大气雾霾监测仪

李治玥，刘 通，冯梓航，武中臣，张鹏彦

(山东大学 空间科学与物理学院，山东 威海 264209)

大气雾霾监测仪

李治玥，刘 通，冯梓航，武中臣，张鹏彦

(山东大学 空间科学与物理学院，山东 威海 264209)

根据朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生实验教学仪器，搭建了微型大气雾霾检测仪. 该检测仪利用激光散射和透射原理定量分析大气雾霾浓度，对空气中固体小颗粒物浓度定标与快速分析，多次实验的结果证明：测量结果可靠，重复性好.

雾霾；激光；吸收；散射；朗伯定律；瑞利散射定律

伴随着工业、交通和城市化的迅猛发展，大气中的颗粒物含量增多，我国很多城市出现雾霾天气，除了低能见度对交通运输、工农业生产造成严重危害外，还由于其复杂的化学成分和沉降过程给人体健康和生态环境带来多种不利影响. 美国癌症协会主持的一项研究,对120万美国成人进行了长达26年(1982—2008年)的跟踪调査,结果发现空气中PM2.5浓度每升高10%，人群肺癌死亡率将升高15% ～27%，且肺癌死亡风险在慢性肺部疾病患者中更高[1]. 所产生的这些危害决定于雾滴和气溶胶的数浓度、尺度谱分布、化学性质等特性[2]. 气溶胶以及大气污染对气候和大气环境的影响一直属热点研究问题,国内外很多科研单位与科研人员在以不同的观测手段进行定期和不定期的观测研究[3]. 在目前的背景下,研制一种方便快捷监测大气雾霾的仪器就显得尤为重要.

由于激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，在测距、雷达、监测、遥感、通信等方面均有所应用[4]，雾霾对激光信号有吸收和散射作用，从而引起其强度的衰减，因此本实验选取激光作为光源[5]探究雾霾对激光的透射和散射的作用，实现了对空气中悬浮固体小颗粒物的定标，提出测量大气雾霾浓度的方法，并采用本科生教学实验室的现有实验仪器[6-7]，搭建了微型大气雾霾监测仪. 实验证明，自制大气雾霾监测仪方便快捷，简单高效，可应用于日常生产生活实践，对测霾、防霾、治霾有一定的应用价值.

1 实验理论分析

1.1光的吸收和散射现象

一定强度的光通过介质后射出的光的强度要减弱，光强度减弱的主要原因是由于介质对光的吸收和散射引起的.

当光通过介质时，要引起介质中电子的受迫振动，振动的偶极子要发出次级波. 由于偶极子的振动需要一定的能量来维持，同时还需要克服周围分子的阻尼运动，因而需要消耗能量. 光通过介质时，总要消耗一部分光的能量，使透过光的强度减弱，这是光吸收现象的主要原因.

光束通过不均匀透明介质时，介质使光线朝各个方向散射，这种现象称作光的散射. 其中，光通过悬浮颗粒的散射称为廷德尔散射，如光在含有烟、雾或灰尘的大气中的散射[5].

1.2光的吸收定律、散射定律

1)1束光强度为I0的平行单色光沿x轴入射厚度为L的介质，设最后从介质中透射出的光强度为I，经过的介质长度为x，则有[8]

I=I0exp (-kx) ,

(1)

(1)式中，k是比例系数，只与物质的性质和入射光的波长有关，称为物质的吸收系数. 朗伯定律表明当介质厚度按照线性增长时，光强度按照指数规律衰减.

2)光通过低浓度溶液时的规律：比尔定律.

实验证明，吸收系数k与溶液的浓度c成正比，即

k=βc.

(2)

由(1)～(2)式可得

I=I0exp (-βcx).

(3)

对(3)式两边取对数，得

令

其中D为溶液的光密度或吸光度，T为透光率.

在本实验中，光通过溶液和均匀不透明雾状或霾状气体时满足同样的规律.

3)瑞利散射定律[6]:散射光的强度与波长的4次方成反比I∝ 1/λ4.

光通过介质时，不仅介质的吸收会使透射光减弱，同时物质的散射也会使透射光减弱，光通过介质的吸收和散射后，强度也遵循指数规律，即

I=I0exp (-αl)=I0exp [-(k+h)l].

其中，k为吸收系数，h为散射系数，两者之和α称为衰减系数[7].

散射现象的本质是光波中的电磁场和介质分子相互作用的结果[8].

1.3颗粒物定标方法

实验中雾霾颗粒物样品选择黄山牌香烟燃烧后产生的漂浮在空气中的固体小颗粒. 首先，用精确电子秤称量注射器质量(注射器出口处封闭，且活塞处于最大刻度处). 然后，点燃1支香烟，打开活塞让烟充满注射器，将活塞重新推至最大刻度处，再用精确电子秤称量充满烟前后的注射器(除了通烟的操作外，注射器其余状况均保持与第一次称量时相同)，计算2次称量的差值即为烟(霾)的质量. 重复6次上述操作得到不同质量的雾霾样品.

2 实验过程及操作

2.1实验准备

实验需要的仪器为：精准电子秤(江苏双杰，精度为0.1 mg)、20 mL注射器、激光源、扩束镜、光吸收池、硅光电池接收器、光强计、灵敏电流计.

实验需要的材料为：黄山牌香烟、火柴或打火机、中效过滤棉.

2.2实验原理

实验装置如图1所示. 整个光路中，激光源亮度可调节，激光从扩束镜左侧入射，从右侧出射. 出射光为比入射光范围更宽的平行光. 平行光从第1个透明玻片射入光吸收池，雾霾样品在光吸收池中对激光进行吸收和散射后，平行光从第2个透明玻片处射出，并被接收器接收，转化为电信号. 其中，第1块有机玻璃上方为雾霾样品入口，使用符合量程与精度的注射器通入，实验中采取每次打入1 mL雾霾观察并记录光强计与灵敏电流计的示数变化. 光吸收池一侧为光强计，用于探测散射强度；第2块有机玻璃上方为出气口，出气口封口或添加过滤膜使空气逸出而阻回雾霾.

图1 大气雾霾监测仪装置示意图

2.3实验操作流程

图2 大气雾霾监测仪实物图

按照图2所示，调节光路，将光强计的探头置于合适位置并稳固，搭好监测仪器. 记录未通入雾霾样品时接收器的示数. 选取已经制备好的已知质量的雾霾样品，装置右端为可以阻拦雾霾、通过空气的膜封口，记录光强计与灵敏电流计的初始读数. 左端每次通入1 mL雾霾样品，记录每次通入样品后的该时刻光强计和灵敏电流计的示数. 通入样品完成后，取下注射器，使光吸收池进气口与出气口均保持畅通，在进气口通入空气直至光强计和灵敏电流计恢复初始值，则完成1次实验.

更改初始激光强度、导管长度、雾霾样品质量，重复上述通入雾霾样品与复原操作，测得多组数据，对所有数据进行整理、归纳、分析、作图，得到雾霾浓度与透射、散射光强度的对应关系.

3 数据处理与分析

如图3所示，在0～0.018 mg/mL范围内，接收到的光强随着雾霾浓度的增加而增加，通过软件对数据的拟合，图3的各数据点均匀分布于直线两侧，在误差范围内呈线性关系，线性方程为

I=-0.07+53.29C，

图3 散射光强度-雾霾浓度关系图

由于灵敏电流计的电流示数与接收到的光强度成正比关系，因此可用该示数的大小来反映光强度的变化. 如图4所示，在0～0.020 mg/mL范围内，透射光强度随着雾霾浓度的增加而减小，通过软件对数据的拟合，图4中的各个数据点位于平滑曲线两侧，在误差范围内，满足曲线方程：

I=0.47+6.53exp (-C/0.006)，

图4 透射光强度-雾霾浓度关系图

为研究本系统的测量准确性和重复性，进行了多组实验，结果如表1～2所示.

表1 拟合散度光强方程

表2 拟合透射光强方程

4 结束语

根据朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生实验教学仪器，提出了对大气雾霾浓度新的定量分析的方法，实现了对空气中固体小颗粒物浓度的定标；通过对激光的透射和散射光强随雾霾浓度变化的测量，找到一种简单易行的方法，符合预期. 因此，本大气雾霾监测仪的设计具有切实的可行性以及应用性. 整套装置仪器费用低，结构简约，为监测大气雾霾提供了切实可行的仪器. 该仪器通过激光穿过具体固体小颗粒物浓度的空气时透射率和散射率发生改变，可以应用于生活实际对霾浓度的监测，利用本仪器结合电脑软件对大气雾霾的进行实时监控，达到监测大气雾霾的目的. 同时在工业上对的油雾、酸雾、水蒸气等浓度进行监测，也可作测定沙尘暴等级的实物装置，亦可作为教学实验仪器的扩展，在实验室使用.

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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

[责任编辑：尹冬梅]

2016-12-09

李治玥(1993-)，女，广西桂林人，山东大学空间科学与物理学院2016级硕士研究生.

指导教师：张鹏彦(1978-)，女，山东泰安人，山东大学空间科学与物理学院实验师，学士，研究方向为激光光谱.