CN101634626B - 主、被动一体的大气污染测量***及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主、被动一体的大气污染测量***及测量方法。该测量方法为：主动状态工作时，光接收单元与光发射单元共轴，接收人工光源发射出的光；被动状态工作时，步进电机带动光接收单元转动到其它方向，接收太阳散射光。实现上述方法的测量***，包括人工光源、位于远处的角反射镜、光学分光***和计算机，还包括：光发射单元，与所述人工光源相邻设置；光接收单元，与所述人工光源、光发射单元设置在同一直线上，所述光学分光***通过光纤与所述光接收单元连接；步进电机，与光接收单元连接，所述步进电机用于控制光接收单元在竖直平面内转动。本测量***及测量方法既能够对地面附近大气环境污染进行测量，也能够对高层大气环境污染进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及环境光学测量技术领域，具体来说是涉及一种主、被动一体的大气污染测量***及测量方法。
背景技术
目前对大气中污染气体，如二氧化氮、二氧化硫、臭氧的测量主要有空气二氧化氮、二氧化硫、臭氧自动监测仪，和长程差分吸收光谱气体污染监测装置。
自动监测仪在监测时，通过采样管先将待测气体抽入到仪器内，使其与某些物质进行化学反应，或用紫外光照射或利用紫外吸收原理进行测量，比如二氧化氮分析仪工作时，先将二氧化氮转化成一氧化氮，再让一氧化氮与过量的臭氧反应，产生激发态的二氧化氮，该激发态的二氧化氮很不稳定，很快跃迁回基态，并发射波长范围为600～3000nm的光，根据测得的发射光强来确定一氧化氮的浓度，最后由一氧化氮浓度推算出二氧化氮浓度。臭氧分析仪利用紫外吸收法，首先将样气通入吸收池，然后用紫外光照射，对比被紫外吸收和没有紫外吸收的光，可以分析样气中臭氧的浓度。二氧化硫是采用紫外荧光法，仪器一般由样品池、紫外光源、探测器构成，监测时，将二氧化硫通入样品池，然后用波长190～300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后跃迁至激发态，处于激发态的二氧化硫分子回到基态时，发射出峰值波长在330nm附近的紫外荧光，该荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，进而再推算出二氧化硫浓度。但这类仪器的不足之处是每种仪器只能测量一种污染物，仪器维护工作量大，而且只能在地面附近采样，不能对较高区域的大气环境进行测量。
对于长程差分吸收光谱气体污染监测装置，它是利用气体分子对某些波长光的特征吸收原理工作的。目前市场上的长程差分吸收光谱仪都是主动工作方式，其工作过程是发射接/收望远镜固定在一端，在距离500～1000m左右的地方放置一角反射镜，望远镜将人工光源(高压氙灯)发出的光发射出去，经过角反射镜反射后再被望远镜接收，然后通过光纤将光传输到光谱仪进行分光，光信号由探测器检测，并送入计算机进行光谱分析，反演出光路经过区域中污染物的浓度。目前也有文章报道利用太阳散射光进行被动方式工作，对高层大气污染物进行研究，但市场上未见相关的仪器设备出现。
上面提到的自动分析仪器由于需要通过采样管抽取样气，因而只能在地面附近进行点测量。主动长程差分吸收光谱气体污染监测装置的角反射镜需要安装在建筑物上，因而也只能在地面附近进行测量，无法实现对大范围的大气环境，特别是对高层大气环境进行观测研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种能同时适用于地面附近大气环境和高层大气环境的主、被动一体的大气污染测量方法。
本发明的另一目的是提供一种使用上述测量方法的主、被动一体的大气污染测量***。
本发明的目的是这样实现的：
一种主、被动一体的大气污染测量方法，通过计算机控制测量***在主动状态和被动状态之间切换；
主动状态：调整人工光源、光发射单元与位于远处的角反射镜处于同一直线上，光接收单元与光发射单元共轴，接收由人工光源发出、经光发射单元发射并由远处的角反射镜反射回的光，接收的光通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度；
被动状态：光接收单元的开口端对准天空，接收太阳散射光，接收的太阳散射光通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度；
计算机控制步进电机运作，步进电机带动光接收单元在竖直平面内转动：光接收单元转至与光发射单元共轴时，所述测量***处于主动状态，当光接收单元转动到其它方向，所述测量***处于被动状态。
一种实现上述测量方法的主、被动一体的大气污染测量***，包括人工光源、位于远处的角反射镜、光学分光***和计算机，该***还包括：
光发射单元，与所述人工光源相邻设置；
光接收单元，与所述人工光源、光发射单元设于同一直线上，所述光发射单元可在竖直平面内转动，所述光学分光***通过光纤与所述光接收单元连接；
步进电机，与光接收单元连接，所述步进电机用于控制光接收单元在竖直平面内转动。
其中：所述光发射单元包括第一平面反射镜和第一球面凹面反射镜，第一球面凹面反射镜设置在靠近人工光源的一侧，所述第一球面凹面反射镜的中心设有透光孔，人工光源发出的光穿过所述透光孔射到所述第一平面反射镜上；所述光接收单元包括第二平面反射镜和第二球面凹面反射镜，所述第二球面凹面反射镜的中心设有光输出孔，所述光纤的入射端固定在所述光输出孔中；所述第二平面反射镜设在所述光接收单元的开口端，所述第二球面凹面反射镜设在所述光接收单元远离开口的一端；所述人工光源为紫外-可见光源。
本发明主、被动一体的大气污染测量***通过计算机设定***主、被动工作状态的转换，主动状态利用人工光源对地面附近大气环境污染进行测量，可同时适用于白天和夜晚，被动状态利用太阳散射光主要用于对高层大气环境污染进行测量，适用于白天。
***处于主动状态时，光接收单元与光发射单元共轴，人工光源发出的光穿过所述透光孔后射到第一平面反射镜上，再由第一平面反射镜反射至第一球面凹面反射镜，经第一球面凹面反射镜准直成平行光后发射到大气中去，发射至大气中的光经远处的角反射镜反射回到测量***，光接收单元开口端对准反射回的光线方向，接收反射回的光，经第二球面凹面反射镜反射汇聚在第二平面反射镜，再由第二平面反射镜反射至第二球面凹面反射镜中心的光输出孔处，通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度。
计算机控制步进电机工作，步进电机带动光接收单元在竖直平面内转动，光接收单元转到其它方向时，***进入被动状态，光接收单元接收太阳散射 光，经第二球面凹面反射镜和第二平面反射镜反射汇聚在光输出孔，通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度。
本发明由于采用了上述技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：本发明所提供的主、被动一体的大气污染测量方法，通过主动状态和被动状态之间的切换，能同时适用于对地面附近大气环境污染和高层大气环境污染的测量；本发明所提供的主、被动一体的大气污染测量***，通过计算机控制测量***在主动状态和被动状态之间切换，将光发射单元和光接收单元分开设置，且在光接收单元处连接步进电机，步进电机在计算机的设定下控制光接收单元的转动，使整个***能够在主、被动状态间切换，使得本测量***既能够对地面附近大气环境污染进行测量，也能够对高层大气环境污染进行测量。
附图说明
通过以下本发明的实施例并结合附图的描述，示出本发明的其它优点和特征，该实施例以实例的形式给出，但并不限于此，其中：
图1为本发明主、被动一体的大气污染测量***的基本结构示意图。
其中：1.人工光源；2.光发射单元；21.第一平面反射镜；22.第一球面凹面反射镜；220.透光孔；3.光接收单元；31.第二平面反射镜；32.第二球面凹面反射镜；320.光输出孔；4.步进电机；5.光纤；6.光学分光***；7.计算机。
具体实施方式
如图1所示的主、被动一体的大气污染测量***，包括人工光源1、光发射单元2、位于远处的角反射镜(图中未示出)、光接收单元3、步进电机4、光学分光***6和计算机7。在本实施例中，人工光源1为紫外-可见光源，光发射单元2与人工光源1相邻设置，光接收单元3与人工光源1、光发射单元2设在同一直线上，光接收单元3可在竖直平面内转动，光学分光***6通过光纤5与光接收单元3连接。步进电机4与光接收单元3连接，用于控制光接收单元3在竖直平面内转动。其中，光发射单元2包括第一平 面反射镜21和第一球面凹面反射镜22，第一球面凹面反射镜22设置在靠近人工光源1的一侧，第一球面凹面反射镜22的中心设有透光孔220，光接收单元3包括第二平面反射镜31和第二球面凹面反射镜32，第二球面凹面反射镜32的中心设有光输出孔320，光纤5的入射端固定在光输出孔320中，第二平面反射镜31设在光接收单元3的开口端，第二球面凹面反射镜32设在光接收单元3远离开口的一端。
主动状态利用人工光源对地面附近大气环境污染进行测量，可同时适用于白天和夜晚，被动状态利用太阳散射光主要用于对高层大气环境污染进行测量，适用于白天。
按照计算机7的设定，整个测量***进行主动状态和被动状态之间的转换，***处于主动状态时，光接收单元3与光发射单元2共轴，人工光源1发出的光穿过透光孔220后射到第一平面反射镜21上，再由第一平面反射镜21反射至第一球面凹面反射镜22，经第一球面凹面反射镜22准直成平行光后发射到大气中去，发射至大气中的光经远处的角反射镜(图中未示出)反射回到测量***，光接收单元3开口端对准反射回的光线方向，接收反射回的光，经第二球面凹面反射镜32反射汇聚在第二平面反射镜31，再由第二平面反射镜31反射至第二球面凹面反射镜32中心的光输出孔320处，通过光纤5传输到光学分光***6进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机7进行分析，得出所测气体浓度。
当需要测量***进入被动状态，计算机7控制步进电机4工作，步进电机4带动光接收单元3在竖直平面内转动，光接收单元3转到其它方向，***进入被动状态，光接收单元3接收太阳散射光，与主动状态相同的，被接收的光经第二球面凹面反射镜32和第二平面反射镜31反射汇聚在光输出孔320，通过光纤5传输到光学分光***6进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机7进行分析，得出所测气体浓度。步进电机4带动光接收单元3转动至不同角度，可对高层大气不同区域的污染情况进行测量。
上述各单元各部件均为现有市售产品，无特殊要求。
Claims (6)
1.一种主、被动一体的大气污染测量方法，其特征在于该方法通过计算机控制测量***在主动状态和被动状态之间切换；
主动状态：调整人工光源、光发射单元与置于远处的角反射镜处于同一直线上，光接收单元与光发射单元共轴，接收由人工光源发出、经光发射单元发射并由远处的角反射镜反射回的光，接收的光通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度；
被动状态：光接收单元的开口端对准天空，接收太阳散射光，接收的太阳散射光通过光纤传输到光学分光***进行分光、转化为电信号，电信号被送入计算机进行分析，得出所测气体浓度；
计算机控制步进电机运作，步进电机带动光接收单元在竖直平面内转动：光接收单元转至与光发射单元共轴时，所述测量***处于主动状态，当光接收单元转动到其它方向，所述测量***处于被动状态。
2.一种实现如权利要求1所述方法的主、被动一体的大气污染测量***，包括人工光源、位于远处的角反射镜、光学分光***和计算机，其特征在于该***还包括：
光发射单元，与所述人工光源相邻设置；
光接收单元，与所述人工光源、光发射单元设于同一直线上，所述光接收单元可在竖直平面内转动，所述光学分光***通过光纤与所述光接收单元连接；
步进电机，与光接收单元连接，所述步进电机用于控制光接收单元在竖直平面内转动。
3.如权利要求2所述的测量***，其特征在于：所述光发射单元包括第一平面反射镜和第一球面凹面反射镜，第一球面凹面反射镜设置在靠近人工光源的一侧，所述第一球面凹面反射镜的中心设有透光孔，人工光源发出的光穿过所述透光孔射到所述第一平面反射镜上。
4.如权利要求2所述的测量***，其特征在于：所述光接收单元包括第二平面反射镜和第二球面凹面反射镜，所述第二球面凹面反射镜的中心设有光输出孔，所述光纤的入射端固定在所述光输出孔中。
5.如权利要求4所述的测量***，其特征在于：所述第二平面反射镜设在所述光接收单元的开口端，所述第二球面凹面反射镜设在所述光接收单元远离开口的一端。
6.如权利要求2所述的测量***，其特征在于：所述人工光源为紫外-可见光源。
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