李治玥，劉 通，馮梓航，武中臣，張鵬彥

(山東大學 空間科學與物理學院，山東 威海 264209)

大氣霧霾監(jiān)測儀

李治玥，劉 通，馮梓航，武中臣，張鵬彥

(山東大學 空間科學與物理學院，山東 威海 264209)

根據(jù)朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生實驗教學儀器，搭建了微型大氣霧霾檢測儀. 該檢測儀利用激光散射和透射原理定量分析大氣霧霾濃度，對空氣中固體小顆粒物濃度定標與快速分析，多次實驗的結果證明：測量結果可靠，重復性好.

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，我國很多城市出現(xiàn)霧霾天氣，除了低能見度對交通運輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重危害外，還由于其復雜的化學成分和沉降過程給人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來多種不利影響. 美國癌癥協(xié)會主持的一項研究,對120萬美國成人進行了長達26年(1982—2008年)的跟蹤調(diào)査,結果發(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%，且肺癌死亡風險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、化學性質(zhì)等特性[2]. 氣溶膠以及大氣污染對氣候和大氣環(huán)境的影響一直屬熱點研究問題,國內(nèi)外很多科研單位與科研人員在以不同的觀測手段進行定期和不定期的觀測研究[3]. 在目前的背景下,研制一種方便快捷監(jiān)測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，在測距、雷達、監(jiān)測、遙感、通信等方面均有所應用[4]，霧霾對激光信號有吸收和散射作用，從而引起其強度的衰減，因此本實驗選取激光作為光源[5]探究霧霾對激光的透射和散射的作用，實現(xiàn)了對空氣中懸浮固體小顆粒物的定標，提出測量大氣霧霾濃度的方法，并采用本科生教學實驗室的現(xiàn)有實驗儀器[6-7]，搭建了微型大氣霧霾監(jiān)測儀. 實驗證明，自制大氣霧霾監(jiān)測儀方便快捷，簡單高效，可應用于日常生產(chǎn)生活實踐，對測霾、防霾、治霾有一定的應用價值.

1 實驗理論分析

1.1光的吸收和散射現(xiàn)象

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

當光通過介質(zhì)時，要引起介質(zhì)中電子的受迫振動，振動的偶極子要發(fā)出次級波. 由于偶極子的振動需要一定的能量來維持，同時還需要克服周圍分子的阻尼運動，因而需要消耗能量. 光通過介質(zhì)時，總要消耗一部分光的能量，使透過光的強度減弱，這是光吸收現(xiàn)象的主要原因.

光束通過不均勻透明介質(zhì)時，介質(zhì)使光線朝各個方向散射，這種現(xiàn)象稱作光的散射. 其中，光通過懸浮顆粒的散射稱為廷德爾散射，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束光強度為I0的平行單色光沿x軸入射厚度為L的介質(zhì)，設最后從介質(zhì)中透射出的光強度為I，經(jīng)過的介質(zhì)長度為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)和入射光的波長有關，稱為物質(zhì)的吸收系數(shù). 朗伯定律表明當介質(zhì)厚度按照線性增長時，光強度按照指數(shù)規(guī)律衰減.

2)光通過低濃度溶液時的規(guī)律：比爾定律.

實驗證明，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(3)式兩邊取對數(shù)，得

令

其中D為溶液的光密度或吸光度，T為透光率.

在本實驗中，光通過溶液和均勻不透明霧狀或霾狀氣體時滿足同樣的規(guī)律.

3)瑞利散射定律[6]:散射光的強度與波長的4次方成反比I∝ 1/λ4.

光通過介質(zhì)時，不僅介質(zhì)的吸收會使透射光減弱，同時物質(zhì)的散射也會使透射光減弱，光通過介質(zhì)的吸收和散射后，強度也遵循指數(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)是光波中的電磁場和介質(zhì)分子相互作用的結果[8].

1.3顆粒物定標方法

實驗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，點燃1支香煙，打開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相同)，計算2次稱量的差值即為煙(霾)的質(zhì)量. 重復6次上述操作得到不同質(zhì)量的霧霾樣品.

2 實驗過程及操作

2.1實驗準備

實驗需要的儀器為：精準電子秤(江蘇雙杰，精度為0.1 mg)、20 mL注射器、激光源、擴束鏡、光吸收池、硅光電池接收器、光強計、靈敏電流計.

實驗需要的材料為：黃山牌香煙、火柴或打火機、中效過濾棉.

2.2實驗原理

實驗裝置如圖1所示. 整個光路中，激光源亮度可調(diào)節(jié)，激光從擴束鏡左側入射，從右側出射. 出射光為比入射光范圍更寬的平行光. 平行光從第1個透明玻片射入光吸收池，霧霾樣品在光吸收池中對激光進行吸收和散射后，平行光從第2個透明玻片處射出，并被接收器接收，轉化為電信號. 其中，第1塊有機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，實驗中采取每次打入1 mL霧霾觀察并記錄光強計與靈敏電流計的示數(shù)變化. 光吸收池一側為光強計，用于探測散射強度；第2塊有機玻璃上方為出氣口，出氣口封口或添加過濾膜使空氣逸出而阻回霧霾.

圖1 大氣霧霾監(jiān)測儀裝置示意圖

2.3實驗操作流程

圖2 大氣霧霾監(jiān)測儀實物圖

按照圖2所示，調(diào)節(jié)光路，將光強計的探頭置于合適位置并穩(wěn)固，搭好監(jiān)測儀器. 記錄未通入霧霾樣品時接收器的示數(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、通過空氣的膜封口，記錄光強計與靈敏電流計的初始讀數(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刻光強計和靈敏電流計的示數(shù). 通入樣品完成后，取下注射器，使光吸收池進氣口與出氣口均保持暢通，在進氣口通入空氣直至光強計和靈敏電流計恢復初始值，則完成1次實驗.

更改初始激光強度、導管長度、霧霾樣品質(zhì)量，重復上述通入霧霾樣品與復原操作，測得多組數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)進行整理、歸納、分析、作圖，得到霧霾濃度與透射、散射光強度的對應關系.

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)，接收到的光強隨著霧霾濃度的增加而增加，通過軟件對數(shù)據(jù)的擬合，圖3的各數(shù)據(jù)點均勻分布于直線兩側，在誤差范圍內(nèi)呈線性關系，線性方程為

I=-0.07+53.29C，

圖3 散射光強度-霧霾濃度關系圖

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

I=0.47+6.53exp (-C/0.006)，

圖4 透射光強度-霧霾濃度關系圖

為研究本系統(tǒng)的測量準確性和重復性，進行了多組實驗，結果如表1～2所示.

表1 擬合散度光強方程

表2 擬合透射光強方程

4 結束語

根據(jù)朗伯定律和瑞利散射定律，利用本科生實驗教學儀器，提出了對大氣霧霾濃度新的定量分析的方法，實現(xiàn)了對空氣中固體小顆粒物濃度的定標；通過對激光的透射和散射光強隨霧霾濃度變化的測量，找到一種簡單易行的方法，符合預期. 因此，本大氣霧霾監(jiān)測儀的設計具有切實的可行性以及應用性. 整套裝置儀器費用低，結構簡約，為監(jiān)測大氣霧霾提供了切實可行的儀器. 該儀器通過激光穿過具體固體小顆粒物濃度的空氣時透射率和散射率發(fā)生改變，可以應用于生活實際對霾濃度的監(jiān)測，利用本儀器結合電腦軟件對大氣霧霾的進行實時監(jiān)控，達到監(jiān)測大氣霧霾的目的. 同時在工業(yè)上對的油霧、酸霧、水蒸氣等濃度進行監(jiān)測，也可作測定沙塵暴等級的實物裝置，亦可作為教學實驗儀器的擴展，在實驗室使用.

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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

[責任編輯：尹冬梅]

2016-12-09

李治玥(1993-)，女，廣西桂林人，山東大學空間科學與物理學院2016級碩士研究生.

指導教師：張鵬彥(1978-)，女，山東泰安人，山東大學空間科學與物理學院實驗師，學士，研究方向為激光光譜.