duì)應(yīng)的原始光源為鹵媽燈；當(dāng)氣體濃度的 測(cè)量需求增加到PPb級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)的原始光源為超連續(xù)光源。
[0023] 其中，所述步驟三中，多光程折疊腔的標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示為：
[0024]
[0025] 按照正態(tài)分布規(guī)則，取擴(kuò)展因子k = 2,則標(biāo)定的擴(kuò)展不確定度為
[0026] υ(λ) =2ιι(λ)
[0027] 其中，δ (L)為多光程折疊腔的光程L的設(shè)計(jì)裝調(diào)誤差，δ (DJ為多光程折疊腔 的光學(xué)密度測(cè)量誤差，S (Cl。）為多光程折疊腔中充入標(biāo)準(zhǔn)吸收截面為〇 " (j)的第i種標(biāo) 準(zhǔn)氣體的單位濃度C1。的來(lái)源誤差。
[0028] (三）有益效果
[0029] 上述技術(shù)方案所提供的基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo)定方法，完全基于光 學(xué)測(cè)量，不需要引入標(biāo)準(zhǔn)氣體評(píng)估，由于氣體測(cè)量受溫度、壓強(qiáng)和流量等參數(shù)的影響，不確 定性比較大，且難以控制和復(fù)現(xiàn)，所以本方法剔除由氣體引入的不確定度很大的復(fù)雜影響， 只是基于光學(xué)密度的精密測(cè)量和折疊腔的裝調(diào)誤差，實(shí)現(xiàn)多光程折疊腔在較小不確定度水 平上的標(biāo)定，提高了檢出限標(biāo)定的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中光學(xué)密度片在折疊腔的標(biāo)定位置示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中場(chǎng)鏡中的矩陣光斑示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中入射角度求解示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中光學(xué)密度測(cè)量裝置原理圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中載片轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖中，Ml :第一反射鏡；M2 :第二反射鏡；Rl :入射孔徑；R2 :出射孔徑；F :場(chǎng)鏡焦 點(diǎn)；Fl :第一反射鏡焦點(diǎn)；F2 :第二反射鏡焦點(diǎn)；P :標(biāo)準(zhǔn)密度片；T :場(chǎng)鏡；01 :光源模塊；02 : 密度片模塊；03 :探測(cè)模塊；1 :離軸橢球鏡；2 :鹵鎢燈；3 :吸熱玻璃；4 :平面反射鏡；5 :可 變光闌；6 :光纖束入射端；7 :真空管；8 :電磁閥；9 :乳白玻璃；10 :載片舟；11 :限雜散光屏 A ; 12 :收集透鏡；13 :限雜散光屏B ; 14 :準(zhǔn)直透鏡；15 :明視濾光片；16 :會(huì)聚透鏡；17 :(XD 線陣譜儀；18 :平面架載臺(tái)；19 :小轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)；20 :俯仰調(diào)節(jié)電機(jī)；21 :平面載體；22 :投影調(diào) 節(jié)電機(jī)；23:標(biāo)準(zhǔn)密度片。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具 體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0037] 本發(fā)明提出了一種基于變角光學(xué)密度的多光程折疊腔標(biāo)定方法，其中，用于氣體 濃度測(cè)量的多光程折疊腔是基于比爾朗伯定律工作的。比爾朗伯定律給出了氣體的吸收譜 和光學(xué)密度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將氣體濃度c的測(cè)量轉(zhuǎn)化為光學(xué)密度D的測(cè)量，如式1所示， 圖1中各部件的標(biāo)號(hào)及名稱見(jiàn)【附圖說(shuō)明】所示，其中σ為所測(cè)氣體的吸收截面，L為多光程 折疊腔的光程。
[0038]
( 1 )
[0039] 設(shè)長(zhǎng)為L(zhǎng)的多光程折疊腔中充入的標(biāo)準(zhǔn)吸收截面為〇 " (j)的第