空氣質量自動監測系統差分光學吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應用1.空氣質量自動監測系統差分光學吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應用ＤＯＡＳ系統發展與現狀ＤＯＡＳ測量方法簡介常用ＤＯＡＳ儀器結構組成ＤＯＡＳ監測儀器的校準檢驗故障及排除2.ＤＯＡＳ系統發展與現狀2.一、DOAS系統發展與現狀3.一、DOAS系統發展與現狀3.一、DOAS系統發展與現狀什么是DOAS系統

差分光學吸收光譜技術，簡稱DOAS技術(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)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波段對其有不同的差分吸收特性，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范圍內的到了廣泛的認可。4.一、DOAS系統發展與現狀什么是DOAS系統4.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有以下優點監測范圍很廣，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平均值，可以消除某些污染排放源對測量的干擾，所以測量結構更具有代表性。由于該方法是非接觸性測量，因而可以避免一些誤差源的影響，如監測對象的化學變化、采樣器壁的吸附損失等，這特別適合于測量一些性質比較活潑的氣體分子和離子的質量濃度。測量周期短、響應快，并且儀器可實現紫外到可見光譜區的掃描，從而用一臺儀器可實時監測多種不同氣體的質量濃度。采用光學儀器比較穩定，因此，維護量小，運行費用低。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。

5.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有以下優點5.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有一些不足：DOAS系統也存在一些不足，比如對環境的要求比較高，在濃霧、大雨、沙塵暴天氣，信號被大幅度衰減，而使接收端得不到足夠的光強信號時，該儀器不能正常運行。6.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有一些不足：6.二、DOAS測量方法簡介7.二、DOAS測量方法簡介7.二、DOAS測量方法簡介

8.二、DOAS測量方法簡介

8.二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置DOAS整套儀器主要包括：光源、發射和接受系統、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、CCD探測器和計算機等，儀器示意圖如下：9.二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置9.三、常用DOAS儀器結構組成10.三、常用DOAS儀器結構組成10.三、常用DOAS儀器結構組成瑞典OPSIS公司AR500系統主要包括發射、接收器和分析儀(光譜儀與計算機)。下圖為AR500結構圖：

11.三、常用DOAS儀器結構組成瑞典OPSIS公司AR500系統三、常用DOAS儀器結構組成法國Environment公司SANOA10C系統SANOA10C系統主要包括：望遠鏡發射器和一體化接收器。12.三、常用DOAS儀器結構組成法國Environment公司S三、常用DOAS儀器結構組成藍盾LGH-01DOAS系統LGH-01DOAS系統主要包括發射與接收單元、測量單元(光譜儀與快速掃描裝置)數據采集單元與處理單元(AD采集卡和計算機)。系統結構如下圖所示：13.三、常用DOAS儀器結構組成藍盾LGH-01DOAS系統1四、DOAS監測儀器的校準檢驗14.四、DOAS監測儀器的校準檢驗14.四、DOAS監測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準要求：系統在安裝調試期間，應對檢測儀器精密度檢查和準確度檢查。系統更換機械運動部件、光學部件、檢測傳感器和光源等主要部件，必須進行精密度檢查。系統運行中每個月需用汞燈對光譜儀波長進行一次標定，每3個月進行一次單點檢驗(選擇一個項目用等效濃度為滿量程10%到20%的標氣)，每年進行一次多點校準(等效濃度)DOAS監測儀器校準方法有兩種：在原光程上疊加一個校準池，通入標準氣體，進行校準。采用一個與實際監測相同的氙燈源和一個短光程，通過調節短光程中吸收池的長度和通入的標氣濃度，進行校準。

15.四、DOAS監測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準要求：1四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：疊加一個校準池，進行精密度檢查

在每個監測光程配備一個校準池，直接放置于接收器前窗。校準池通常是永久固定式的。下圖為OPSISAR500系統CC150裝置，該裝置固定于ER150接收器前窗。在沒有氣象因素干擾的情況下進行。向校準池通標氣，待其穩定后方可開始測量。16.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：疊加一個校準池，進行準確度檢查

通過采用改變鋼瓶標準氣的濃度，得到滿量程范圍3%~8%、15%~20%、35%~45%和80%~90%等測點的等效濃度值，向分析儀器校準池分別注入標氣，待各點讀數穩定后分別記錄各點的響應值。按多點校準評價步驟做校準曲線的評價。

通過對校準曲線進行評價，可以判斷儀器設備工作情況，校準曲線的截距反映了監測儀器的零點漂移情況，斜率反映了儀器的線性指標，相關系數反映了所得的直線與各校準數據點相吻合的程度。17.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法二：

選用廠家提供的專用校準裝置，通過改變校準池長度的方法進行精密度檢查和準確度檢查。通過不同長度吸收池CC001的組合，而改變吸收池的長度，進行精密度檢查和準確度檢查。如下圖18.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法二：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

19.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

19.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗校準步驟：校準的準備及氣路連接

步驟1：用汞燈的296.73nm和302.15nm兩點的特征峰對儀器進行標定，方法見掃描裝置的校準調試(汞燈標定)。步驟2：通過光程切換將光不經過大氣傳輸直接返回(放下遮光板)，稱之為“零光路”。

步驟3：仔細擦凈每個校準池兩端的透光玻璃，并精確測量校準池的長度，按下圖所示連接氣路，將校準池疊加到光城中。

步驟4：利用系統軟件“樣氣標定”功能完成樣氣標定功能。20.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗校準步驟：20.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

21.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

21.五、故障及排除22.五、故障及排除22.五、故障及排除

23.五、故障及排除

23.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故障現象可能的故障原因處理方法通訊故障控制端口設置不正確望遠鏡底部定標電機沒有初始化結束RS232-RS485轉接模塊故障RS485信號箝位線路連接不良將軟件主界面右上角控制端口設置成COM1或COM2等初始化結束后重新啟動CNDOAS軟件更換RS232-RS485轉接模塊斷開與PM10、氣象儀的通訊連接，重新啟動CNDOAS軟件檢查通訊部件之間的連接線纜氙燈點不亮或熄滅氙燈電源故障氙燈電源過熱或過壓、欠壓保護氙燈老化點氙燈時，可以聽到點火聲，如果聽不到聲音或聽到吱吱聲，聯系廠家等氙燈電源冷卻下來再打開氙燈電源，檢查電源電壓及氙燈電源內部風扇更換氙燈極少或沒有反射光沒有對準光路被遮擋反射鏡窗口或角反射鏡表面被污染調整望遠鏡粗調旋鈕移開遮擋物清晰窗口或角反射鏡表面信號強度太低光路偏移燈老化或使用時間過久氣候狀況(雨、霧等)見上更換氙燈不是故障，讓儀器正常運行，繼續采集數據24.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故障現象可能的故障原因處理方法沒有信號光產生光纖沒有安裝到位光纖故障PMT高壓是否加上A/D采集卡板故障光譜儀入射狹縫關閉安裝好光纖檢查PMT高壓模塊是否有直流電壓檢查高壓線、ADC信號線的連接在零光路狀態下，調整好光路，在CNDOAS控制軟件下選擇自由觸發狀態，觀察光信號打開光譜儀入射狹縫分析結果不正常光譜儀光柵偏移燈譜文件沒有更新燈老化數據庫被破壞濾光片沒有轉動到位濾光片表面不干凈手動或自動校準波長，用汞燈去標定正確更新燈譜文件更換氙燈重新安裝應用軟件見濾光片沒有轉動到位故障用玻璃紙擦拭DOAS不進行分析燈譜文件測量不正確燈譜文件沒有更新正確測量燈譜文件正確更新燈譜文件掃面圓盤不能啟動通訊不正常圓盤電機驅動器電壓沒有加上連線松電路板故障步進電機驅動電流偏小或偏大步進電機故障見通訊故障處理檢查控制箱圓盤驅動器24V電壓是否加上檢查圓盤驅動電路連線檢查控制器電路板調整步進電機驅動器電流更換步進電機驅動器更換步進電機25.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故障現象可能的故障原因處理方法無觸發信號ADC采集卡接頭松動轉盤觸發光耦壞控制板壞圓盤沒有啟動未啟動數據采集命令ADC采集壞將接頭接牢更換轉盤觸發光耦檢查控制器電路板觸發電路用CNDOAS軟件啟動圓盤用CNDOAS軟件啟動數據采集命令更換ADC采集卡濾光片轉不到位接頭松動濾光片光耦壞濾光片電機驅動器12V電壓沒加上電路板壞步進電機驅動電流不和要求步進電機驅動器壞步進電機壞將接頭接牢更換光耦檢查濾光片電機驅動器12V電壓檢查控制器電路板正確設置驅動電路更換步進電機驅動器更換步進電機26.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故五、故障及排除儀器維護及檢查(以藍盾LGH-01為例說明)：氙燈的注意事項：燈兩端的固定要接觸良好;必須保持氙燈表面的清潔，安裝之前用酒精擦拭干凈；氙燈安裝必須帶手套操作，嚴禁用物或反復使用過的不潔手套觸及泡體；切不可在未封閉狀態下點燈；密切注意氙燈冷卻風扇的運行情況，一旦風扇不轉，應立即關閉氙燈電源；氙燈安裝時要注意電源極性，極性為上正下負，切不可裝錯。27.五、故障及排除儀器維護及檢查(以藍盾LGH-01為例說明)：五、故障及排除日常維護：

為能使儀器長期可靠運轉，應對系統定期檢查及維護。下表中的檢查周期只是參考，用戶根據實際使用情況進行調整。氙燈每6個月更換一次望遠鏡前窗玻璃每3個月用酒精將表面擦洗一次角反射鏡每3個月用酒精將表面擦洗一次氙燈風扇每周檢查一次光譜儀每1年給光譜儀運動絲桿加潤滑油汞燈波長校準每1個月手動校準一次計算機硬盤每1個月進行一次磁盤掃描清理28.五、故障及排除日常維護：氙燈每6個月更換一次望遠鏡前窗玻璃每謝謝~~29.謝謝~~29.空氣質量自動監測系統差分光學吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應用30.空氣質量自動監測系統差分光學吸收光譜

ＤＯＡＳ儀器原理及應用ＤＯＡＳ系統發展與現狀ＤＯＡＳ測量方法簡介常用ＤＯＡＳ儀器結構組成ＤＯＡＳ監測儀器的校準檢驗故障及排除31.ＤＯＡＳ系統發展與現狀2.一、DOAS系統發展與現狀32.一、DOAS系統發展與現狀3.一、DOAS系統發展與現狀什么是DOAS系統

差分光學吸收光譜技術，簡稱DOAS技術(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)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波段對其有不同的差分吸收特性，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范圍內的到了廣泛的認可。33.一、DOAS系統發展與現狀什么是DOAS系統4.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有以下優點監測范圍很廣，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平均值，可以消除某些污染排放源對測量的干擾，所以測量結構更具有代表性。由于該方法是非接觸性測量，因而可以避免一些誤差源的影響，如監測對象的化學變化、采樣器壁的吸附損失等，這特別適合于測量一些性質比較活潑的氣體分子和離子的質量濃度。測量周期短、響應快，并且儀器可實現紫外到可見光譜區的掃描，從而用一臺儀器可實時監測多種不同氣體的質量濃度。采用光學儀器比較穩定，因此，維護量小，運行費用低。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。

34.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有以下優點5.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有一些不足：DOAS系統也存在一些不足，比如對環境的要求比較高，在濃霧、大雨、沙塵暴天氣，信號被大幅度衰減，而使接收端得不到足夠的光強信號時，該儀器不能正常運行。35.一、DOAS系統發展與現狀差分吸收光譜方法具有一些不足：6.二、DOAS測量方法簡介36.二、DOAS測量方法簡介7.二、DOAS測量方法簡介

37.二、DOAS測量方法簡介

8.二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置DOAS整套儀器主要包括：光源、發射和接受系統、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、CCD探測器和計算機等，儀器示意圖如下：38.二、DOAS測量方法簡介DOAS儀器基本裝置9.三、常用DOAS儀器結構組成39.三、常用DOAS儀器結構組成10.三、常用DOAS儀器結構組成瑞典OPSIS公司AR500系統主要包括發射、接收器和分析儀(光譜儀與計算機)。下圖為AR500結構圖：

40.三、常用DOAS儀器結構組成瑞典OPSIS公司AR500系統三、常用DOAS儀器結構組成法國Environment公司SANOA10C系統SANOA10C系統主要包括：望遠鏡發射器和一體化接收器。41.三、常用DOAS儀器結構組成法國Environment公司S三、常用DOAS儀器結構組成藍盾LGH-01DOAS系統LGH-01DOAS系統主要包括發射與接收單元、測量單元(光譜儀與快速掃描裝置)數據采集單元與處理單元(AD采集卡和計算機)。系統結構如下圖所示：42.三、常用DOAS儀器結構組成藍盾LGH-01DOAS系統1四、DOAS監測儀器的校準檢驗43.四、DOAS監測儀器的校準檢驗14.四、DOAS監測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準要求：系統在安裝調試期間，應對檢測儀器精密度檢查和準確度檢查。系統更換機械運動部件、光學部件、檢測傳感器和光源等主要部件，必須進行精密度檢查。系統運行中每個月需用汞燈對光譜儀波長進行一次標定，每3個月進行一次單點檢驗(選擇一個項目用等效濃度為滿量程10%到20%的標氣)，每年進行一次多點校準(等效濃度)DOAS監測儀器校準方法有兩種：在原光程上疊加一個校準池，通入標準氣體，進行校準。采用一個與實際監測相同的氙燈源和一個短光程，通過調節短光程中吸收池的長度和通入的標氣濃度，進行校準。

44.四、DOAS監測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準要求：1四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：疊加一個校準池，進行精密度檢查

在每個監測光程配備一個校準池，直接放置于接收器前窗。校準池通常是永久固定式的。下圖為OPSISAR500系統CC150裝置，該裝置固定于ER150接收器前窗。在沒有氣象因素干擾的情況下進行。向校準池通標氣，待其穩定后方可開始測量。45.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：疊加一個校準池，進行準確度檢查

通過采用改變鋼瓶標準氣的濃度，得到滿量程范圍3%~8%、15%~20%、35%~45%和80%~90%等測點的等效濃度值，向分析儀器校準池分別注入標氣，待各點讀數穩定后分別記錄各點的響應值。按多點校準評價步驟做校準曲線的評價。

通過對校準曲線進行評價，可以判斷儀器設備工作情況，校準曲線的截距反映了監測儀器的零點漂移情況，斜率反映了儀器的線性指標，相關系數反映了所得的直線與各校準數據點相吻合的程度。46.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法一：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法二：

選用廠家提供的專用校準裝置，通過改變校準池長度的方法進行精密度檢查和準確度檢查。通過不同長度吸收池CC001的組合，而改變吸收池的長度，進行精密度檢查和準確度檢查。如下圖47.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗DOAS監測儀器的校準方法二：四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

48.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

19.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗校準步驟：校準的準備及氣路連接

步驟1：用汞燈的296.73nm和302.15nm兩點的特征峰對儀器進行標定，方法見掃描裝置的校準調試(汞燈標定)。步驟2：通過光程切換將光不經過大氣傳輸直接返回(放下遮光板)，稱之為“零光路”。

步驟3：仔細擦凈每個校準池兩端的透光玻璃，并精確測量校準池的長度，按下圖所示連接氣路，將校準池疊加到光城中。

步驟4：利用系統軟件“樣氣標定”功能完成樣氣標定功能。49.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗校準步驟：20.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

50.四、DOAS檢測儀器的校準檢驗

21.五、故障及排除51.五、故障及排除22.五、故障及排除

52.五、故障及排除

23.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故障現象可能的故障原因處理方法通訊故障控制端口設置不正確望遠鏡底部定標電機沒有初始化結束RS232-RS485轉接模塊故障RS485信號箝位線路連接不良將軟件主界面右上角控制端口設置成COM1或COM2等初始化結束后重新啟動CNDOAS軟件更換RS232-RS485轉接模塊斷開與PM10、氣象儀的通訊連接，重新啟動CNDOAS軟件檢查通訊部件之間的連接線纜氙燈點不亮或熄滅氙燈電源故障氙燈電源過熱或過壓、欠壓保護氙燈老化點氙燈時，可以聽到點火聲，如果聽不到聲音或聽到吱吱聲，聯系廠家等氙燈電源冷卻下來再打開氙燈電源，檢查電源電壓及氙燈電源內部風扇更換氙燈極少或沒有反射光沒有對準光路被遮擋反射鏡窗口或角反射鏡表面被污染調整望遠鏡粗調旋鈕移開遮擋物清晰窗口或角反射鏡表面信號強度太低光路偏移燈老化或使用時間過久氣候狀況(雨、霧等)見上更換氙燈不是故障，讓儀器正常運行，繼續采集數據53.五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故五、故障及排除常見故障處理(以藍盾LGH-01為例說明)：故障現象可能的故障原因處理方法沒有信號光產生光纖沒有安裝到位光纖故障PMT高壓是否加上A/D采集卡板故障光譜儀入射狹縫關閉安裝好光纖檢查PMT高壓模塊是否有直流電壓檢查高壓線、ADC信號線的連接在零光路狀態下，調整好光路，在CNDOAS控制軟件下選擇自由觸發狀態，觀察光信號打開光譜儀入射狹縫分析結果不正常光譜儀光柵偏移燈譜文件沒有更新燈老化數據庫被破壞濾光片沒有轉動到位濾光片表面不干凈手動或自動校準波長，用汞燈去標定正確更新燈譜文件更換氙燈重新安裝應用軟件見濾光片沒有轉動到位故障用玻璃紙擦拭DOAS不進行分析燈譜文件測量不正確燈譜文件沒有更新正確測量燈譜文件正確更新燈譜文件掃面圓盤不能啟動通訊不正常圓盤電機驅動器電壓