关于太阳光度计的性能及维护探讨

王音岭 彭滨

成都市气象局 四川 成都 611130

摘要：近年来先后出现的臭氧层的破坏、酸雨的形成、北极霾、烟雾事件等现象都与大气气溶胶密切相关。由于气溶胶对天空的亮度存在很大的影响，因而，我们可以利用光度计获得的太阳直接辐射数据来反演某地区的大气气溶胶光学厚度， 并对反演所得的结果进行分析，从而判断该地区天空亮度的日变化和随季节的不同或天气状况的不同而产生的变化。太阳光度计是用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算大气气溶胶、水汽、臭氧等成分的特性。用于大气环境监测，卫星校正等应用。太阳光度计全系统包括光学头、控制部分和一个动力马达系统组成。太阳光度计通过经纬度，当地时间以及太阳跟踪系统，在垂直，水平或主平面扫描采集数据，在垂直，水平方向对太阳和天空测量。该仪器在气象、环境监测，卫星遥感等领域应用较多。本文主要介绍安徽中科谱锐达光电有限公司引进的太阳光度计，对其性能和维护保养做了简单介绍，希望对大家有所帮助。

1概述

太阳光度计能够实现多波段太阳直射照度测量，包括紫外、可见及短波红外光谱波段。太阳光度计能够实现自动完成大气气溶胶信息采集、测量和数据处理的一体化自动观测，自动完成对大气中气溶胶光学厚度的测定，记录和存储相关数据和信息，能长期、自动、连续工作，能满足稳定性、可靠性，易于维护等需要。仪器光电探测单元全密封，观测光路前置防护玻璃，方便人工清理光学表面。设备无人值守全自动观测，每天日出自动开机，日落自动关机，观测数据自动传输和存储，方便长期无人值守全自动观测。

2主要性能和技术指标

2.1设备功能

太阳光度计需实现自动完成大气气溶胶信息采集、测量和数据处理的一体化自动观测，自动完成对大气中气溶胶光学厚度的测定，记录和存储相关数据和信息，能长期、自动、连续工作，能满足稳定性、可靠性，易于维护等需要。

太阳光度计气溶胶观测应满足以下功能要求：

多波段测量，包括紫外、可见及短波红外光谱波段。

通过二维转动机构自动跟踪太阳。

具有直接观测太阳功能和天空扫描观测功能。

易安装，适合野外长期工作。

可通过RS485直接与计算机串口进行长距离数据通讯等自动传输数据，实现测量数据传输、存储和处理。

附设湿度雨水传感器在全自动测量状态能探测到降雨，降雨时光学头部自动垂直朝下。

可自动测量环境温度、湿度、气压等辅助参数。

带有多种自动测量程序。

2.2设备运行

太阳光度计工作稳定，适应-30℃~+60℃的温度环境，仪器光电探测单元全密封，观测光路前置防护玻璃，方便人工清理光学表面。设备无人值守全自动观测，每天日出自动开机，日落自动关机，观测频率1次/3分钟，开关机时间和观测频率可重新设置。系统软件方便维护，要求观测数据自动传输和存储，方便长期无人值守全自动观测。

2.3设备性能

设备及相关系统具备一定的可扩展性和升级要求，保证其灵活性。外机应满足野外长时间稳定工作的需求。平均故障间隔时间（MTBF）应≥6000h。整个系统易于扩展、维护和维修。各部件的结构设计应充分考虑维修方便性和快捷性；接线标志清晰不易混淆，测量准确度必须符合中国气象局《大气成分观测业务规范》的相关技术要求,并采取充分的措施保证非专业人员操作时不易产生误操作。

太阳光度计主要技术指标如下表所示：

表 2.5‑1太阳光度计性能指标要求

观测内容	太阳光度计气溶胶观测
中心波长	9个波长为340,380,440,500,675（670）, 870,936,1020,1640nm
中心波长精度	±2nm
光谱带宽	2nm@340nm,4nm@380nm,25nm@1640nm,10nm@其余波段
带宽偏差	340nm、380nm 波段±1nm ，其余波段±2nm
太阳跟踪精度	±0.1°
视场角	≤2.5°
测量范围	0.04≤AOD≤2
气溶胶光学厚度测量精度	≤0.04（@AOD=0.2） 或相对精度±20%
晴空水汽总量测量精度	相对精度±20%
稳定度	±5%/年
观测记录	每3分钟至少有3组全波长观测记录
通信方式	有线或无线方式
环境感知	具有雨水感知和温、湿、压感知功能
外壳防护等级	IP65或以上
运行环境	设备在以下环境应正常工作： （1）环境温度:-30C～60 C； （2）相对湿度:0﹪～100﹪； （3）气压:450hPa～1100hPa； （4）瞬时风速:0～60m/s。 （5）全天候全自动工作。

3太阳光度计简单原理和基本原理介绍

不同的光源都有其特有的发射光谱，因此可采用不同的发光体作为仪器的光源。钨灯的发射光谱：钨灯光源所发出的380～780nm波长的光谱光通过三棱镜折射后，可得到由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫组成的连续色谱；该色谱可作为可见光太阳光度计的光源。

3.1太阳光度计的简单原理

太阳光度计计采用一个可以产生多个波长的光源，通过系列分光装置，从而产生特定波长的光源，光源透过测试的样品后，部分光源被吸收，计算样品的吸光值，从而转化成样品的浓度。样品的吸光值与样品的浓度成正比。

3.2太阳光度计的基本工作原理

太阳光度计的基本工作原理是基于物质对光（对光的波长）的吸收具有选择性，不同的物质都有各自的吸收光带，所以，当光色散后的光谱通过某一溶液时，其中某些波长的光线就会被溶液吸收。在一定的波长下，溶液中物质的浓度与光能量减弱的程度有一定的比例关系，即符合比尔定律。

T = I/Io lg（Io/I）=εcb

式中，T为透过率，Io为入射光强度，I为透射光强度，A为消光值（吸光度），ε为吸收系数，b为溶液的光径长度，c为溶液的浓度。从以上公式可以看出，当入射光、吸收系数和溶液厚度一定时，透光率是根据溶液的浓度而变化的。

太阳光度计已经成为现代分子生物实验室常规仪器。常用于核酸，蛋白定量以及细菌生长浓度的定量。

3.3波长的选择

波长的选择一般是选择待测物质Zda吸收峰的波长（λmax）。因在λmax测定吸光度，敏感度Zgao。在吸收峰波长处测吸光度，波长变化影响Z小；而在其他波长处，波长变化对吸光度影响大，甚至测得浓度一吸光度曲线不呈直线。

选择测定某一溶液所需的波长，是可以用不同的波长作该溶液的吸收光谱曲线，从曲线上选择Z适当的波长来进行这一溶液的测定工作，但是，在分析工作中，尚有个别情况，不能单凭此一原则，而应根据下列三个原则，进行实际试测，然后全面考虑利弊，再行选定。

4太阳光度计日常维护和保养

①当仪器停止工作时，必须切断电源。

②为了避免仪器积灰和沾污，在停止工作时，应盖上防尘罩。

③光源。光源的寿命有限，为了延长光源使用寿命，在不使用仪器时不要开光源灯，应尽量减少开关次数。在短时问的工作间隔内可以不关灯。刚关闭的光源灯不能立即重新开启。

仪器连续使用时间不应超过3h。若需长时间使用，Z好间歇30min。

如果光源灯亮度明显减弱或不稳定，应及时更换新灯。更换后要调节好灯丝位置，不要用手直接接触窗口或灯泡，避免油污沾附。若不小心接触过，要用无水乙醇擦拭。

④单色器。单色器是仪器的核心部分，装在密封盒内，不能拆开。选择波长应平衡地转动，不可用力过猛。为防止色散元件受潮生霉，必须定期更换单色器盒干燥剂（硅胶）。若发现干燥剂变色，应立即更换。

⑤吸收池。必须正确使用吸收池，应特别注意保护吸收池的两个光学面。

⑥检测器。光电转换元件不能长时间曝光，且应避免强光照射或受潮积尘。

⑦仪器若暂时不用要定期通电，每次不少于20～30min，以保持整机呈干燥状态，并且维持电子元器件的性能。