用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度.doc
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用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度
广东省大学生实验设计大赛
作品
用光声效应测量雾霾颗粒物的浓度
学校：
嘉应学院
指导老师：
李慧玲
小组成员：
林林庆黄秀平陈淑萍
组长：
林林庆
介绍了一种新型的检测雾霾颗粒物浓度的方法—光声效应检测法。
结合光声效应的基本原理，介绍了应用光声效应检测雾霾颗粒物浓度的研究，讨论了样品制备对光声信号的影响和检测结果的。
随着全球工业化进程的飞速发展和全球人口的急剧增加,环境问题引起了世界各国的高度重视,保护人类生存环境,实施可持续发展战略,是中国乃至全世界在21世纪的主题,气体检测和水体污染检测已经成为人们日益关心的课题"。
人类社会在不断的进步,经济活动和生产也在迅速的发展,在大量消耗资源的同时,也排放了大量的废气，烟尘物质等,主要包括了碳的氧化物,比如二氧化碳和一氧化碳;碳氢化合物,比如甲烷!
乙烷!
乙炔等烃类气体"。
由于大量的废气排放现在很多城市在冬天都会出现雾霾天气，二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项是雾霾主要组成，颗粒物是雾霾天气主要的成分之一，用传统的方法测量雾霾颗粒物浓度复杂，测量准确率低，下面用光声效应方法测量雾霾颗粒物浓度准确率高又方便。
光声效应的发现起源于1850年,是由美国著名的科学家贝尔发现的"由光产生声,顾名思义,首先要有光的照射,当调制的激光束照射于某种质时,由于介质对光的吸收,会使介质内部的温度改变从而引起介质内一些区域结构和体积变化,介质温度的升降会造成介质体积的膨胀和压缩,从而向外辐射声波"。
光声效应：
光声光谱是利用光声现象来检测物质浓度的一种光谱技术，光声效应的产生首先必须要有光的吸收，光声检测技术从本质上来说是基于气体的红外吸收理论的，对气体的定性检测依赖于气体的红外特征吸收谱线，定量测量依赖于气体的红外吸收定律.所以，要了解光声检测的原理第一步就是要了解气体的红外吸收理论以及气体的特征吸收谱线。
红外吸收光谱法又被称作“红外分光光度分析法”，是分子吸收光谱的一种分析方法，它利用物质对红外波段的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析,是对各种吸收红外光的化合物进行分析的一种方法。
分子由两个以上原子组成，核与核的结合靠运动电子的吸引，其中除了电子的运动之外，核本身还有振动，气体分子还可整体绕其质心转动。
三种运动相互关联,相互影响。
分子的能量可近似划分为电子能量,振动动能和转动动能。
分子从一种能态变化到另一种能态时就会吸收或发射光谱,根据量子理论,原子或分子具有量子化的能量，原子或分子的能量是一个个分立的数值，也就是能级。
E1
E2
E3
E4
图1中分别用E1，E2，E3，E4代表了原子由低到高的四个能级。
图1
原子或分子从一个能级激发跃迁到另外一个能级（如从E1跃迁到E2）所需的能量是两个能级之间的能量差"由量子理论的相关知识可知,振动能级为：
式中：
V:
振动量子数
H:
普朗克常数
v:
键的振动频率
任意两个相邻的能级的能量差为。
在红外吸收光谱法中，照射样品的光源提供了使原子或分子向高能级跃迁所需要的能量，根据红外吸收光谱的基本原理，分子振动只能吸收与分子振动能级间隔相应的波长的光线的能量,当光线具有的能量与两个能级间的能量差相当时，光能量被吸收，分子产生能级跃迁从而产生吸收光谱。
不同的气体都有吸收自己对应频率红外光能的特质，气体吸收红外光最强的
光线频率称作该气体的特征吸收峰。
理论证明，每种气体在红外辐射波段都有一条或是若干条特征吸收谱线。
气体的红外吸收遵循Bee定律，当光通过待测介质时，具有吸收光能的介质将吸收一部分光能量，使通过后的光能量减少。
其关系为：
式中：
A：
吸光度；
入射光的强度；
I：
透射光的强度；
K：
摩尔吸收系数；
L：
吸收介质的厚度，一般以cm为单位；
c:
吸光物质的浓度mol/L;
摩尔吸收系数K可以用吸收截面表示:
其中NA是阿伏伽德罗常数6.02×/mol
综合两式,可以得到:
其中是分子的吸收截面,可以利用Hitran中的气体吸收的洛伦兹线型数据通过曲线拟合的方法得到其表达式:
式中,是峰值吸收截面系数,是吸收峰值波长,是与阻尼振荡有关的常数,经过Matlab仿真可以得到揭合系数为0.986%的结果"气体浓度c可以通过理想气体方程P=NKT推导得到,最后发现当气体的类型确定后,气体的透过谱函数只与浓度有关,如图2所示,图中的情况是对于峰值吸收波长为1532.83nm的情况,浓度从10%增加到100%,可以发现当浓度增加时,透射谱加深。
图2
实验原理：
雾霾颗粒物样品选择的是用香燃烧后的烟雾来代替。
装置如图3，激光发出一定频率的单色光，经过斩光器把光斩成10HZ~15HZ交变光（斩光器是通过单片机控制马达的电压占空比来控制马达转速，从而控制光频），单色光经过斩光器得到一定频率的交变光后射入样品光池内，光照射到物质上时，与物质产生相互作用，物质吸收光能后，分子跃迁到激发态，在返回初始状态时，或者通过伴随发光的辐射跃迁过程，或者通过无辐射跃迁过程。
无辐射跃迁部分的振动、转动能量是通过同其他分子碰撞并以热的形式散逸的．入射密封光声池的光具有一定的频率，在样品吸收点上就产生一个周期性的热分布，固体样品的热量扩散至样品表面，传导给周围的耦合气体．界层面的气体在密闭的光声池里起到气体活塞作用．在光声池内产生的压力波动，被麦克风检测为光声信号．麦克风检测为光声信号经过放大电路后，用灵敏电压表测出光声信号的强度。
光声信号的强度也是雾霾颗粒物样品对应的一个浓度值。
信号放大电路
麦克风
斩光器
激光
颗粒物样品
电压表
图3
光池
把颗粒物样品注入光池中，打开电源，电压表就得到一个颗粒物浓度的电压值，不同浓度对应一个不同的电压值，
如图4颗粒物浓度和电压值关系
电压值
浓度
图4
通过测量电压值U和浓度值的几组数据可以看出电压值和颗粒物浓度是成线性回归方程的。
回归直线的求法：
最小二乘法：
用最小二乘法求回归直线方程中的a,b有下面的公式：
最小二乘法求回归直线方程中a、b的公式
即可得出的关系。
实验过程：
实验器材：
信号方法电路灵敏电压表斩光器激光光源灵敏声音传感器（麦克风）
自制光池针筒导管打火机等
光池
麦克风
放大电路
斩光器
电压表
激光器
自制光池：
是用10cm长的水管一边用透明玻璃封住并在中间开一个小口，另一边也封住并把麦克风安装在这边。
实验步骤
1.开起激光，斩光器，放大电路的电源，记下电压表的读数。
2.把香燃烧后的烟雾收集在集气瓶中，用有刻度的针筒从集气瓶中吸烟雾注入颗粒物样品到光池内，记下电压表的读数。
3.关掉激光，斩光器，放大电路的电源，用针筒把光池内的颗粒物样品全部吸出，重复1,2步骤。
得出多组数据。
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