大气气溶胶光声光

1、大气气溶胶光声光谱检测 周佳课题研究目的与意义 报告主要内容报告主要内容1课题主要任务2课题实现的可行性3需要解决的问题4Title 5这主要指怎么做？可分为三步，取样，实验，数据分析课题研究目的与意义加深对大气气溶胶的认识，提高大气气溶胶的精度，对气候变化和环境预测等意义重大。本课题利用光声光谱技术，根据不同组分结构的物质吸收光谱的不同，通过检测近地面不同粒径气溶胶颗粒分析光声效应产生的声波谱特征，得到气溶胶的颗粒分布和浓度分布，进而推断污染物的来源，得到污染物对各类排放源的贡献率，为城市污染治理提供基础数据和科学依据，也为探讨大气颗粒物其他物理性质和环境影响提供基础。气溶胶污染产生的大气能

2、见度下降以及气候、健康效应是当前发达国家研究的重要问题，同时也是大多数发展中国家在城市化、工业化过程中面临的难题。因此，开展对大气气溶胶进行快速有效测量，尤其是对近地面大气气溶胶的研究是目前环境领域研究的热点之一。 但是，大气气溶胶的成分复杂、在大气中停留时间较短，有极大的时空变化特性，气候模拟与预测中最大的不确定性根源之一是大气气溶胶。课题主要任务课题主要任务大气气溶胶简介光声光谱技术本课题的主要工作u气溶胶粒子的尺度和浓 度变化受地理、气象和地域经济结构不同的影响有很大差异，即便同一城市的不同城区浓度、组分分布也不同。u气溶胶粒子的组成浓度反映了大气污染的程度，也包含了各种污染源的贡献。分

3、析气溶胶的组分的资料，可以判断它们的来源。大气气溶大气气溶胶是悬浮在大胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒气中的固态和液态颗粒物的总称物的总称, ,粒子直径多在粒子直径多在0.0010.001100100m , ,当前主当前主要包括要包括6 6 大类大类7 7种气溶胶种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶、碳气溶胶( (黑碳和有机黑碳和有机碳气溶胶碳气溶胶) )、硫酸盐气溶、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶盐气溶胶和海盐气溶胶大气气溶胶简介大气气溶胶简介光声光谱技术介绍光声光谱技术介绍特点历程原理应用原理原理光声效应是一种光与物质的相互作用

4、，是物质吸收光能后转换成声能的物理过程。当物质吸收周期性调制的光能后，转变为热能。周期性热流使周围介质热胀冷缩而产生声信号，即为光声信号。光声信号的频率与光调制频率相同，其强度和相位则决定于物质的光学、热学、弹性和几何的特性。 PAS是是在物质的在物质的光声效应光声效应基础上发展起来的一基础上发展起来的一种检测种检测技术技术 。它研究物质的光声信号随入射光它研究物质的光声信号随入射光变化的谱线，即光声光谱。光声光谱实际上代表变化的谱线，即光声光谱。光声光谱实际上代表物质的光吸收谱，物质的光吸收谱，几乎所有物质都有其独特的吸几乎所有物质都有其独特的吸收光谱。收光谱。因此利用光声效应可以检测物质的

5、组分因此利用光声效应可以检测物质的组分 用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收特定波长的调制光( 调制频率在声波范围内)光子,处于激发态; 样品通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量,使得气体受热(具有周期性); 受热气体膨胀产成热声波。该声波经声敏原件接受后由放大器放大后送到锁相放大器，经锁相放大器处理后便在记录仪上记录下反映物质对光吸收的光声光谱。ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.光声效应示意图光声效应示意图物质的分子在

6、不同条件下吸收和发射的光谱波长与物质自身的结构有紧密的联系，它利用物质对光区电磁辐射的选择性吸收来实现物质的结构分析及定性、定量检测。通过对单色光源进行调制(强度调制/波长调制)产生具有声学调制特征的激发光并祸合至光声池中;光声池内特定气体分子吸收光能后受激发跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁将能量转化为平动能在光声池内形成压力波;利用传声器检测压力波的强度，则根据光声信号幅度与入射光强、气体吸收系数和含量的正比关系能够确定光声池内受光激发气体分子的含量。发展历程发展历程发现阶段1880年年Bell发现了发现了光声效应。光声效应。1938年苏联学者年苏联学者Viengerov研制出研制

7、出世界上第一台检测世界上第一台检测气体浓度的光声光气体浓度的光声光谱装置，成功的检谱装置，成功的检测了混合气体各成测了混合气体各成分的浓度。但是，分的浓度。但是，由于缺乏对检测结由于缺乏对检测结果定量分析的办法，果定量分析的办法，以及高灵敏度声波以及高灵敏度声波探测器研究的滞后，探测器研究的滞后，这一技术在随后的这一技术在随后的几十年中没有实质几十年中没有实质的发展。的发展。20世纪世纪60年代末，年代末，功率密度高、单功率密度高、单色性好的激光光色性好的激光光源的出现，极大源的出现，极大地促进了光声地促进了光声光谱技术的发展。光谱技术的发展。20世纪世纪80年代年代以来，光声光谱以来，光声光

8、谱气体检测技术理气体检测技术理论研究已日臻完论研究已日臻完善，新型激光光善，新型激光光源的应用，高灵源的应用，高灵敏度声波探测器敏度声波探测器的研究以及信号的研究以及信号处理能力的提高处理能力的提高都极大地促进了都极大地促进了气体光声光谱技气体光声光谱技术的发展，真正术的发展，真正实现了高灵敏度实现了高灵敏度光声光谱检测。光声光谱检测。近几十年来光声近几十年来光声光谱检测技术的光谱检测技术的发展主要得益于发展主要得益于激励光源和声波激励光源和声波探测技术的发展，探测技术的发展，国内外很多研究国内外很多研究机构和大学都在机构和大学都在这些方面做了大这些方面做了大量研究工作，并量研究工作，并取得了

9、一系列成取得了一系列成果，极大推动了果，极大推动了光声光谱微量气光声光谱微量气体检测技术的发体检测技术的发展。展。初步应用蓬勃发展完善创新与传统光谱学不同的是该技术探测的不是光与组织相互作用后的光信号而是声信号，从而克服了传统光谱法在样品分析中存传统的光谱法中，光散射、反射是最大的干扰，因为样品吸收光能量的大小是通过测量透射光的强度并从入射光强度中减去透射光强度所得的差额来确定的，而光与物质相互作用过程必然伴随着一定的反射、散射和其他的光损失，这将导致入射光强度的降低。此外，传统光谱法探测的是光与物质相互作用后的透射光信号，因此样本就必须具有一定的透光性。与之相比，光声光谱技术所检测的是因物质

10、吸收光能而产生的光声信号，这种光声信号的强弱直接反映了物质吸收光能量的大小。从而避免了因样品中光的反射、散射等引起的信号干扰；同时，还可针对弱吸收样品适当增大入射光的辐照功率来提高信噪比。从本质上解决了传统光谱法对弱吸收、强散射、不透明等样品检测的难题。由于光声光谱技术可对任意的样品进行检测分析，包括气体、液体和固体(晶体、粉末或凝胶)样品，并且只需要极少量样品就可以进行微量分析。因此广泛用于物理、化学、材料科学、生物医学、农业和环境科学等各领域的研究和分析。由于气体、液体和固体试样的光吸收波长范围、以及放置样品的光声盒结构等的要求各不相同，因此适用于气体、液体和固体的光声光谱仪的结构也不尽相

11、同。，它广泛用于气体及各种凝聚态物质的微量甚至痕量分析。由于光声光谱测量的是样品吸收光能的大小，因而反射光、散射光等对测量干扰很小，故光声光谱适于测量高散射样品、不透光样品、吸收光强与入射光强比值很小的弱吸收样品和低浓度样品等，而且样品无论是晶体、粉末、胶体等均可测量，这是普通光谱做不到的。光声效应与调制频率有关，改变调制频率可获得样品表面不同深度的信息，所以它是提供表面不同深度结构信息的无损探测方法。检测高灵敏度高，检测的波普范围宽检测高灵敏度高，检测的波普范围宽,长期稳定性好长期稳定性好普适性强，对固体液体气体样品都适用普适性强，对固体液体气体样品都适用检测时间短，可实现在线检测检测时间短

12、，可实现在线检测不直接测量光谱的本身，而是通过检测物质在吸收辐射后热激发的声波来获取光谱信息。其特点特点在于：无损探测，无破坏性无损探测，无破坏性应用应用由于光声光谱技术可对任意的样品进行检测分析，包括气体、液体和固体(晶体、粉末或凝胶)样品，并且只需要极少量样品就可以进行微量分析。尤其对传统光谱难于处理的高散射、高反射、不透明的物质，更显示出其独特的优势。因此广泛用于物理、化学、材料科学、生物医学、农业 、物质表面研究、波谱研究以及大气环境监测等各领域的研究和分析。光声光谱系统设计光声光谱检测的实验装置主要由四部分组成：激发光源、调制技术、光声池和声信号检测器。Diagram 1Diagra

13、m 2Diagram 3激发光源根据光源的种类一般可分为普通光源和激光光源两类。）常用的普通光源有：钨丝灯、碳弧灯、高压氙灯、卤素灯和能斯特灯等，这一类光源的特点是波长可变范围宽、价格较便宜，但缺点是分辨率较低；）常用激光光源包括：离子激光器、激光器、激光器、半导体激光器和可调特染料激光器等，以及目前新发展的一种量子多级激光器，无论是哪种激光器它们都具备共同的优点：单色性好、脉冲峰值功率大、波谱范围宽等。在光声谱的实验中，无论普通光源还是激光光源作为激发光源，都必须满足实验对它们的共同要求：辐射光的脉冲频率一定要在声频（）范围以内。调制技术一般情况下脉冲光源不需要特别调制即可直接使用，但在使用

14、连续谱光源时，则需要对光束进行调制。光调制技术包括振幅调制和频率调制（或波长调制），其中振幅调制较为常用，其调制方法有机械斩波器、声光调制和电光调制。虽然振幅调制较为常用，但与之相比频率调制（或波长调制）能够消除由波长引起的如窗材料吸收等带来的背景干扰从而提高探测灵敏度，但该调制模式仅适用于窄线宽的吸收体调制器 一般可采用单色仪和斩波器组合实现波长调制。光声池是光声光谱实验的核心部分，它的设计是否合理直接影响到探测信号的灵敏度大小。为了提高探测信号的灵敏度，光声池在设计上必须满足以下要求）光声池内声信号不受外界信号的干扰；）最大限度地降低光声池内激光束与池壁、窗口及声信号探测器相互作用产生的干

15、扰信号；）探测器类型和灵敏度的选择要合理；）最大化光声池内来自样品的声信号；）按照待测样品的种类和实验的类型设置光声池。光声池是光声光谱仪中的核心部件，它既是气体样品的容器，又装置了微音器或其他装置检测激光作用下产生的光波。光声池通常分为共振型与非共振型两类。光声信号的准确检测是光声光谱实验的重要环节。用于样品声信号检测的仪器有很多种，如微音器、压电传感器、折射率传感器和温度传感器等，其中较为常用的是微音器和压电传感器。4、声敏元件、声敏元件 其作用是将光声信号转换为电信号。对于气体样品常用微音器作为声敏元件，对于液体及固体介质常采用压敏元件。5、信号处理系统、信号处理系统 普遍采用具有低噪声

16、特性的锁相放大系统主要工作主要工作4、实验与分析；2、光声光谱检测系统硬件平台的搭建和制作；1、光声光谱技术检测的理论分析；3、光声光谱检测系统软件程序的编写；本课题实现的可行性本课题实现的可行性样品室检测器显示 光源光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。 辐射光的脉冲频率一定要在声频（501200）范围以内。斩波器光源本系统采用MSP430产生调制信号。通过对单片机编程，仿真时产生的方波频率为IKHz，占空比为50%。在实测电路中，方波频率稳定在IO00Hz。半导体激光器的输出波长分布在0.33一44林m的较宽范围内。输出光功率的

17、大小直接与输入驱动电流的大小有关当将调制信号加载到激光器电源上时，激光器输出的光信号强度就会随调制信号的变化而改变。n 在光声光谱检测过程中光源是整个系统的激励源，所选光源的性能会直接影响到检测结果的灵敏度和精确度n 光声光谱试验平台所用的光源要求既有足够大的功率，同时又要求在比较宽的光谱范围内连续可调。因此一般的非相干光源不能达到系统所要求的功率值，但是激光光源能给系统提供很大的功率，与其它的非相干光源相比激光光源最突出的特点是发光功率高、辐射强度大、准直性好。这些对于光声检测是十分有利的。n半导体激光器n 可直接将调制信号加载在激光器电源上进行强度、频率以及n相位调制，且调制范围宽，可达到

18、GHzn根据调制频率和调制幅度的不同，激光调制光谱技术可以分为波长调制光谱n技术和频率调制光谱技术。波长调制光谱的调制频率较低（数 kHz 到数十 kHz），n而调制幅度大（与被测谱线的线宽相当）；频率调制光谱的调制频率很高（数百nMHz，与被测谱线的线宽相当），而调制幅度较少。频率调制光谱可以达到很高的n检测灵敏度，但其实现的技术难度大，检测结果的分析比较复杂，因此目前多采n用波长调制光谱技术44。对于可调谐分布反馈式激光器，通过改变激光器的注入电流来对进行波长调制n 斩波器斩波器 根据光声效应产生的机理，要得到光声信号必须将功率恒定的连续激光变为功率周期性改变的时变光束，这就必须采用相应的

19、光学调制技术，由于机械斩波器的可适应范围十分广泛，它适用于整个可见光到红外波谱范围内波长光束的调制，所以本课题决定采用这种调制技术进行光束的调制。 因此本文的斩波器频率是通过 PWM（脉宽调整）信号来控制的，具体的实现方法如下利用单片机的定时器产生的定时中断来控制单片机引脚输出波形的占空比，通过单片机的滑动变阻器和 AD 转换芯片来控制定时器定时长度的改变，进而改变输出波形的占空比当改变机械斩波器中的频率调节旋钮，旋钮会带动电路板上的滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值，进而改变 AD 芯片转换后的结果。通过影响单片机定时器的定时长度实现改变输出信号占空比的目的。将产生出的可改变占空比的PWM

20、 信号输出给 L298 芯片 。 L298 芯片控制斩波器斩波盘的转速样品室样品室大气气溶胶的采集u1 、样本采集应选择在具有代表性的地形和下塾面特征的测点，取样高度最好在5-10米u2 、必须考虑取样环境的温度和湿度对样本的吸湿和潮解称重误差。u3 、采样收集完成，应立即进行称重和分析或密封保存，并尽可能及时称重和分析，否则易造成误差 光声池的选择：u1、光声池的设计应该尽量减少外界的干扰；u2、应该尽量减少由于调制入射光与光声池池壁，窗口以及微音器发生直接作用而产生的背景信号；u3、应该尽量增加光声池的入射光强度，以达到提高池内光声信号的目的；u4 、保持光声池内表面光洁，以减小气体的吸附

21、和粘滞效应。 n对于光声气体检测中的应用，为了便于系统集成和探测器的构造，光声腔的尺寸不应该过大。而对于连续流动测量的问题，即使是谐振式光声腔，其光声腔的气体进出位置必须处于光声腔内声波的波节处，并且只能以较缓慢的速度与外界进行气体交换，否则气流会严重干扰光声腔内的声波产生过程。呼出氨气呼出氨气n光声池整体选用低表面能Teflon材料，该材料化学成分为聚四氟乙烯，俗称特氟龙，n其表面能约为20mJ/m2，具有良好的耐热、耐低温、自润滑及化学稳定性能等。该材料n对外来气体分子的吸引能力较弱，能够有效降低因氨气分子在光声池池壁上吸附解吸附n作用引起的池内气体浓度变化时延，从而提高光声池响应速度，便

22、于呼出气实时快速检多组气体多组气体光声池通常由金属材料或硬质玻璃制成，故其边界材料的热传导率远大于气体本身的热传导率，导致声波在气体内部引起的温度起伏在边界处几乎消失，也就是说声波传至光声池边界处时将维持等温过程，说明有热量从气体流入边界材料，即声能在边界处将发生热传导。铜具有较大杨氏模量和泊松比，但热导率和密度较大，以铜为材料的光声池，易出现池壁弯曲现象。综合考虑材料性能及易加工性，本系统选用铝作为光声池池壁材料，传感区铝箔厚度为 50 m。光声池两端窗口以 ZnSe 为材料。内外表面镀镍以防腐蚀性气体氧化、腐蚀检测器检测器（光声信号转换成电信号的装置）光声信号转换成电信号的装置）n1、光声

23、光谱实验平台检测器应该能长期稳定的工作并且灵敏度很高。n2 、在光声信号的产生范围内应该有平坦的幅值响应和线性相位响应。n3 、在匹配传声器时，既要考虑灵敏度和频响范围又要兼顾安装方式对腔体结构造成的影响。显示显示n由于光声光谱检测是一种微弱信号检测，所以通常采集的光声信号会夹杂着大量的噪声n信号仪器控制与数据采集模块主要由步进电机控制器、斩波器控制器、锁相放大器、多功能数据采集卡，以及计算机程序组成用数据采集卡采集信号， 并存人计算 机。锁放的输出经数据采集端口送入同一台计算机，以便进行进一步的分析处理。解调出的信号以及输出的控制信号同时还被送至示波器，主要是便于实验过程中的随时监控。 系统

24、计算机起到了信号发生器和数据采集计算机等多重功能，其 DAC 端口产生电压控制信号，该信号被送入激光控制器的模拟输入端口，同时还被送入锁相放大器参考信号输入端做为光声信号解调的参考信号。检测到的光声信号，经互阻抗放大器转换并放大后送入锁相放大器解调。声信号被传声器接收而转变成电信号经过前置放大和锁相放大等一系列的信号处理后，已经达到了模数转换和计算机信号处理的要求。所以，我们利用计算机软硬件的强大功能来完成对所测数据的处理，并显示各种波形。数据采集系统主要包括硬件接口和软件处理两部分。系统软件平台搭建系统软件平台搭建数据采集及处理参数设置系统初始化调整激光能量，斩波频率等实验参数实验数据的采集

25、、归一化保使锁相放大器以默认方式与计算机建立通讯，并给程序中的部分变量赋初值。待解决的问题待解决的问题实验设备的选择，光源以及光源调制频率的选择，光声池，探测器等实验设备的选择，光源以及光源调制频率的选择，光声池，探测器等实验中产生的噪声实验中产生的噪声光声信号较弱，实验结果可能不是很理想光声信号较弱，实验结果可能不是很理想ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.低噪声低噪声锁相放大器（锁相放大器（光声信号是与光源调制频率互相关的交流信号，因此实光声信号

26、是与光源调制频率互相关的交流信号，因此实验中可以利用锁相放大器来进行相关运算，能够有效抑制非相关噪声从而提高信噪比，验中可以利用锁相放大器来进行相关运算，能够有效抑制非相关噪声从而提高信噪比，同时也能够方便地提取光声信号的相位和频率）锁相放大器主要包括前置放大、同时也能够方便地提取光声信号的相位和频率）锁相放大器主要包括前置放大、带通滤波、移相器和相敏检测器。其中核心部分相敏检测器带通滤波、移相器和相敏检测器。其中核心部分相敏检测器,由乘法器和积分器组成由乘法器和积分器组成,在功能上在功能上,积分器通常由低通滤波器积分器通常由低通滤波器实现。实现。考虑是不是可以加上考虑是不是可以加上低噪声低噪

27、声前置放大器前置放大器+滤波电路，以及小波变换应用滤波电路，以及小波变换应用待解决的问题待解决的问题交叉千扰保证滤光片具有足够的带宽以使待测气体吸收更多光能产生更强的光声交叉千扰保证滤光片具有足够的带宽以使待测气体吸收更多光能产生更强的光声信号，同时为了不造成交叉干扰的明显增加需要对带宽加以限制、对中心波长加以修正信号，同时为了不造成交叉干扰的明显增加需要对带宽加以限制、对中心波长加以修正实验中产生的噪声实验中产生的噪声光声信号较弱，实验结果可能不是很理想光声信号较弱，实验结果可能不是很理想进一步对多种带宽的多线综合吸收系数加以比较进一步对多种带宽的多线综合吸收系数加以比较低噪声低噪声锁相放大

28、器（锁相放大器（光声信号是与光源调制频率互相关的交流信号，因此实光声信号是与光源调制频率互相关的交流信号，因此实验中可以利用锁相放大器来进行相关运算，能够有效抑制非相关噪声从而提高信噪比，验中可以利用锁相放大器来进行相关运算，能够有效抑制非相关噪声从而提高信噪比，同时也能够方便地提取光声信号的相位和频率）同时也能够方便地提取光声信号的相位和频率）考虑是不是可以加上考虑是不是可以加上低噪声低噪声前置放大器前置放大器+滤波电路，以及小波变换应用滤波电路，以及小波变换应用n前置放大电路的作用有两个：一方面是将微音器传出的信号进行预放大，另一方面是将放大后的信号进行带通滤波n广泛使用滤波器从宽范围的信

29、号中选取所需频率的有效信号滤波电路可以让一定范围内的有效信号通过而阻止无效信号通过电路。滤波电路常用于滤除高频噪声、外界信号或传输线引起的干扰等，从而达到提高系统测量精度的目的。相敏检波器一般是由乘法器和积分器。输入信号经过相敏检波和低通滤波后将交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后可满足系统的增益要求参考信号就是激光调制信号n由于光声光谱检测是一种微弱信号检测所以通常采集的光声信号会夹杂着大量的噪声信号。这些噪声来自多个方面，有机械斩波器的机械噪声、光声池里的背景噪声等，能否从噪声中剥离出有用信号是光声光谱检测能否成功的关键。n把吸收的光能经无辐射跃迁转换为样品表面分子本身的热运

30、动能。如池中有充填气体,相当于固体样品受到人射光 加热热流向周围气体传播。因人射光以音频速率被调制,所以对样品周围的气体来讲也是按调制频率向外传播,这种固体界面热流的周期振荡即为声信号。一般光声信号幅度很小,而且伴有较强的环境噪声干扰,通过锁定放大,检出埋在噪声中的光声信号,把光声信号作为人射光波长的函数加以处理记录,可得到光声光谱图。？由于光源及单色仪的能量分布在各个波段内是不相等的 所以测得的光声信号必须进号归一化处理,得出所需要的光声光谱图。n同一调制频率下同一入射光波长，不同粒径的颗粒物的声波谱n同一调制频率下不同入射光波长，一种粒径颗粒物的声波谱n不同的调制频率下同一入射光波长一种粒径颗粒物的光声信号幅值；由它们之间的变化关系图进行分析，但若将光声效应用于实际检测,则须满足两个前提条件:首先需要确定每种气体特定的分子吸收光谱的特性,从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子;其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。因此,通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度,就不仅可验证某种气