PM2.5模拟溶液的光学特性研究

杨晓东，田园，朱春燕（西安工业大学北方信息工程学院光电信息系，陕西西安，710032）

PM2.5模拟溶液的光学特性研究

杨晓东，田园，朱春燕
（西安工业大学北方信息工程学院光电信息系，陕西西安，710032）

雾霾是危害当今大气环境的突出表现，研究雾霾的光学属性具有十分重要的意义。一般通过对PM2.5，也就是空气中直径小于或等于2.5微米的污染颗粒物的检测来分辨雾霾的等级。本文通过对PM2.5模拟溶液的检测来反应雾霾的等级，利用PM2.5模拟溶液的浓度与光强度和对比度进行归纳，得到具有一定规律的实验数据，为今后利用光学的方法对雾霾进行检测打下基础。

雾霾；PM2.5；迈克尔逊干涉；光功率；对比度

0 引言

近两年，雾霾[1]天气在全国大部分城市上演，其范围广、持续时间长、影响深，已经超过以往。由于雾霾天气，人们的生活受到了极大的影响：交通受到危害；引发呼吸疾病、心血管疾病，癌症增加率，导致人民健康受到影响。对于经济发展也很不利，这样的环境问题必然会影响到国家形象。严重的雾霾现象促使人们更加关注环境保护、能源消费以及它们和经济发展之间的关系。

本论文主要研究雾霾组成成分中占最大比例的大颗粒物PM2.5[2]，实验利用碳酸钙粉末不溶于水的特点，将碳酸钙粉末与蒸馏水进行配比，得出不同浓度的溶液，因为PM2.5的等级划分是按照浓度来划分的，所以此方法具有一定的研究价值。雾霾预警等级划分[3]为黄色、橙色和红色，分别对应预报等级用语中的中度霾、重度霾和严重霾。霾黄色预警：能见度[4-5]小于5000米，PM2.5浓度大于150微克/立方米且小于等于250微克/立方米。霾橙色预警：能见度小于5000米，PM2.5浓度大于250微克/立方米且小于等于500微克/立方米。霾红色预警：能见度小于5000米，PM2.5浓度大于500微克/立方米。

1 迈克尔逊干涉仪测量原理

图1所示为迈克尔逊干涉[6-12]装置原理图，G1是一面镀有半反半透膜的分束板，补偿已经省略，M1、M2为平面反射镜。G1将光源S0射来的光束一分为二，这两束光分别又被两块平面镜反射，当镜M1与镜M2严格垂直时，在观察屏E处形成等倾干涉圆环图样。移动镜M1略微倾斜，则可以观察到等厚干涉条纹本实验将获取该种类型条纹。将被测量的溶液样品放在M1所在的臂中，不改变两个反射镜和样品的位置，通过对溶液密度的改变，可以得到不同特性的条纹属性。通过对所得条纹进行分析，得到具有一定规律的对比数据。

图1 迈克尔逊干涉法

2 实验器材

气垫式光学实验平台如图2、高精度天平如图3、胶头滴管、碳酸钙粉末、500ml量程的量杯、搅拌用的玻璃棒、石英器皿、5:5半反半透镜、3:7半反半透镜、光功率接收器、CCD接收器、反射镜等。

图2 气垫式光学实验平台

图3 高精度天平

3 碳酸钙溶液配比

由于PM2.5的浓度单位是ug/m3，单位非常小，高精度天平只能精确到0.001mg，所以将这个浓度同比放大1000倍，以浓度为500ug/m3的PM2.5为例，同比放大1000倍，浓度为500mg/L，也就是0.05g/100ml。因为需要激光透射过该平面所以需要该平面保持干净。配比出来的溶液都不能长久放置，因为碳酸钙粉末会沉淀于溶液底部。所以每次都需要重新配比溶液，配比出来的溶液需要即使的进行实验，不然会影响实验数据。

4 实验图像及数据处理

实验采用迈克尔逊干涉装置来测量PM2.5模拟溶液不同浓度的对比度，如表1。随着浓度的增加，所得等厚条纹的对比度会随着变大。对比度为光功率的最大值，Im为光功率的最小值。

表1 迈克尔逊干涉下PM2.5模拟溶液的光强度和对比度

图4 浓度与总光强度对比图

图4 为PM2.5模拟溶液浓度与总光强度 I的对比图，其中X轴为溶液浓度，Y轴为总光强度。可以得出，在PM2.5模拟溶液浓度为0～200微克/立方米阶段，光强度平稳的降低，但在PM2.5模拟溶液浓度为200～250微克/立方米阶段，有一段会大幅度的降低，之后又趋向稳定的降低。

图5为PM2.5模拟溶液的浓度与对比度的比较图，X轴为PM2.5模拟溶液的浓度，Y轴为对比度Õ。在150微克/立方米之前，对比度成下降趋势，从150微克/立方米到500微克/立方米的浓度对比度都是呈现上升趋势。

图5 PM2.5模拟溶液的浓度与对比度的比较图

图6 是不同浓度的迈克尔逊干涉实验下CCD接收的图像，图(a)为蒸馏水，图(b)为浓度150微克/立方米，图(c)为浓度200微克/立方米，图(d)为浓度300微克/立方米，图(e)为浓度400微克/立方米，图(f)为浓度500微克/立方米。

图(a)到图(f)中用半径为0.3cm的同心圆来观察具体差异。从迈克尔逊干涉实验中接收到的CCD图片中可以看出，随着碳酸钙溶液浓度的增加，也就是PM2.5模拟溶液浓度的增加，在半径为0.3的同心圆内部的条纹数量不断减少，而中心亮斑中条纹的颜色变淡，在碳酸钙溶液浓度为500微克/立方米的时候，中心亮斑中的条纹几乎不可见，可以得出PM2.5浓度越高，条纹数量就越稀疏，中心亮斑的条纹颜色越淡。

图6 CCD接收条纹分布图像

5 结论

本文通过对迈克尔逊干涉实验装置的搭建，对照PM2.5的浓度配比了模拟溶液。对溶液的条纹分布、光强度、对比度进行了分析，得到具有一定规律的数据和图像，为以后的雾霾光学特性研究奠定基础。

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Study on the optical characteristics of PM2.5 simulation solution

Yang Xiaodong ,Tian Yuan ,Zhu Chunyan
（Xi’an University of Technological Information, Xi’an Shaanxi, 710032)

Haze is a prominent manifestation of harmful atmospheric environment, and it is of great significance to study the optical properties of haze. The level of smog is generally resolved through the detection of particulate matter that is less than or equal to 2.5 micrometers in diameter. This article through to the detection of PM2.5 simulation solution to reflect the level of smog, the concentration of PM2.5 simulation solution and summarized the light intensity and contrast, have certain regularities obtained experimental data, for the future use of optical method to test the fog lay the foundation.

Haze; PM2.5; Michelson interference; Optical power;Contrast