大氣質量自動監測系統——DOAS系統原理及應用介紹
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大氣質量自動監測系統——DOAS系統原理及應用介紹

什麼是DOAS系統

差分光學吸收光譜技術,簡稱DOAS技術(Differential Optical Absorption Spectroscopy) )在20 世紀70 年代由PLATT等人提出,該方法是利用光線在大氣中傳輸時,大氣中各種氣體分子在不同的波段對其有不同的差分吸收的特性來反演這些微量氣體在大氣中的濃度。到20 世紀80 年代末,DOAS技術作為一種空氣監測系統在歐盟範圍內得到了廣泛的認可。

差分吸收光譜優勢

  1. 差分吸收光譜系統的監測範圍很廣,所測得的氣體濃度是沿幾百米到幾公里長的光路上的氣體濃度的均值,可以消除某些污染排放源對測量的干擾,所以測量結果更具有代表性。
  2. 由於該方法是非接觸性測量,因而可以避免一些誤差源的影響,比如檢測對象的化學變化、採樣器壁的吸附損失等,這特別適合於測量一些性質比較活潑的氣體分子和離子的質量濃度。
  3. 差分吸收光譜方法的測量週期短、響應快,並且儀器可實現紫外到可見光譜區的掃描,從而用一台儀器可實時檢測多種不同氣體的質量濃度。
  4. DOAS系統採用光學儀器比較穩定,因此,維護量小,運行費用低。此外,差分吸收光譜技術可對光譜反演算法中剩余光譜成分的分析,在揭示空氣中尚未發現的成分方面有很大的潛力。

DOAS測量原理

根據朗伯-比爾定律,處在某一長度為L的光程中的某種氣體的濃度N和發射端發出的光強I0(λ)及接收端接收到的光強I(λ)有以下關係:

 

 I (λ) = I0(λ) e-LNσ(λ)

如果知道了I (λ)、I0(λ)、L、σ(λ)的大小,就可以確定被測氣體的濃度N,這種分析方法稱為絕對吸收光譜法。實際上在光程較長時,我們通常採用差分吸收光譜法。差分吸收光譜系統的基本原理是利用氣體分子對光線的差分吸收。在紫外和近紫外附近,分子的吸收光譜主要是由分子或原子的電子躍遷引起的,該吸收光譜包括慢變的寬帶吸收和快變的窄帶吸收,去除寬帶吸收剩下窄帶吸收後,通常稱這個窄帶吸收為差分吸收,對應的吸收截面為差分吸收截面。比較被測氣體的差分吸收光譜和差分吸收截面,用最小二乘法擬合,可以計算出被測氣體的濃度。

DOAS系統基本裝置

DOAS整套儀器主要包括:光源、發射和接收系統、角反射鏡(發射和接收系統如不在同一側,不需角反射鏡)、光纜、單色儀、光譜儀和計算機等,儀器示意圖如下:

DOAS基本裝置

典型DOAS設備結構圖

 

典型DOAS設備結構圖

可以看出,光譜儀作為該系統的核心檢測設備,扮演著非常重要的作用,光譜儀與其他結構件之間的協同工作效率以及產品自身的性能指標很大程度上影響著最終輸出的光譜結果。

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