差分吸收光谱分析仪说明书Word格式.docx
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第一部分
安装使用说明书
差分吸收光谱分析仪（DOAS）是用于监测大气中痕量气体成分的专用仪器，采用国家环保总局认可和美国环境保护署（USEPA）推荐的方法，利用光学差分吸收光谱技术研制而成。
与传统的点式仪器相比，可明显减少系统的维护量、降低运行成本，并且可以同时监测多种气体。
其性能可与相应的进口仪器相媲美。
其部件国产化高，维修方便，大大降低了成本。
非常感谢您使用我们的产品。
为了确保您的仪器处于良好的工作状态，我们建议您在操作之前抽点时间仔细阅读一下本手册。
请您妥善保管本手册以备将来查用。
一、简介
1、差分吸收光谱分析仪的用途
差分吸收光谱分析仪主要用于大气中痕量气体成分的监测。
系统通过记录大气中痕量成分对紫外-可见光辐射的特征吸收来实现定性和定量测量。
2、差分吸收光谱分析仪的应用范围
监测城市、高速公路、水泥厂、化肥厂、硫酸厂、木材加工厂、煅烧厂、烟囱等地的污染气体并确定污染气体从污染区到居民区的转移情况。
3、差分吸收光谱分析仪的特点
系统能够监测空气中的痕量污染气体成分—SO2、O3、NO2、HCHO和芳香烃等，可实时、在线进行多组分气体的同时测量，可对测量的数据进行离线分析，实现了无人监控的连续监测，系统还提供多种方式对监测记录进行查询。
二、原理
1、基本原理
差分吸收光谱分析仪基于差分吸收光谱DOAS技术，由于气体分子具有各自的特征吸收截面，通过研究气体对光辐射的特征吸收可以确定其浓度。
气体在大气中的吸收服从比尔定律：
其中
是光源发出的起始光强，
是经过L距离传输后的光强，
是气体的吸收截面，C测量气体的浓度。
可以从已知的文献中查到，这样C就可以从实验中测量并计算:
2、DOAS原理
差分吸收光谱分析仪是远程传感设备，测量的是一段光程（200～1000m）下污染气体成分的平均浓度。
由于各种大气气体分子对光辐射具有不同的“指纹”吸收，使其光谱的强度和结构都会发生相应的改变。
根据这些特征吸收的结构和幅度大小可以实现定性和定量测量。
气体的吸收截面如图1所示，据此我们选取一些波段（如表1）对其进行测量便可得到浓度，这些波段主要在紫外，我们选取以表1的波长为中心波长的一定波长范围（由测量的波长定标决定）的光谱测量并分析以得到气体的浓度，而且可以根据新的吸收截面添加到软件的数据库里便可测量新的气体浓度。
表1：
气体测量的参考波长
主要气体
参考波长（nm）
二氧化硫
SO2
305
臭氧
O3
285
二氧化氮
NO2
345
图1气体吸收截面图
3、DOAS的测量原理
光源（氙灯）发出的光，通过卡塞格伦望远镜系统准直传输到大气路径，一部分光被安放在路径另一端的角反射镜反射回来，被望远镜接收聚焦在光纤的入射端面。
光纤把光导入光谱仪，经光谱仪分光，出射约为66nm的谱宽。
光谱被探测器——光电二极管阵列PDA接收后，将光信号转变为电信号，经A/D模数转化后的数据通过计算机进行进一步处理。
通过比较经过大气痕量气体吸收的大气光谱与灯谱的不同而确定大气中的气体成分。
由于每种气体都有自己的特征吸收光谱，分析光谱的谱线结构及变化就可以确定吸收气体及气体的浓度。
图2差分吸收光谱分析仪的测量原理
4、差分吸收光谱分析仪的光学部分
差分吸收光谱分析仪的光学部分由光源、卡塞格伦发射接收一体望远镜、光纤、光谱仪、光电二极管探测器PDA及角反射镜阵列组成。
氙灯发出的光经望远镜内主镜的外环准直为平行光进入大气。
角反射镜安装于路径的另一端将光反射回望远镜入口，光经过主镜内环聚焦和副镜反射，汇聚在光纤的入射端面。
光纤的末端直接连于SSM301型光谱仪的入射狭缝处，经光纤传输的光被光谱仪分光后被PDA接收。
5、电学部分
电学部分由光源（氙灯及其电源）、信号采集系统（光谱仪、光电二极管阵列PDA及其控制电路）、数据处理系统（计算机）组成，所有电源都接在220V电网中。
其框图如图3所示。
图3电路控制测量框图
三、系统说明
1、望远镜
采用开放式Cassegrain望远镜系统，光源位于望远镜内部，双臂支撑的望远镜系统位于光路一端，反射镜阵列位于光路另一端将光反射回接收望远镜。
方位角范围：
-10°
～+10°
俯仰角范围：
2、SSM301型光谱仪参数
波长范围：
200nm～900nm
焦距：
300mm
光栅：
1200l/mm，闪耀波长：
300nm
光谱分辨率：
0.1nm（435.8nm处，缝宽：
10μm）
3、DOAS外界条件
气温：
-40°
C～+40°
C
气压：
84～106.7kPa（630～800mmHg）
4、角反射镜的空气条件
湿度：
不大于95%
5、其他设备
紫外石英光纤连接望远镜接收系统与光谱仪。
电源和控制系统的电压为220V±
10%、50±
1Hz。
装置最大电消耗不大于0.3kw。
四、系统的结构
差分吸收光谱分析仪由三大块组成：
光发射与接收系统、测量设备系统、数据记录与处理系统。
1、光发射与接收系统
⑴光源部分包括氙灯、氙灯电源以及散热装置。
⑵望远镜，用于光发射和接收，其包括：
望远镜框（前面带有固定装置）、镜筒（内部带有固定装置）、主球面镜（中间有孔以光纤通过）、光阑（用于大气测量光路和参考光路的切换）、副镜（用于反射光到光纤入射端面）、石英保护窗、光纤入口、双臂支架用于望远镜水平或垂直调节。
⑶光纤，用于传输光到光谱仪。
⑷角反射镜，带三角架的角反射镜安装于大气路径的另一端用于光的原路返回。
2、测量设备系统
⑴光谱仪光谱范围200-900nm，100μm的狭缝，分辨率约为0.24nm。
图4氙灯的尺寸图（mm）
⑵探测器为HAMAMATSU型号C5964－1010的1024像元的光电二极管阵列PDA。
3、数据记录与处理块
⑴16位的ADC，饱和水平为216=65536counts；
⑵PC机，带有控制、测量与数据处理的软件。
五、DOAS主要单元的描述
1、光源
⑴光源为OSRAM的XBO150W/CROFR型150W短弧氙灯紫外光源（见图4），位于望远镜内部主镜外环的焦点处。
灯的冷却设备（风扇）安装在灯底部的望远镜筒上。
氙灯最大耗电为150w，电流8.5A。
氙灯电源可以在外部电压180v-250v时保持稳定，氙灯电源在220v电源下额定功率为150w，灯工作电压为15-20v。
灯工作时间不少于1000H。
⑵氙灯位置调整设备
要使氙灯出射光束以近似平行光发射（最小的光束发散角），氙灯应使其最亮部分位于主镜的焦点，为满足这样的要求，在灯的底部望远镜筒上安装了一个调整装置以细调灯的位置。
2、角反射镜阵列
角反射镜阵列由三个角反射镜组成，见图5。
其作用是将入射到其上的光线沿原路反射回去，原理是利用光线在其三个侧面的全反射将光返回，每个角反射镜的尺寸为
，精度不低于5ms。
图5角反射镜阵列的示意图
3、望远镜
⑴望远镜结构为卡塞格伦望远镜系统，包括两个部分—框架和管筒，用螺丝连接，内壁涂有高吸收光的涂料。
望远镜的光学口径
为220mm，主镜为一表面镀铝的凹面镜，曲率半径
。
副镜同样为一表面镀有紫外增强铝的凹面镜，曲率半径
望远镜的光学特性如下:
组合焦距：
873mm
光束发散角：
<
3mrad
视角：
0.5º
在望远镜筒的后面，有一个小室可作为光纤入口，通过光纤调整架使光聚焦于光纤入射端面。
为了保护望远镜不被污染与受潮，望远镜的入口有一石英保护窗。
螺丝把望远镜固定在双臂支架上，可调节-10º
～+10º
的垂直角度及-10º
的方位角。
⑵望远镜的发射与接收功能
为了实现望远镜的收发功能，望远镜的主镜被分成两部分用。
外环被用来作为发射使用，中间一部分是用来接收返回的光。
望远镜大气测量光路如图6（A）所示，当光阑位置与主光轴平行，氙灯发出的光被主镜的外圈部分准直为平行光射向远处的角反射镜，被角反射镜反射回的光经主镜的内圈部分及副镜被汇聚于光纤的入射端面。
⑶对灯的光谱信号的测量，用于计算污染气体的光学厚度及其浓度。
当光阑位置与主光轴垂直时，为参考光路模式，见图6（B）。
氙灯发出的光经过主光轴上一系列光学元件中心的小孔，到达光纤的入射端面，实现灯谱测量。
（A）
（B）
图6望远镜的测量状态与光阑位置之间的关系（A）为大气测量光路模式，
（B）为参考光路模式，用于测量氙灯灯谱
⑷光纤
光纤用于光的传输，由7根100μm的光纤组成，光纤在入射处呈圆形，而在出射处排列成一条狭缝与光谱仪入射狭缝对应，这样，当光谱仪入射狭缝与光纤出口对应时，可以充分利用光能量。
4、光谱仪
⑴光学结构
差分吸收光谱分析仪的组成部分SSM301型光谱仪采用典型的Czerny-Turner水平对称式光学系统，其原理图如图7所示。
光通过光纤传输到光谱仪的入射狭缝，经滤光片盘上的滤光片和反射镜后被投射到准直物镜上，形成平行光束投射到光栅上，经色散后的光通过聚焦镜，成像在光谱仪的出射狭缝处，从而得到按波长顺序排列的光谱。
图7光谱仪工作原理图
⑵动力学结构
光栅转动机械是一个正弦机构，正弦机械结构是为了提供波长随转动线性变化，使其便于数字化计算。
光谱仪变换光谱波长的正旋机构与光学室隔离，有效的减少了杂散光，并且避免机械系统润滑油慢性挥发对光学元件表面的污染。
光栅通过步进电机（位于光谱仪的底部）转动出射一定波段的光谱。
位于光谱仪入射狭缝和反射镜之间的滤光片盘由步进电机控制（位于光谱仪入射狭缝右边，见图8），可根据测量程序进行滤光片位置的调整，滤光片盘可以根据不同的测量要求加入不同的滤光片，总共可以放置5块滤光片，滤光片的型号如表所示：
表2：
滤光片的型号
滤光片位置
范围
1
用于芳香烃监测时的杂散光测量
2
—
3
4
SO2，HCHO，NO2等
5
电控制单元提供光谱仪及滤光片盘步进电机的相关控制，供电设备与电网通过插座连接。
操作者可通过计算机软件改变光栅转动方向以及滤光片的位置，PC与光谱仪之间的控制信号由电控制单元与PC机的串口相连。
5、光电二极管阵列PDA
光电二极管阵列PDA位于光谱仪出射焦平面上，主体由一个包含1024个反向偏压P-N连接的二极管阵列和一个信号读出和存储的控制电路组成。
所有的二极管都被一个反向的2伏电压完全充电，形成一个耗层。
入射光激发出与入射光强成比例的光电子数进入半导体的导电层。
这些移动的载荷中和了部分反向电压，产生了电信号。
6、电控制单元
以上设备的电气控制以及光谱仪都放在一个控制箱里，包括电机驱动、固态继电器、光谱仪、滤光片控制、开关电源、控制电路、PDA等。
⑴光谱仪电机驱动
步进电机：
为四相混合式步进电机，步距角：
4相4拍时为0.9度，4相8拍时为1.8度
驱动器：
接收来自控制卡的步进脉冲，分配给步进电机的每一相，并进行功率放大。
电源：
开关电源24vDC。
⑵光阑电机控制
光阑电机是由固
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