用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度

1、广东省大学生实验设计大赛作品用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度学校：指导老师：小组成员：组长：嘉应学院李慧玲林林庆黄秀平陈淑萍林林庆用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度介绍了一种新型的检测雾霾颗粒物浓度的方法一光声效应检测法。结合光声 效应的 基本原理，介绍了应用光声效应检测雾霾颗粒物浓度的研究，讨论了样品制备对光声信 号的影响和检测结果的。随着全球工业化进程的飞速发展和全球人口的急剧增加，环境问题引起了世 界各国的高度重视，保护人类 生存环境，实施可持续发展战略，是中国乃至全世界在21世纪的主题，气体检测和水体 污染检测已经成为人们日益关心的课题。人 类社会在不断的进步，经济活动和生产也在 迅速的发展

2、，在大量消耗资源的同时，也排放了大量的废气，烟尘物质等，主要包括了 碳的氧化物，比如二氧化碳和一氧 化碳;碳氢化合物，比如甲烷！乙烷！乙烘等怪类气体 。由于大量的废气排放现在很多城市在冬天都会出现雾霾天气，二氧化硫、氮氧化物和 可吸入颗粒物这三项是 雾霾主要组成，颗粒物是雾霾天气主要的成分之一，用传统的方法 测量雾霾颗粒物浓度复杂，测量准确率低，下面用光声效应方法测量雾霾颗粒物浓度准确 率高又方便。光声效应的发现起源于1850年，是由美国著名的科学家贝尔发现的由光产 生声， 顾名思义，首先要有光的照射，当调制的激光束照射于某种质时，由于介质对 光的吸 收，会使介质内部的温度改变从而引起介质内一

3、些区域结构和体积变化，介质温度的升 降会造成介质体积的膨胀和压缩，从而向外辐射声波。光声效应：光声光谱是利用光声现象来检测物质浓度的一种光谱技术，光声效应的产生首先必须要有光的吸收，光声检测技术从本质上来说是基于气体的红外吸收理论的，对气 体的定性检测依赖于气体的红外特征吸收谱线，定量测量依赖于气体的红外吸收定律所 以，要了解光声检测的原理第一步就是要了解气体的红外吸收 理论以及气体的特征吸收谱 线。红外吸收光谱法又被称作“红外分光光度分析法”，是分子吸收光谱的一种分析方 法，它利用物质对红外波段的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析，是对各种吸收红外光的化合物进行分析的一种方法。分子由两个以上

4、原子 组成，核与核的结合靠运动三种运动相互，振动动能和转动动能。分子，电子的吸引，其中除了电根据量子理论，原子或分子疋个个分立的数子的运动之外，核本身还值，也就是能级。有振动，气体分子还可整体E3, E4代表了原子由低到高的四个能级。绕其质心转动。关联，相 互影响。分子的能量可近似 划分为电子能量从一种能态变化到另一种能态时就会吸收或发射光谱具有量子化的能 量，原子或分子的能量曰图1中分别用El, E2,E4E3E2E1用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度原子或分子从一个能级激发跃迁到另外一个能级（如从E1跃迁到E2）所需的能量 是两个能 级之间的能量差由量子理论的相关知识可知，振动能级为：1Ev

5、二（V +） hv2式中：V:振动量子数H:普朗克常数v:键的振动频率 任意两个相邻的能级的能量差为AE = hv。在红外吸收光谱法中，照射样品的光源提供了使原子或分子向高能级跃迁所需要的 能量，根据红外吸收光谱的基本原理，分子振动只能吸收与分子振动能级间隔相应的波长 的光线的能量，当光线具有的能量与两个能级间的能量差相当时，光能量被吸收，分子产 生能级跃迁从而产生吸收光谱。不同的气体都有吸收自己对应频率红外光能的特质，气体吸收红外光最强的光线频 率称作该气体的特征吸收峰。理论证明，每种气体在红外辐射波段都有一条或是若干条特 征吸收谱线。气体的红外吸收遵循Bee定律，当光通过待测介质时，具有吸

6、收光能的介质将吸收一部 分光能量，使通过后的光能量减少。其关系为：A =logio 10 = KLcI式中：A :吸光度；I。入射光的强度；I :透射光的强度；K :摩尔吸收系数；L :吸收介质的厚度，一般以cm为单位； C：吸光物质的浓度mol/L;摩尔吸收系数K可以用吸收截面CT表示：K岀lnlO其中NA是阿伏伽德罗常数6. 02X IOVmolNAI _ I 灯！ 1110比）_（-CTNAcL）综合两式，可以得到：1 = lolO二Ioe其中b是分子的吸收截面，可以利用Hitran中的气体吸收的洛伦兹线型数据通过曲线拟 合的方法得到其表达式：1b （九）=%-:一：一1+F-2-用光声

7、效应测量雾霾颗粒物的浓度式中&0是峰值吸收截面系数，九是吸收峰值波长，6是与阻尼振荡有关的常数，经过 Mat lab仿真可以得到揭合系数为0. 986%的结果气体浓度c可以通过理想气体 方程 P=NKT推导得到，最后发现当气体的类型确定后，气体的透过谱函数只与浓度有关，如图 2所示，图中的情况是对于峰值吸收波长为1532. 83nm的情况，浓度从10%增加到100%, 可以发现当浓度增加时，透射谱加深。If* b实验原理：雾霾颗粒物样品选择的是用香燃烧后的烟雾来代替。装置如图3,激光发出一定频率 的单色光，经过斩光器把光斩成10HZ15HZ交变光（斩光器是通过单片机控制马达的电压 占空

8、比来控制马达转速，从而控制光频），单色光经过斩光器得到一定频率的交变光后射 入样品光池内，光照射到物质上时，与物质产生相互作用，物质吸收光能后，分子跃迁到 激发态，在返回初始状态时，或者通过伴随发光的辐射跃迁过程，或者通过无辐射跃迁过 程。无辐射跃迁部分的振动、转动能量是通过同其他分子碰撞并以热的形式散逸的入射密 封光声池的光具有一定的频率，在样品吸收点上就产生一个周期性的热分布，固体样品的 热量扩散至样品表面，传导给周围的耦合气体界层面的气体在密闭的光声池里起到气体活 塞作用在光声池内产生的压力波动，被麦克风检测为光声信号麦克风检测为光声信号经 过放大电路后，用灵敏电压表测出光声信号的强度。

9、光声信号的强度也是雾霾颗粒物样品 对应的一个浓度值。-3-把颗粒物样品注入光池中，打开电源，电压表就得到一个颗粒物浓度的电压值，不同浓度 对应一个不同的电压值，如图4颗粒物浓度和电压值关系电压值 .1图4浓度通过测量电压值U和浓度值b的几组数据可以看出电压值和颗粒物浓度是成线 性回归方程 的。回归直线的求法：最小二乘法：用最小二乘法求回归直线方程中的a,b有下面的公式：TH K V) £斗¥，fLryP -匚 F产II Jtt=y=ftjc.最小二乘法求回归直线方程中a、b的公式-4-用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度实验过程:实验器材：借号方法电路 灵敏电斥衣 斩光器 激光光源 灵敏声咅传感器（麦克风）口制光池针筒导管打火机等激光器自制光池：是用10cm长的水管一边用透明玻璃封住并在中间开一个小口，另一边也封住 并把麦克风安装在这边。