【正文】 IV熒光法二氧化硫氣體光纖檢測系統(tǒng)的研究畢業(yè)設(shè)計 目 錄摘要 .........................................................................................................................IAbstract ..................................................................................................................II第 1 章 緒論 ..........................................................................................................1 課題背景 ................................................1 二氧化硫氣體檢測的常見理論和方法 ........................2 熒光法測量二氧化硫方法的研究現(xiàn)狀 ........................4 本章小結(jié) ................................................6第 2 章 熒光法檢測的原理和設(shè)計方案 ..............................................................8 熒光產(chǎn)生的原理 ..........................................8 熒光法二氧化硫檢測法的機理 ..............................9 二氧化硫產(chǎn)生熒光的過程 ..............................9 熒光法檢測二氧化硫的原理 ...........................10 二氧化硫檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 .........................12 本章小結(jié) ...............................................13第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)部分 .....................................................................................14 光源的選擇 .............................................14 透鏡的選擇 .............................................16 濾光片的選擇 ...........................................16 光纖耦合器 .............................................17 雙光路的設(shè)計 ...........................................18 系統(tǒng)光纖及氣室的耦合 ....................................20 氣室的設(shè)計 ..............................................21 本章小結(jié) ................................................23第 4 章 電路部分和控制部分 .............................................................................25 光電轉(zhuǎn)換電路 ............................................25 V 外光電效應(yīng) .........................................26 光電倍增管的工作原理 ...............................26 前置電路 ................................................29 放大濾波電路 ...........................................31 鎖相放大電路 ...........................................34 鎖相放大器的工作原理 ...............................34 鎖相放大器的選擇 ...................................36 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ..............................................36 控制部分 ...............................................37 本章小結(jié) ................................................40結(jié)論 .......................................................................................................................41參考文獻(xiàn) ...............................................................................................................42致謝 .......................................................................................................................44附錄一 開題報告附錄二 中期報告附錄三 外文原文附錄四 外文翻譯第 1 章 緒論 1第 1 章 緒論 課題背景隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)現(xiàn)代化國家進(jìn)程的加速，加之環(huán)保意識不強，我國的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，不僅危害到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，也嚴(yán)重影響了人民群眾的身體健康，因此環(huán)境問題也受到越來越多的關(guān)注，其中空氣問題因為與人民生活息息相關(guān)，尤其受到人民的關(guān)注。近來年關(guān)于 （細(xì)顆粒物)的報道不斷地見諸報端， 的危害已經(jīng)引起了政府和人民的關(guān)注，也做了很多的工作來防止細(xì)顆粒物的危害。環(huán)境問題也越來越受到大眾的關(guān)注，但是很多人不知道在空氣中比細(xì)顆粒物危害性更大的是二氧化硫。二氧化硫已經(jīng)被歐美西方國家列為 6 種標(biāo)準(zhǔn)污染物中對人類威脅最大的污染物。二氧化硫是自然界中最常見的氣體硫氧化合物，二氧化硫是大氣中分布最廣、影響人類生命財產(chǎn)最嚴(yán)重的氣體污染物之一。二氧化硫是形成酸雨的元兇，在嚴(yán)重影響生態(tài)平衡的同時，也嚴(yán)重影響了人類的身體健康。大氣中二氧化硫的主要來自兩個方面:一是自然過程，火山爆發(fā)、沼澤和大陸架等處所釋放的硫化氫，進(jìn)入空氣后被氧化為二氧化硫。二是來自人類的生產(chǎn)和生活活動，這是最主要的來源，生活上和工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中涉及到含硫燃料和原料，都是產(chǎn)生二氧化硫的來源，而二氧化硫的主要來源是礦物燃料的燃燒過程。隨著我國經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，石油等礦物燃料需求也日益增多，我國已經(jīng)成為二氧化硫污染最嚴(yán)重的國家之一 [1]。據(jù)有關(guān)資料表明，我國二氧化硫的排放量在 1995 年已經(jīng)超過歐美等先進(jìn)國家居世界首位，2022 年我國二氧化硫排放總量超過2022 萬噸，依然位居世界第一，同時我國有近三分之一的國土出現(xiàn)酸雨，是世界上三大酸雨區(qū)之一。我國空氣中二氧化硫污染問題已經(jīng)刻不容緩的地步。為了減少我國二氧化硫的排放量，減少二氧化硫?qū)ξ覈奈：?，必須要對二氧化硫主要來源的工礦企業(yè)、發(fā)電廠等二氧化硫排放大戶進(jìn)行有效燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）2的檢測，同時隨著人民對生活環(huán)境越來越重視，對檢測儀器精度的要求也水漲船高，因此各種各樣的二氧化硫檢測儀器和檢測方法應(yīng)運而生。 二氧化硫氣體檢測的常見理論和方法為了達(dá)到精確測量二氧化硫的濃度的目的，目前，來自不同國家的科學(xué)家們己經(jīng)提出多種可以定性和定量分析二氧化硫的檢測方法，如植物監(jiān)測法、電量法、溶液電導(dǎo)法、分光光度法、光纖傳感器法、動力熒光法、光學(xué)法紅外吸收法、紫外吸收法、紫外熒光法。主要檢測方法按其檢測的性質(zhì)可以分為物理方法和化學(xué)方法。（1）植物監(jiān)測法據(jù)生物學(xué)家長期的研究發(fā)現(xiàn)柳杉、銀杏、垂柳、紫花苜蓿等植物能夠吸收二氧化硫并將轉(zhuǎn)換為硫的化合物長期積累體內(nèi)，因此科學(xué)家們根據(jù)植物的這種特性提出利用植物的這種特性來監(jiān)測大氣中二氧化硫污染程度，故稱為植物監(jiān)測法。劉榮坤提出利用生活在被監(jiān)測地區(qū)里的植物的樹皮里含硫量變化分析二氧化硫污染情況。為了利用植物獲得更佳精確地檢測結(jié)果，蔣高明提出使用植物的多部位(葉、幼枝、樹皮)的含硫量的變化來檢測植物生長環(huán)境中大氣二氧化硫的污染情況?？墒侵参餀z測法極其容易受到被采集植物的年齡、營養(yǎng)狀況、陽光照射情況、水分等條件的限制，從而降低了各個樣點的可比性，同時該方法不能實現(xiàn)二氧化硫的實時檢測，測量結(jié)果不能用直接濃度值表示，只能作為平均濃度來評估檢測環(huán)境中二氧化硫污染的情況。因此這種方法不經(jīng)常用到。（2）電量法(又稱庫侖法)電量法（庫侖法）工作原理是是將待測含有二氧化硫空氣通入裝有 KI溶液的實驗裝置中，在實驗裝置中放置有兩個電極，他們分別連著恒流源的正負(fù)極。在裝置沒有通二氧化硫氣體進(jìn)入前，裝置中恒流源連續(xù)不斷通電的情況下，溶液中不斷發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在陽極附近溶液中的碘離子發(fā)生氧化反應(yīng)，在陽極上產(chǎn)生碘單質(zhì)，隨后碘單質(zhì)又在陰極上被還原成碘離子，總體上溶液中的碘離子的數(shù)量是保持不變的，建立了元素碘的平衡濃度，電極和導(dǎo)線上有電流產(chǎn)生。當(dāng)向溶液中通入含有二氧化硫空氣試樣第 1 章 緒論 3時，二氧化硫與溶液中的碘離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，溶液中的碘離子的數(shù)量減少，那么溶液中用來輸送電荷的碘離子數(shù)量就滿足不了電荷傳送的要求了，一部分電荷只有經(jīng)過參比電極來進(jìn)行傳輸。那么參比電極中電流的大小與待測空氣中的二氧化硫含量成正比，庫倫法可準(zhǔn)確測量濃度范圍為0 1 ppm 的二氧化硫，最低測量值為為 。但是電量法的測量的靈敏度容易受到空氣中其他含硫化合物如硫化氫等氣體的影響，造成測量精度的降低。（3）溶液電導(dǎo)法 溶液電導(dǎo)法是把含有二氧化硫的待測空氣通入已經(jīng)酸化的水溶液中，二氧化硫在溶液中與水反應(yīng)生成亞硫酸，然后被水溶液中溶解的氧氣等氧化劑氧化生成硫酸。硫酸是強電解質(zhì)，在溶液中可以電離為正負(fù)離子，溶液中正負(fù)離子的數(shù)量與溶液的導(dǎo)電性和導(dǎo)電率成正比關(guān)系，因此溶液中硫酸濃度與溶液的導(dǎo)電性和導(dǎo)電率成正比。通過測量該溶液的電導(dǎo)率定量分析二氧化硫的濃度。溶液電導(dǎo)法可準(zhǔn)確測量濃度范圍為 0 1 ppm 的二氧化硫。溶液電導(dǎo)法的優(yōu)點是靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，并且檢測過程中測量檢測結(jié)果穩(wěn)定性好。缺點是溶液電導(dǎo)法容易受到溶液和空氣中其他對電導(dǎo)率有影響的物質(zhì)如硫化氫、二氧化碳、氨氣等的影響，造成測量精度的降低。(4)分光光度法(又稱比色法)分光光度檢測法早在 1956 年被提出后就廣泛的應(yīng)用到氣體的檢測中，是二氧化硫檢測中比較常用的方法，目前已經(jīng)有多種用于檢測空氣中二氧化硫濃度的分光光度法。分光光度檢測法的檢測原理是根據(jù)二氧化硫氣體有選擇性的吸收某些特定頻率的光，通過檢測二氧化硫在特定頻率范圍光線照射下的吸收度，進(jìn)而可對二氧化硫進(jìn)行定性定量的分析。分光度法和光譜吸收法的主要區(qū)別就在與分光度法是將二氧化硫先融入到某一特殊溶液中，然后想該溶液中照射不同頻率的光線，可以得到不同頻率的光波對應(yīng)的吸收度，建立起吸收度和光波頻率檢測關(guān)系，進(jìn)而定量分析溶液中二氧化硫濃度。因為分光光度法在檢測的過程中是以檢測被待測含有二氧化硫的溶液吸收光線的吸收度進(jìn)而分析出二氧化硫的濃度，誤差較小，不容燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）4易受到其他物質(zhì)的干擾。所以盡管該分析法不同的方法在檢測二氧化硫時所用試劑種類很多，并且操作復(fù)雜，然而因其檢測的靈敏度高、可靠性強，所以分光光度法已經(jīng)被國內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測中定為定性定量分析空氣中二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)方法。（5）光譜吸收法光譜吸收法室目前二氧化硫檢測方法中比較常用和先進(jìn)的方法。光譜吸收法工作原理是氣體在在紫外線或者可見光的照射下，氣體可以選擇性的吸收某一的特定頻率范圍內(nèi)的光線，而對另外頻率段的光束吸收性卻不是很強，通過檢測二氧化硫氣體在某些特定頻率范圍內(nèi)光線照射下的吸收度來定量分析二氧化硫氣體的濃度。光譜吸收法檢測的過程中是以檢測被待測含有二氧化硫的空氣吸收光線的吸收度進(jìn)而分析出二氧化硫的濃度，誤差較小。光譜分析法根據(jù)檢測過程中使用光線的頻率的不同的可以分為紅外吸收法和紫外吸收法。紫外光譜吸收法是檢測二氧化硫在近紫外光線（280nm~310nm）光線照射下的吸收度來定量分析二氧化硫的濃度。而紅外吸收法是通過檢測二氧化硫在紅外光（ 附近）照射下的吸收度來m?定量分析二氧化硫的濃度的。光譜吸收法操作簡便但是靈敏度不高，大氣中 COH 2O 等其他成分會對測量的產(chǎn)生較大的干擾。（6）紫外熒光