SO2氣體光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王 峻，劉杰輝

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

空氣質(zhì)量的好壞對于人類的健康有著重大影響，其中空氣質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)與氣體SO2、CO、NOX、O3等濃度值有關(guān)。為了監(jiān)測空氣質(zhì)量的變化，專家們不斷進(jìn)行各種檢測方法的研究，其中SO2產(chǎn)生了分光光度法、滴定分析法、電化學(xué)檢測法、化學(xué)發(fā)光法等眾多檢測方法。近年來，紫外熒光法由于其檢測極限低、高效的反應(yīng)靈敏度以及實時監(jiān)測等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測儀器。其中具有代表性的為日本HORRBA的APSA-370二氧化硫監(jiān)測儀、法國ESA公司MMS小型化監(jiān)測儀等儀器，均能滿足檢測要求。相較于國外，國內(nèi)企業(yè)在儀器精度上還有差距。本文針對這一缺陷，分析儀器結(jié)構(gòu)，在紫外光源結(jié)構(gòu)上提出了新的結(jié)構(gòu)理念，改善了光源對于檢測的干擾，提高了檢測精度。

1 檢測原理及結(jié)構(gòu)分析

紫外熒光法為測量SO2的主要方法之一。熒光的產(chǎn)生是通過特定波長的紫外光對SO2氣體進(jìn)行照射，光電倍增管接收到熒光信號，之后可將信號轉(zhuǎn)為電壓值，上傳到數(shù)據(jù)處理模塊，根據(jù)電壓值與濃度之間的正比例關(guān)系，得出最終濃度檢測值。其檢測方法簡單便利，同時擁有較高的精確度，可測量更低濃度的SO2氣體[1-3]。

SO2分子對于紫外線吸收的效果也有所差距，不同波段的紫外光對應(yīng)不同的吸收能力，其中對190～230 nm波長的紫外線吸收最強(qiáng)。在紫外光的照射下，SO2分子產(chǎn)生不同能級的躍遷，首先是SO2氣體分子在紫外光的照射下發(fā)生變化，從激發(fā)向激發(fā)態(tài)躍遷，熒光在激發(fā)態(tài)能量耗盡后回到原始狀態(tài)的瞬間產(chǎn)生。其過程如下：

目前的儀器采用220 nm的光線波段進(jìn)行紫外光射，氣體照射后產(chǎn)生熒光投射在光電倍增管上，最終將檢測到的電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出當(dāng)前檢測的SO2濃度[4-8]。

圖1 傳統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)

此種光路結(jié)構(gòu)可以用于環(huán)境空氣中SO2濃度的自動分析，實現(xiàn)對SO2濃度的測量。其結(jié)構(gòu)如圖1所示；在水平方向上，由于光源經(jīng)過雙凸透鏡的匯聚，邊緣散色較大，光線進(jìn)入氣室中，部分光線投入到采集區(qū)域，影響采集精度。同時球差的存在影響到最佳位置的匯聚效果。球差是指在同一水平軸上時，光線經(jīng)過球面透鏡時，在所入射的透鏡表面的不同地方產(chǎn)生折射，由于光線入射角度的不同，折射后的曲線最終匯聚形成一個圓形的斑點，而不是一個點[9-11]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對上述缺陷，在光路進(jìn)入氣室中，采用平行光可有效避免光源對采集部分的干擾。由于氙燈功率與氙燈直徑具有正比例關(guān)系。故本文在選用高功率氙燈的同時要考慮到尺寸問題，對于直徑大的氙燈光源，其采用單一透鏡難以實現(xiàn)良好的準(zhǔn)直效果，可采用望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)[12-16]。

優(yōu)化設(shè)計中，首先在光源系統(tǒng)中，對氙燈光源采用單凸透鏡進(jìn)行平行光處理，加入準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)，采用單凸透鏡加雙凸透鏡的組合與之前的平行光處理結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)，構(gòu)成新的光源系統(tǒng)，如圖2所示。其中2個單凸透鏡的結(jié)構(gòu)組合，對于光線的匯聚具有更好的效果，可有效減小球差[17-21]。

圖2 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)

3 光路仿真

對于原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Zemax光學(xué)仿真，分別從三維光線圖以及探測視圖分析原始結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。從三維光線圖中可以得到，光線經(jīng)過單一雙凸透鏡匯聚后，在進(jìn)入氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，有部分光線投射在采集區(qū)域的透鏡上，對于熒光采集具有明顯的干擾作用。同時在光電倍增管的位置放置探測視圖，觀察視圖可以看到模擬光電倍增管區(qū)域的視圖上具有部分光斑，說明光源發(fā)出的光線有部分投射在光電倍增管，將會影響光電倍增管對熒光采集的準(zhǔn)確性?？芍f系統(tǒng)對氣體檢測存在著光源干擾，將會影響檢測精度。

圖3 舊系統(tǒng)光線圖

圖4 舊系統(tǒng)探測視圖

對于改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行Zemax光學(xué)仿真(見圖5)，新的系統(tǒng)中分別在光線出射后以及光線上方放置探測視圖，判別光線的軌跡是否會產(chǎn)生干擾。觀察圖6和圖7，從三維光路圖中可以看到光源在經(jīng)過新系統(tǒng)后實現(xiàn)了準(zhǔn)直壓縮，并無光線投射在采集區(qū)域。2種探測視圖表明，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可有效避免光源對熒光采集的干擾，提高了檢測精度。

圖5 探測視圖布局圖

4 實驗數(shù)據(jù)

分別對2種系統(tǒng)進(jìn)行電壓檢測，在原有系統(tǒng)中的光電倍增管中將信號輸出接入到數(shù)字示波器。在相同光源的情況下，均通入零氣，防止空氣中SO2的存在影響檢測效果，對比2種系統(tǒng)的數(shù)值視圖得出表1電壓數(shù)據(jù)對比表，從圖8和圖9可以清晰地看到，舊系統(tǒng)在同樣條件下檢測的電壓值明顯波動較大，而新系統(tǒng)的電壓值浮動幾乎為零，可以判斷出新系統(tǒng)可以有效減少光源對采集系統(tǒng)的干擾，提高了檢測精度。

圖6 上方探視圖

圖7 右方探測視圖

圖8 舊系統(tǒng)暗噪

圖9 新系統(tǒng)暗噪

表1 新舊系統(tǒng)暗噪電壓數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

本文通過采用準(zhǔn)直壓系統(tǒng)，對于原有的SO2儀器存在檢測精度的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過進(jìn)行Zemax仿真，對比三維光路圖、探測視圖，光源在準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)中，可有效避免光線進(jìn)入到采集區(qū)域，減少對熒光采集的干擾，提高了檢測精度。通過2種系統(tǒng)的實驗搭建，分析數(shù)值示波器，驗證了改進(jìn)后的新系統(tǒng)對于檢測精度的提高具有明顯效果，為SO2大氣檢測技術(shù)提供了一種新的方案。