大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀

李治玥，劉 通，馮梓航，武中臣，張鵬彥

(山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院，山東 威海 264209)

大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀

李治玥，劉 通，馮梓航，武中臣，張鵬彥

(山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院，山東 威海 264209)

根據(jù)朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，搭建了微型大氣霧霾檢測(cè)儀. 該檢測(cè)儀利用激光散射和透射原理定量分析大氣霧霾濃度，對(duì)空氣中固體小顆粒物濃度定標(biāo)與快速分析，多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明：測(cè)量結(jié)果可靠，重復(fù)性好.

霧霾；激光；吸收；散射；朗伯定律；瑞利散射定律

伴隨著工業(yè)、交通和城市化的迅猛發(fā)展，大氣中的顆粒物含量增多，我國(guó)很多城市出現(xiàn)霧霾天氣，除了低能見(jiàn)度對(duì)交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害外，還由于其復(fù)雜的化學(xué)成分和沉降過(guò)程給人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)多種不利影響. 美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)主持的一項(xiàng)研究,對(duì)120萬(wàn)美國(guó)成人進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)26年(1982—2008年)的跟蹤調(diào)査,結(jié)果發(fā)現(xiàn)空氣中PM2.5濃度每升高10%，人群肺癌死亡率將升高15% ～27%，且肺癌死亡風(fēng)險(xiǎn)在慢性肺部疾病患者中更高[1]. 所產(chǎn)生的這些危害決定于霧滴和氣溶膠的數(shù)濃度、尺度譜分布、化學(xué)性質(zhì)等特性[2]. 氣溶膠以及大氣污染對(duì)氣候和大氣環(huán)境的影響一直屬熱點(diǎn)研究問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外很多科研單位與科研人員在以不同的觀測(cè)手段進(jìn)行定期和不定期的觀測(cè)研究[3]. 在目前的背景下,研制一種方便快捷監(jiān)測(cè)大氣霧霾的儀器就顯得尤為重要.

由于激光高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)距、雷達(dá)、監(jiān)測(cè)、遙感、通信等方面均有所應(yīng)用[4]，霧霾對(duì)激光信號(hào)有吸收和散射作用，從而引起其強(qiáng)度的衰減，因此本實(shí)驗(yàn)選取激光作為光源[5]探究霧霾對(duì)激光的透射和散射的作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中懸浮固體小顆粒物的定標(biāo)，提出測(cè)量大氣霧霾濃度的方法，并采用本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器[6-7]，搭建了微型大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀. 實(shí)驗(yàn)證明，自制大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀方便快捷，簡(jiǎn)單高效，可應(yīng)用于日常生產(chǎn)生活實(shí)踐，對(duì)測(cè)霾、防霾、治霾有一定的應(yīng)用價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)理論分析

1.1光的吸收和散射現(xiàn)象

一定強(qiáng)度的光通過(guò)介質(zhì)后射出的光的強(qiáng)度要減弱，光強(qiáng)度減弱的主要原因是由于介質(zhì)對(duì)光的吸收和散射引起的.

當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，要引起介質(zhì)中電子的受迫振動(dòng)，振動(dòng)的偶極子要發(fā)出次級(jí)波. 由于偶極子的振動(dòng)需要一定的能量來(lái)維持，同時(shí)還需要克服周圍分子的阻尼運(yùn)動(dòng)，因而需要消耗能量. 光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，總要消耗一部分光的能量，使透過(guò)光的強(qiáng)度減弱，這是光吸收現(xiàn)象的主要原因.

光束通過(guò)不均勻透明介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)使光線朝各個(gè)方向散射，這種現(xiàn)象稱作光的散射. 其中，光通過(guò)懸浮顆粒的散射稱為廷德?tīng)柹⑸?，如光在含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射[5].

1.2光的吸收定律、散射定律

1)1束光強(qiáng)度為I0的平行單色光沿x軸入射厚度為L(zhǎng)的介質(zhì)，設(shè)最后從介質(zhì)中透射出的光強(qiáng)度為I，經(jīng)過(guò)的介質(zhì)長(zhǎng)度為x，則有[8]

I=I0exp (-kx) ,

(1)

(1)式中，k是比例系數(shù)，只與物質(zhì)的性質(zhì)和入射光的波長(zhǎng)有關(guān)，稱為物質(zhì)的吸收系數(shù). 朗伯定律表明當(dāng)介質(zhì)厚度按照線性增長(zhǎng)時(shí)，光強(qiáng)度按照指數(shù)規(guī)律衰減.

2)光通過(guò)低濃度溶液時(shí)的規(guī)律：比爾定律.

實(shí)驗(yàn)證明，吸收系數(shù)k與溶液的濃度c成正比，即

k=βc.

(2)

由(1)～(2)式可得

I=I0exp (-βcx).

(3)

對(duì)(3)式兩邊取對(duì)數(shù)，得

令

其中D為溶液的光密度或吸光度，T為透光率.

在本實(shí)驗(yàn)中，光通過(guò)溶液和均勻不透明霧狀或霾狀氣體時(shí)滿足同樣的規(guī)律.

3)瑞利散射定律[6]:散射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比I∝ 1/λ4.

光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，不僅介質(zhì)的吸收會(huì)使透射光減弱，同時(shí)物質(zhì)的散射也會(huì)使透射光減弱，光通過(guò)介質(zhì)的吸收和散射后，強(qiáng)度也遵循指數(shù)規(guī)律，即

I=I0exp (-αl)=I0exp [-(k+h)l].

其中，k為吸收系數(shù)，h為散射系數(shù)，兩者之和α稱為衰減系數(shù)[7].

散射現(xiàn)象的本質(zhì)是光波中的電磁場(chǎng)和介質(zhì)分子相互作用的結(jié)果[8].

1.3顆粒物定標(biāo)方法

實(shí)驗(yàn)中霧霾顆粒物樣品選擇黃山牌香煙燃燒后產(chǎn)生的漂浮在空氣中的固體小顆粒. 首先，用精確電子秤稱量注射器質(zhì)量(注射器出口處封閉，且活塞處于最大刻度處). 然后，點(diǎn)燃1支香煙，打開(kāi)活塞讓煙充滿注射器，將活塞重新推至最大刻度處，再用精確電子秤稱量充滿煙前后的注射器(除了通煙的操作外，注射器其余狀況均保持與第一次稱量時(shí)相同)，計(jì)算2次稱量的差值即為煙(霾)的質(zhì)量. 重復(fù)6次上述操作得到不同質(zhì)量的霧霾樣品.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及操作

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)需要的儀器為：精準(zhǔn)電子秤(江蘇雙杰，精度為0.1 mg)、20 mL注射器、激光源、擴(kuò)束鏡、光吸收池、硅光電池接收器、光強(qiáng)計(jì)、靈敏電流計(jì).

實(shí)驗(yàn)需要的材料為：黃山牌香煙、火柴或打火機(jī)、中效過(guò)濾棉.

2.2實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 整個(gè)光路中，激光源亮度可調(diào)節(jié)，激光從擴(kuò)束鏡左側(cè)入射，從右側(cè)出射. 出射光為比入射光范圍更寬的平行光. 平行光從第1個(gè)透明玻片射入光吸收池，霧霾樣品在光吸收池中對(duì)激光進(jìn)行吸收和散射后，平行光從第2個(gè)透明玻片處射出，并被接收器接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào). 其中，第1塊有機(jī)玻璃上方為霧霾樣品入口，使用符合量程與精度的注射器通入，實(shí)驗(yàn)中采取每次打入1 mL霧霾觀察并記錄光強(qiáng)計(jì)與靈敏電流計(jì)的示數(shù)變化. 光吸收池一側(cè)為光強(qiáng)計(jì)，用于探測(cè)散射強(qiáng)度；第2塊有機(jī)玻璃上方為出氣口，出氣口封口或添加過(guò)濾膜使空氣逸出而阻回霧霾.

圖1 大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀裝置示意圖

2.3實(shí)驗(yàn)操作流程

圖2 大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀實(shí)物圖

按照?qǐng)D2所示，調(diào)節(jié)光路，將光強(qiáng)計(jì)的探頭置于合適位置并穩(wěn)固，搭好監(jiān)測(cè)儀器. 記錄未通入霧霾樣品時(shí)接收器的示數(shù). 選取已經(jīng)制備好的已知質(zhì)量的霧霾樣品，裝置右端為可以阻攔霧霾、通過(guò)空氣的膜封口，記錄光強(qiáng)計(jì)與靈敏電流計(jì)的初始讀數(shù). 左端每次通入1 mL霧霾樣品，記錄每次通入樣品后的該時(shí)刻光強(qiáng)計(jì)和靈敏電流計(jì)的示數(shù). 通入樣品完成后，取下注射器，使光吸收池進(jìn)氣口與出氣口均保持暢通，在進(jìn)氣口通入空氣直至光強(qiáng)計(jì)和靈敏電流計(jì)恢復(fù)初始值，則完成1次實(shí)驗(yàn).

更改初始激光強(qiáng)度、導(dǎo)管長(zhǎng)度、霧霾樣品質(zhì)量，重復(fù)上述通入霧霾樣品與復(fù)原操作，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸納、分析、作圖，得到霧霾濃度與透射、散射光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

3 數(shù)據(jù)處理與分析

如圖3所示，在0～0.018 mg/mL范圍內(nèi)，接收到的光強(qiáng)隨著霧霾濃度的增加而增加，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的擬合，圖3的各數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布于直線兩側(cè)，在誤差范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程為

I=-0.07+53.29C，

圖3 散射光強(qiáng)度-霧霾濃度關(guān)系圖

由于靈敏電流計(jì)的電流示數(shù)與接收到的光強(qiáng)度成正比關(guān)系，因此可用該示數(shù)的大小來(lái)反映光強(qiáng)度的變化. 如圖4所示，在0～0.020 mg/mL范圍內(nèi)，透射光強(qiáng)度隨著霧霾濃度的增加而減小，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的擬合，圖4中的各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于平滑曲線兩側(cè)，在誤差范圍內(nèi)，滿足曲線方程：

I=0.47+6.53exp (-C/0.006)，

圖4 透射光強(qiáng)度-霧霾濃度關(guān)系圖

為研究本系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性和重復(fù)性，進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1～2所示.

表1 擬合散度光強(qiáng)方程

表2 擬合透射光強(qiáng)方程

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，提出了對(duì)大氣霧霾濃度新的定量分析的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣中固體小顆粒物濃度的定標(biāo)；通過(guò)對(duì)激光的透射和散射光強(qiáng)隨霧霾濃度變化的測(cè)量，找到一種簡(jiǎn)單易行的方法，符合預(yù)期. 因此，本大氣霧霾監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)具有切實(shí)的可行性以及應(yīng)用性. 整套裝置儀器費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約，為監(jiān)測(cè)大氣霧霾提供了切實(shí)可行的儀器. 該儀器通過(guò)激光穿過(guò)具體固體小顆粒物濃度的空氣時(shí)透射率和散射率發(fā)生改變，可以應(yīng)用于生活實(shí)際對(duì)霾濃度的監(jiān)測(cè)，利用本儀器結(jié)合電腦軟件對(duì)大氣霧霾的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到監(jiān)測(cè)大氣霧霾的目的. 同時(shí)在工業(yè)上對(duì)的油霧、酸霧、水蒸氣等濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也可作測(cè)定沙塵暴等級(jí)的實(shí)物裝置，亦可作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的擴(kuò)展，在實(shí)驗(yàn)室使用.

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Atmospherichazemonitoringinstrument

LI Zhi-yue, LIU Tong， FEGN Zi-hang, WU Zhong-chen, ZHANG Peng-yan

(School of Space Science and Physics, Shandong University at Weihai, Weihai 264209, China)

Based on Lambert law and Rayleigh scattering law, an atmospheric haze monitoring instrument was set up by using the physics educational apparatus. Using the instrument, the concentration of atmospheric haze was quantitatively analyzed through laser scattering and transmission. The results showed that this method was dependable and repeatable.

haze； laser； absorption； scattering； Lambert law； Rayleigh scattering law

O436.2

A

1005-4642(2017)10-0014-04

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

2016-12-09

李治玥(1993-)，女，廣西桂林人，山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院2016級(jí)碩士研究生.

指導(dǎo)教師：張鵬彥(1978-)，女，山東泰安人，山東大學(xué)空間科學(xué)與物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，研究方向?yàn)榧す夤庾V.