基于差分吸收光譜法的光纖煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

戈燕紅李玉金朱軍華

(1宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司,廣東深圳518057)

(2廣東上風(fēng)環(huán)保科技有限公司,廣東佛山528312)

基于差分吸收光譜法的光纖煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

戈燕紅1,2李玉金1,2朱軍華1

(1宇星科技發(fā)展（深圳）有限公司,廣東深圳518057)

(2廣東上風(fēng)環(huán)?？萍加邢薰?廣東佛山528312)

在紫外煙氣光譜的微弱信號(hào)處理上采用差分吸收光譜法算法，去除了水蒸氣、煙塵和氣體間的交叉干擾的影響，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)檢測(cè)NO、SO2、NO2的功能，適應(yīng)了惡劣環(huán)境的煙氣測(cè)量。

光纖傳感；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)；差分吸收光譜

1 差分吸收光譜法思想簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)煙氣濃度反演的數(shù)據(jù)處理原理是Lambert-Beer定律：

其中I0(λ)為光源發(fā)射光強(qiáng)，I(λ)是煙氣吸收光譜，ci是第i種待測(cè)氣體的濃度，σi(λ)是所測(cè)第i種氣體的分子吸收光譜截面，L是系統(tǒng)的光程，ε(λ)則是瑞利散射系數(shù)和米氏散射系數(shù)。為了去除煙氣中煙塵和水蒸氣等顆粒物的影響，可將(1)式中待測(cè)量污染物的分子吸收光譜截面σi(λ)分成兩部分，故可得下式：

將上式再做處理，如下：

其中是σi,s(λ)和σi,r(λ)分別是慢變化快變化，（3）式右邊第2項(xiàng)是慢變化部分，該影響可通過(guò)數(shù)字濾波去除。在進(jìn)行待測(cè)氣體濃度反演時(shí)，我們需要將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波后的標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)氣體吸收光譜作為基準(zhǔn)光譜，相同處理的（3）式待測(cè)氣體的混合光譜與基準(zhǔn)光譜進(jìn)行最小二乘回歸擬合分析，求解得到ci。

2 系統(tǒng)光纖探頭設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)儀器的便攜性能以及檢測(cè)靈敏度的提高，我們將設(shè)計(jì)光路設(shè)計(jì)為反射式，這實(shí)現(xiàn)了透射式設(shè)計(jì)狀況下2倍光程，儀器的靈敏度提高1倍，但這增加了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，由于儀器系統(tǒng)光強(qiáng)調(diào)制系數(shù)影響因子較多，影響因子包括：光室的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、反射面傾斜程度、選型光纖的基本參數(shù)（數(shù)值孔徑、芯徑、光纖的數(shù)目）以及光纖出射端和接收端光纖端面的排列方式，對(duì)此，我們采用角反射鏡代替常規(guī)的平面鏡實(shí)現(xiàn)正鏡式，角反射鏡光學(xué)特性是原路返回的特點(diǎn)，降低了反射端調(diào)節(jié)難度。同時(shí)為了充分利用光源光強(qiáng)并減少光源產(chǎn)生雜散光的影響，我們?cè)诠饫w探頭增加一個(gè)平凸透鏡，根據(jù)光纖數(shù)值孔徑(NA=0.27)確定透鏡f為50mm，R為30mm。

煙氣中的煙塵和水蒸氣等顆粒物會(huì)引起瑞利散射和米氏散射，散射效應(yīng)會(huì)使光束擴(kuò)大，即接收端光斑半徑增大，如何降低光斑擴(kuò)大的影響，增加接收端光強(qiáng)的采集效率，系統(tǒng)接收端光纖的排布方式采用內(nèi)進(jìn)外出的最佳排布方式，見(jiàn)圖1，圖中白色為入射光纖端面,黑色為輸出光纖端面。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該儀器主要由三部分組成：紫外光源與其驅(qū)動(dòng)電路、光室系統(tǒng)、光譜儀和上位機(jī)計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)紫外光產(chǎn)生部分包括微型紫外緊湊型光源（即光纖燈）和控制電源模塊，光譜范圍200nm~1100nm，光源外部由TTL控制，參數(shù)為12Vdc/0.6A，光強(qiáng)亮度可通過(guò)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制；系統(tǒng)光室系統(tǒng)由擴(kuò)束平凸透鏡和角反射鏡組成，該部分是儀器系統(tǒng)的核心模塊，掩體的流動(dòng)是通過(guò)分子泵和上位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的，雙臂光纖排布方式見(jiàn)圖1，微型光譜儀和上位機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成待測(cè)氣體濃度解析的分光和算法模塊，系統(tǒng)采用的微型光譜儀參數(shù)如下：波長(zhǎng)為290nm~310nm范圍、分辨為0.25 nm。

儀器系統(tǒng)光路流程如下：光源發(fā)出的光經(jīng)雙臂多模光纖（圖1中白色端面）出射，被擴(kuò)束透鏡準(zhǔn)直為平行光，射入光室，紫外光穿過(guò)待測(cè)氣體后，被角反射鏡反射后原路返回，經(jīng)由擴(kuò)束透鏡聚焦耦合到雙臂多模光纖出射端（見(jiàn)圖1中黑色端面），進(jìn)入微型光譜儀，經(jīng)光譜儀分光后，獲得待測(cè)物質(zhì)的吸收光譜，然后上位機(jī)軟件采用差分吸收光譜算法反演出SO2、NO和NO2組分的濃度。

該設(shè)計(jì)方案中的關(guān)鍵技術(shù)是光纖反射式折疊光路設(shè)計(jì)、煙塵煙氣的慢變化的濾波技術(shù)和氣體濃度的最小二乘多元回歸算法，光學(xué)設(shè)計(jì)部分實(shí)現(xiàn)了儀器的微型化、便攜化，算法設(shè)計(jì)部分消除檢測(cè)過(guò)程中煙塵和水汽的瑞利散射影響，故可不采用電化學(xué)傳感器儀器中的預(yù)處理單元，同時(shí)采用線(xiàn)性回歸算法消除NO2對(duì)NO的交叉干擾，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

本方案基于差分吸收光譜法進(jìn)行了儀器的整機(jī)設(shè)計(jì)，差分算法能去煙氣中塵、水蒸氣的瑞利散射干擾，整機(jī)設(shè)計(jì)中光路采用反射式、光纖燈、微型光纖光譜儀實(shí)現(xiàn)儀器的便攜式性能，該系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣的監(jiān)測(cè)，可滿(mǎn)足絕大多數(shù)煙道中惡劣工況下的監(jiān)測(cè)。

[1]肖尚輝，湯俊，基于光譜吸收型光纖傳感器的煤礦瓦斯測(cè)量技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2012,38(5):555.

[2]謝品華,劉文清，鄭朝暉等.差分光學(xué)吸收光譜(DOAS)技術(shù)在煙氣SO2監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J],光子學(xué)報(bào),2000,29(3):271-276.

資金來(lái)源：廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào): 2014B090903013，2015B020236001