1、差分吸收光谱分析仪（DOAS）说明书珠海市中科信息技术开发有限公司Zhuhai Zhongke Information Technology Development Co.Ltd.电 话： 0756-3311075 传 真： 0756-3311076网 址： http:/地 址：珠海市香洲区高新技术开发区唐家湾港乐路 1 号大洲科技园 A803 室邮 编：5190801注明：本说明书共分为二部分：第一部分：差分吸收光谱分析仪（DOAS）安装使用说明书第二部分：差分吸收光谱分析仪（DOAS）软件使用说明书第一部分差分吸收光谱分析仪（DOAS）安装使用说明书珠海市中科信息技术开发有限公司I目 录一
2、、简介 11、差分吸收光谱分析仪的用途 12、差分吸收光谱分析仪的应用范围 13、差分吸收光谱分析仪的特点 1二、原理 11、基本原理 12、DOAS 原理 23、DOAS 的测量原理 24、差分吸收光谱分析仪的光学部分 35、电学部分 3三、系统说明 41、望远镜 42、SSM301 型光谱仪参数 .43、DOAS 外界条件 .44、 角反射镜的空气条件 45、其他设备 4四、系统的结构 51、光发射与接收系统 52、测量设备系统 5目 录II五、DOAS 主要单元的描述 .61、光 源 62、角反射镜阵列 63、望远镜 64、光谱仪 85、光电二极管阵列 PDA.96、电控制单元 9六、维
3、护与装配 .101、操作条件 102、安装与装配 DOAS11七、光路调整及其他功能 .131、 氙灯位置 142、望远镜大气 测量光路及光纤位置调整 143、 PDA 位置的调整 .16八、操作过程 .17九、注意事项及保养 .17十、存储和运输的守则 .18十一、设备 清单 .181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，
4、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SO 2、O 3、NO 2、HCHO 和芳香烃等，可实时、
5、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： )(exp)(0CLI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)(0I )(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)(/)(ln0LIC2、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
6、程（2001000m ）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 3452
7、10202102010211720119018101810191710181950450403503025020 主， nm O3SO2NO2主, cm 2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，3一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
8、。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。 计 算 机控 制 器PDA 探 测 器光 谱 仪光 纤 束 角 反 射 镜 高 压 氙 灯副 镜M1卡 塞 格 伦 望 远 镜 0-sevral km光 阑滤 光 片 轮主 镜图 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
9、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。 424V电 源5V电 源 滤 光 片 电 机光 谱 仪 电 机光 阑 电 机步 进 电 机驱 动 器 1步 进 电 机驱 动 器 2固 态 继 电 器 滤 光 片 盘光 谱 仪光 阑 光 耦光 耦光 耦PDAPC及控制软件 控制逻辑电路AD电 路RS23图 3 电路控制测量框图三、系统
10、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：-10+102、SSM301 型光谱仪参数波长范围：200nm900 nm焦距：300mm光栅：1200l/mm，闪耀波长：300nm光谱分辨率：0.1 nm（435.8nm 处，缝宽：10m）3、DOAS 外界条件气温：-40C +40C气压：84106.7kPa（630800mmHg）4、 角反射镜的空气条件湿度：不大于 95%气压：84106.7kPa（630800mmHg）5、其他设备5紫外石
11、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 220V10%、501Hz。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、光发射与接收系统光源部分包括氙灯、氙灯电源以及散热装置。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。光纤，用于传输光到光谱仪。角反射镜，带三角架的角反射镜安装于
12、大气路径的另一端用于光的原路返回。2、测量设备系统光谱仪光谱范围 200-900nm，100m 的狭缝，分辨率约为 0.24nm。探测器为 HAMAMATSU 型 号 C59641010 的 1024 像元的光电二极管阵列 PDA。3、数据记录与处理块16 位的 ADC，饱和水平为 216=65536 counts；PC 机，带有控制、测量与数据处理的软件。2012757150图 4 氙灯的尺寸图（mm）6五、DOAS 主要单元的描述1、光源光源为 OSRAM 的 XBO 150W/CR OFR 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）
13、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。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。6
14、0m底 座楔 形 罩 角 反 射 镜图 5 角反射镜阵列的示意图3、望远镜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D主7一表面镀铝的凹面镜，曲率半径 。副镜同样为一表面镀有紫外增108Rm主强铝的凹面镜，曲率半径 。望远镜的光学特性如下:429副组合焦距：873mm光束发散角：128M硬盘：10G22、 软件安装运行安装包中 setup.exe 文件，按提示输入必要信息进行安装即可，然后运行 dotnetfx.exe 安装必要控件，最后运行 PDAdoas.reg 进行控件注册。注意，默认安装将系统设置
15、成后台自启动运行模式，即计算机启动时系统自动启动运行。23、 软件主要文件文件名称 功能PDADOAS.exe 系统执行文件dotnetfx.exe 系统控件安装PDAdoas.reg 系统控件注册PDAUv.mdb 标准谱数据及监测记录数据库Log.mdb 监测日志数据库Db.dir 数据库路径文件Format.std Std 文件格式脚本Hg281.std 中心波长为 281nm 处的汞灯谱start.ini 系统初始化参数文件Offset.std 系统偏置谱Dark.std 暗电流谱524、 软件运行软件安装成功后可以通过点击【开始】【程序】【环境监测软件】【PDADOAS】快捷方式进入
16、 PDADOAS 的软件主界面，或者双击桌面上PDADOAS 快捷方式图标 。软件启动时，首先要进行硬件自检，若硬件没有安装好或类型不匹配，系统状态栏会报错。所以在应用软件前，应确保硬件已经准备好，包括电源、通信电缆、PDA 安装等。一切准备好后，便可应用PDADOAS 软件系统了。三、主界面操作和参数设置PDADOAS 运行的主界面如图 1 所示，最上方是标题栏，向下依次是菜单栏和工具栏，用来执行相关功能的操作；另外图中还包括数据采集区域、计算结果区域、变化趋势区域和光谱仪控制区域，下面分别具体介绍。31、 菜单栏图 2 PDADOAS 软件的菜单栏图 2 所示是 PDADOAS 的菜单栏。菜单栏中的每个菜单项还包括许多菜单子项，通过它们几乎能够实现 PDADOAS 的所有功能。当激活每个菜单项时，可以看到如图 3 所示的具体子菜单项。图 3 菜单栏中的子菜单项其中许多常用的子菜单项在工具栏中都有其快捷操作按钮，所以在工具栏操作中都有具体介绍，这里不再赘述。
