PM2.5模擬溶液的光學特性研究

楊曉東，田園，朱春燕（西安工業(yè)大學北方信息工程學院光電信息系，陜西西安，710032）

PM2.5模擬溶液的光學特性研究

楊曉東，田園，朱春燕
（西安工業(yè)大學北方信息工程學院光電信息系，陜西西安，710032）

霧霾是危害當今大氣環(huán)境的突出表現(xiàn)，研究霧霾的光學屬性具有十分重要的意義。一般通過對PM2.5，也就是空氣中直徑小于或等于2.5微米的污染顆粒物的檢測來分辨霧霾的等級。本文通過對PM2.5模擬溶液的檢測來反應(yīng)霧霾的等級，利用PM2.5模擬溶液的濃度與光強度和對比度進行歸納，得到具有一定規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)，為今后利用光學的方法對霧霾進行檢測打下基礎(chǔ)。

霧霾；PM2.5；邁克爾遜干涉；光功率；對比度

0 引言

近兩年，霧霾[1]天氣在全國大部分城市上演，其范圍廣、持續(xù)時間長、影響深，已經(jīng)超過以往。由于霧霾天氣，人們的生活受到了極大的影響：交通受到危害；引發(fā)呼吸疾病、心血管疾病，癌癥增加率，導(dǎo)致人民健康受到影響。對于經(jīng)濟發(fā)展也很不利，這樣的環(huán)境問題必然會影響到國家形象。嚴重的霧霾現(xiàn)象促使人們更加關(guān)注環(huán)境保護、能源消費以及它們和經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系。

本論文主要研究霧霾組成成分中占最大比例的大顆粒物PM2.5[2]，實驗利用碳酸鈣粉末不溶于水的特點，將碳酸鈣粉末與蒸餾水進行配比，得出不同濃度的溶液，因為PM2.5的等級劃分是按照濃度來劃分的，所以此方法具有一定的研究價值。霧霾預(yù)警等級劃分[3]為黃色、橙色和紅色，分別對應(yīng)預(yù)報等級用語中的中度霾、重度霾和嚴重霾。霾黃色預(yù)警：能見度[4-5]小于5000米，PM2.5濃度大于150微克/立方米且小于等于250微克/立方米。霾橙色預(yù)警：能見度小于5000米，PM2.5濃度大于250微克/立方米且小于等于500微克/立方米。霾紅色預(yù)警：能見度小于5000米，PM2.5濃度大于500微克/立方米。

1 邁克爾遜干涉儀測量原理

圖1所示為邁克爾遜干涉[6-12]裝置原理圖，G1是一面鍍有半反半透膜的分束板，補償已經(jīng)省略，M1、M2為平面反射鏡。G1將光源S0射來的光束一分為二，這兩束光分別又被兩塊平面鏡反射，當鏡M1與鏡M2嚴格垂直時，在觀察屏E處形成等傾干涉圓環(huán)圖樣。移動鏡M1略微傾斜，則可以觀察到等厚干涉條紋本實驗將獲取該種類型條紋。將被測量的溶液樣品放在M1所在的臂中，不改變兩個反射鏡和樣品的位置，通過對溶液密度的改變，可以得到不同特性的條紋屬性。通過對所得條紋進行分析，得到具有一定規(guī)律的對比數(shù)據(jù)。

圖1 邁克爾遜干涉法

2 實驗器材

氣墊式光學實驗平臺如圖2、高精度天平如圖3、膠頭滴管、碳酸鈣粉末、500ml量程的量杯、攪拌用的玻璃棒、石英器皿、5:5半反半透鏡、3:7半反半透鏡、光功率接收器、CCD接收器、反射鏡等。

圖2 氣墊式光學實驗平臺

圖3 高精度天平

3 碳酸鈣溶液配比

由于PM2.5的濃度單位是ug/m3，單位非常小，高精度天平只能精確到0.001mg，所以將這個濃度同比放大1000倍，以濃度為500ug/m3的PM2.5為例，同比放大1000倍，濃度為500mg/L，也就是0.05g/100ml。因為需要激光透射過該平面所以需要該平面保持干凈。配比出來的溶液都不能長久放置，因為碳酸鈣粉末會沉淀于溶液底部。所以每次都需要重新配比溶液，配比出來的溶液需要即使的進行實驗，不然會影響實驗數(shù)據(jù)。

4 實驗圖像及數(shù)據(jù)處理

實驗采用邁克爾遜干涉裝置來測量PM2.5模擬溶液不同濃度的對比度，如表1。隨著濃度的增加，所得等厚條紋的對比度會隨著變大。對比度為光功率的最大值，Im為光功率的最小值。

表1 邁克爾遜干涉下PM2.5模擬溶液的光強度和對比度

圖4 濃度與總光強度對比圖

圖4 為PM2.5模擬溶液濃度與總光強度 I的對比圖，其中X軸為溶液濃度，Y軸為總光強度。可以得出，在PM2.5模擬溶液濃度為0～200微克/立方米階段，光強度平穩(wěn)的降低，但在PM2.5模擬溶液濃度為200～250微克/立方米階段，有一段會大幅度的降低，之后又趨向穩(wěn)定的降低。

圖5為PM2.5模擬溶液的濃度與對比度的比較圖，X軸為PM2.5模擬溶液的濃度，Y軸為對比度?。在150微克/立方米之前，對比度成下降趨勢，從150微克/立方米到500微克/立方米的濃度對比度都是呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 PM2.5模擬溶液的濃度與對比度的比較圖

圖6 是不同濃度的邁克爾遜干涉實驗下CCD接收的圖像，圖(a)為蒸餾水，圖(b)為濃度150微克/立方米，圖(c)為濃度200微克/立方米，圖(d)為濃度300微克/立方米，圖(e)為濃度400微克/立方米，圖(f)為濃度500微克/立方米。

圖(a)到圖(f)中用半徑為0.3cm的同心圓來觀察具體差異。從邁克爾遜干涉實驗中接收到的CCD圖片中可以看出，隨著碳酸鈣溶液濃度的增加，也就是PM2.5模擬溶液濃度的增加，在半徑為0.3的同心圓內(nèi)部的條紋數(shù)量不斷減少，而中心亮斑中條紋的顏色變淡，在碳酸鈣溶液濃度為500微克/立方米的時候，中心亮斑中的條紋幾乎不可見，可以得出PM2.5濃度越高，條紋數(shù)量就越稀疏，中心亮斑的條紋顏色越淡。

圖6 CCD接收條紋分布圖像

5 結(jié)論

本文通過對邁克爾遜干涉實驗裝置的搭建，對照PM2.5的濃度配比了模擬溶液。對溶液的條紋分布、光強度、對比度進行了分析，得到具有一定規(guī)律的數(shù)據(jù)和圖像，為以后的霧霾光學特性研究奠定基礎(chǔ)。

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Study on the optical characteristics of PM2.5 simulation solution

Yang Xiaodong ,Tian Yuan ,Zhu Chunyan
（Xi’an University of Technological Information, Xi’an Shaanxi, 710032)

Haze is a prominent manifestation of harmful atmospheric environment, and it is of great significance to study the optical properties of haze. The level of smog is generally resolved through the detection of particulate matter that is less than or equal to 2.5 micrometers in diameter. This article through to the detection of PM2.5 simulation solution to reflect the level of smog, the concentration of PM2.5 simulation solution and summarized the light intensity and contrast, have certain regularities obtained experimental data, for the future use of optical method to test the fog lay the foundation.

Haze; PM2.5; Michelson interference; Optical power;Contrast