一种基于开放腔的便携式NO3自由基测量系统

本发明涉及大气环境监测及激光吸收光谱，尤其是一种基于开放腔的便携式自由基测量系统。

背景技术：

1、自由基是大气夜间化学过程中重要的氧化剂，对于夜间挥发性有机物的降解以及二次有机气溶胶的生成具有驱动作用。准确测量大气中自由基的浓度，对于研究大气光化学污染机制、氮氧化物循环以及制定区域空气质量控制策略具有至关重要的意义。目前，大气中自由基的测量主要采用封闭式光学谐振腔技术，环境大气需经过特定的采样管路和过滤膜进入光学谐振腔，不可避免的产生壁面采样损耗。为了修正上述损耗，通常采用复杂的标定系统来评估传输效率，由于环境湿度、气溶胶浓度不断变化，标定传输效率也会发生动态波动，导致测量结果存在较大不确定度和测量误差。此外，封闭式光学谐振腔仪器整体尺寸较大且有效光程无法动态调节。使用开放光路测量自由基可以有效避免上述问题，但开放光路易受大气湍流等环境因素影响且高反镜容易受到气溶胶和水汽污染导致反射率快速下降，难以满足野外长期测量需求。同时开放光路难以通入氮气进行背景信号标定，现有技术多采用固定氮气背景信号并安装额外的温湿度传感器和颗粒物分析仪进行背景信号拟合或修正，增加了测量不确定性和结构复杂性且环境适应性较差。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提出了一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，具体技术方案为：

2、一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，包括：光源模块、开放腔体模块、信号收集与转换模块和信号采集处理模块；

3、光源模块用于产生待测气体吸收波段宽带激光；

4、开放腔体模块用于测量采样气体或者环境大气中待测气体浓度；

5、信号收集与转换模块用于将开放腔体模块的透射激光进行分束、滤光后转换为电压信号输出到信号采集处理模块；

6、信号采集处理模块用于采集信号收集与转换模块的输出信号并在上位机中进行信号的处理与浓度的计算。

7、本发明具有以下有益效果：

8、1.本发明系统使用开放腔体测量自由基，有效减小了采样损耗导致的测量误差和不确定性。同时，开放腔体使得仪器尺寸大幅缩减，提高了系统的便携性。

9、2.本发明系统可以通过螺柱调整柔性波纹管改变两个高反镜之间距离实现系统有效光程的动态可调。通过实时测量系统本底相位可以实现有效光程的实时计算与镜面反射率的实时监控。

10、3.本发明系统采用柔性波纹管连接高反镜与主支架，不仅可以提供高精度三维俯仰角调节，还能导入微量吹扫气，有效阻挡开放环境中水汽和颗粒物，避免镜面污染，延长高反镜在野外的免维护周期和使用寿命。

11、4.本发明系统采用单一宽带led作为光源，利用窄带滤光片可以实现吸收信号和背景信号的同步实时测量，极大提高了自由基的测量准确性。

12、5.本发明系统利用日间浓度基本为零属性，同步提取吸收信号和参考信号并拟合其对应函数关系，夜间通过测量参考信号实时反推吸收波段的背景信号，实时扣除颗粒物散射和水汽吸收波动；无需通入测量固定背景信号或安装额外温湿度探头与颗粒物探测仪。

13、6.本发明系统采用腔衰减相移光谱技术，测量高频调制光的相位，有效避免野外大风、湍流扰动等恶劣条件导致的光强变化对测量结果的影响，极大提高了系统稳定性和环境适应性。

1.一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，包括：光源模块、开放腔体模块、信号采集与转换模块和信号采集处理模块；

2.根据权利要求1所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，所述光源模块包括中心波长为662nm的连续可调宽带led光源。

3.根据权利要求1所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，所述开放腔体模块中，光源模块发出待测气体吸收波段的宽带激光经第1高反镜单元和第2高反镜单元发生多次反射后输出，第1高反镜单元采用柔性波纹管和开放腔体第1支撑板上的限流孔相连接，波纹管通过螺柱调节俯仰角度，从而实现对第1高反镜单元角度的动态调节；第2高反镜单元采用柔性波纹管和开放腔体第2支撑板上的限流孔相连接，波纹管通过螺柱调节俯仰角度，从而实现对第2高反镜单元角度的动态调节。

4.根据权利要求1所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，第1高反镜单元上包括一个进气口，氮气从进气口进入后经柔性波纹管和限流孔后排出；第2高反镜单元上包括一个进气口，氮气从进气口进入后经柔性波纹管和限流孔后排出，开放腔体第1支撑板和开放腔体第2支撑板通过支撑杆相连接固定。

5.根据权利要求1所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，所述信号采集与转换模块中，包括分束镜、662nm窄带滤光片、第1光电探测器、650nm窄带滤光片和第2光电探测器；分束镜将开放腔体模块透射的光分为两束，一束经过662nm窄带滤光片后进入第1光电探测器中；另外一束经过650nm窄带滤光片后进入第2光电探测器中。

6.根据权利要求5所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括数据采集卡和上位机；数据采集卡高速采集第1光电探测器和第2光电探测器转换输出的电信号。

7.根据权利要求6所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，上位机包括计算机和虚拟仪器技术平台用于实时处理数据采集卡的输入信号。

8.根据权利要求5所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，662nm窄带滤光片将自由基吸收波段662nm过滤出来，经过腔相移技术后，含有待测气体的相位记为，不含待测气体的相位记为本底相位；650nm窄带滤光片将波段650nm过滤出来，由于此波段处自由基没有吸收，可视为本底信号，经过腔相移技术后，所测相位记为。

9.根据权利要求6所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，

10.根据权利要求2所示的一种基于开放腔的便携式自由基测量系统，其特征在于，led光源由高频方波信号进行调制。