【正文】 ，而物理方法一般不需要不需要化學(xué)試劑，檢測(cè)精度也不低，并且具有可以連續(xù)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，而熒光法檢測(cè)二氧化硫濃度的精確也較好，所以物理法在現(xiàn)在二氧化硫檢測(cè)中占有主導(dǎo)地位。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）62022 年，華南師范大學(xué)的熊建文、楊初平等人在單波長(zhǎng)照射二氧化硫產(chǎn)生熒測(cè)量的基礎(chǔ)上，研究了多波長(zhǎng)照射二氧化硫氣體測(cè)量理論。2022 年燕山大學(xué)的王玉田、楊俊明等人利用二氧化硫在激光照射下的熒光現(xiàn)象，結(jié)合光纖技術(shù)，采用了紫外熒光法檢測(cè)的方法，在方法的操作簡(jiǎn)單、精密性高、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)了雙光路檢測(cè)的方法，克服了光源不穩(wěn)定的干擾，進(jìn)一步提高了檢測(cè)的靈敏度?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)一共有七個(gè)電子軌道，因?yàn)槊總€(gè)電子所帶能量并是不一樣的，造成電子圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)有著不同的軌道，高能量的電子在高能級(jí)的原子軌道運(yùn)動(dòng)，低能量的電子在低能級(jí)軌道運(yùn)動(dòng)。這種發(fā)激發(fā)出的光就成為熒光。 ?I二氧化硫分子在吸收了光子的能量后躍遷到激發(fā)態(tài), 在很快的時(shí)間內(nèi)二氧化硫分子釋放它們吸收的能量后, 激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子就會(huì)衰減回基態(tài)，二氧化硫衰減有三種方式，一是為發(fā)出熒光；二是淬滅；三是離解。在二氧化硫離解的過程中, 處在激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子分子分裂成兩個(gè)部分, 離解的反應(yīng)式如下： (25)OSKSOd??? ??激 發(fā) 態(tài) ）(*2式中，K d 為二氧化硫離解的離解系數(shù)。通過這一點(diǎn)可以測(cè)量熒光的光強(qiáng)來定性定量分析二氧化硫的濃度。這寫理論為熒光法二氧化硫氣體光纖檢測(cè)系統(tǒng)提高了理論基礎(chǔ)，根據(jù)上述的機(jī)理設(shè)計(jì)了雙光路雙光源多波長(zhǎng)得檢測(cè)方案，并設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)方案。所以檢測(cè)用的光源波長(zhǎng)選擇在 190nm~230nm 時(shí)之間。200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 4000102030405060708090Wavelength(nm)T(%)圖 31 二氧化硫透射率的 Matlab 仿真圖燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16200 220 240 260 280 300 320 340 360 3800102030405060708090100Wavelength(nm)Absorption(%)圖 32 為二氧化硫吸收率的 Matlab 仿真圖本設(shè)計(jì)中激發(fā)光源選用 1100 系列的 FX1160 短弧氙燈，它具有弧長(zhǎng)短、操作簡(jiǎn)單、能夠和光纖良好的耦合等優(yōu)點(diǎn)。目的是讓激發(fā)光纖中的激發(fā)光通過透鏡后盡可能地都通過進(jìn)光口進(jìn)入到氣室中，減少入射進(jìn)入氣室后引起不必要的散射和反射。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在激發(fā)光的波長(zhǎng)為 時(shí), 二氧化硫產(chǎn)生的的熒光波長(zhǎng)主要上分布在 240~ 420nm 范圍內(nèi)，最大熒光強(qiáng)度在 330nm 處，為了保證接收光纖盡可能多的接收到熒光信號(hào)而免受激發(fā)光和激發(fā)光的散射光的影響，在氣室與接收光纖耦合處的濾光片應(yīng)選擇中心波長(zhǎng)為 330nm，帶寬為 100nm。在設(shè)計(jì)中它將光源發(fā)出的一束光束等分為兩束相同的光束進(jìn)入兩根光纖中。微弱的電流信號(hào)經(jīng)過 I/V 轉(zhuǎn)換和放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)最終傳到控制系第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 19統(tǒng)。從上可知，光源變化前后參)1((2vBA?考光路和檢測(cè)電路輸出的信號(hào)比值沒有變化，而系統(tǒng)是通過比較參考光路和檢測(cè)電路信號(hào)作為最終信號(hào)來反應(yīng)二氧化硫的濃度的，所以通過雙光路檢測(cè)系統(tǒng)，光源的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)的影響可以減少到最小，進(jìn)而提高了二氧化硫檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度。通過使用 kicker 管減少檢測(cè)過程中各種干擾氣體對(duì)二氧化硫的影響。然后氣體通過限流孔和流量計(jì)進(jìn)入測(cè)量氣室。本設(shè)計(jì)中考慮到這種原因檢測(cè)系統(tǒng)中的光纖采用多膜光纖。第二處耦合主要是通過光纖耦合器來耦合的，而另外兩種主要是通過透鏡來耦合的。同時(shí)在氣室的內(nèi)壁涂上黑色的特氟綸，這種材料不會(huì)吸收水蒸氣，可以減少水蒸氣分子與激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子放生碰撞而產(chǎn)生淬而造成產(chǎn)生熒光光強(qiáng)的減少。由于二氧化硫與激發(fā)光反應(yīng)生成了熒光屬于光學(xué)現(xiàn)象，所以整個(gè)反應(yīng)過程中容易受到外界雜光的影響，所以氣室必須處在黑暗密封的環(huán)境中。壓力表的作用就是顯示氣室內(nèi)的壓強(qiáng)的。所以需要將電信號(hào)濾波除去那些干擾信號(hào)后通過弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)將檢測(cè)信號(hào)提出后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。光電倍增管的理論依據(jù)是外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論。假設(shè)某一金屬電子溢出所需要的最小的能量為 ,金屬的閥值頻率為0W。每次電子經(jīng)過一次二次電子發(fā)射極都會(huì)增加 S 倍，這樣經(jīng)過 n 個(gè)二次電子發(fā)射極后電子數(shù)量已經(jīng)增加了 Sn 倍，這樣陽(yáng)極接受到電子已經(jīng)是光電陰極經(jīng)過外光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子數(shù)量的 Sn，就是說經(jīng)過 n 個(gè)二次電子發(fā)射極后，信號(hào)已經(jīng)被放大了 Sn 倍，一般來說這個(gè)放大倍數(shù)在 10 的四次方以上。在光電倍增管的最后幾個(gè)光電倍增極上的電流由于倍增效應(yīng)而劇增，這樣的情況下容易出現(xiàn)電流飽和，導(dǎo)致這幾個(gè)光電倍增極間電壓的下降，級(jí)間的電壓很不穩(wěn)定。陰極光照靈敏度是在光照的情況下，照射到陰極表面的光通量和陰極產(chǎn)生的陰極電流之比，單位為pLA/lm。而電壓信號(hào)卻不存在這種信號(hào)，電壓信號(hào)不容易生成誤差，所以通過前置電路通過 I/V 轉(zhuǎn)換，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。進(jìn)而可以知道，R、R R 2 節(jié)點(diǎn)處的電流為零，可以表述為： （40321??i5）由于運(yùn)算放大器有虛短虛斷的特性，運(yùn)算放大器的“+”端接地，所以運(yùn)算放大器負(fù)端的電壓也為零。帶通濾波器主要是阻止低頻率和高頻率信號(hào)，通過中間頻率的信號(hào)。從仿真的結(jié)果可以看出仿真圖上可以看出電壓值一直為0，既信號(hào)中高于100HZ 的信號(hào)被過濾，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。在這里為了得到更好的提取被噪音干擾的微弱的檢測(cè)信號(hào)，我們使用鎖相放大電路來處理信號(hào)，進(jìn)而得到?jīng)]有雜波的信號(hào)源。鎖相放大器的工作原理簡(jiǎn)圖圖如下圖 48 所示：低 通 濾 波相 敏 檢 波檢 測(cè) 信 號(hào)參 考 信 號(hào)信 號(hào) 輸 出 圖 48 鎖相放大電路的原理圖鎖相檢波電路能夠檢測(cè)到一些微弱的信號(hào)，通常這些微弱的電信號(hào)是一般檢測(cè)電路無(wú)法檢測(cè)到的，因此鎖相檢波器在微弱信號(hào)檢測(cè)中由這重要的應(yīng)用。從公式上看當(dāng) f1=f2 時(shí)，差頻分量的頻率為 0，相位???差為 0，此時(shí)的差頻分量變成一個(gè)數(shù)值不隨時(shí)間不變的分量。從鎖相檢波電路中得到的信號(hào)為一個(gè)直流的電壓信號(hào)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器二氧化硫熒光法檢測(cè)系統(tǒng)中得到熒光信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)過前面電路部分處理，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，但是這個(gè)電信號(hào)依然是模擬信號(hào)。本設(shè)計(jì)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)采用 AD7705 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。但是他們工作步驟是大致一樣的，他們的工作步驟是取樣、保持、量化和編碼等四個(gè)步驟。SR830 型鎖相放大器也可對(duì)輸入信號(hào)測(cè)量參考信號(hào)的一次和二次諧波分量。在檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)中還存在有大量噪聲，這些噪聲的頻率隨時(shí)間和電壓等變化，是不固定，在檢測(cè)信號(hào)中沒有與之配對(duì)的信號(hào)存在，因此被低通濾波器鎖過濾掉。假設(shè)檢測(cè)信號(hào)輸入通道中的檢測(cè)信號(hào)為 S1，則 ，參)2sin(1????fA考通道中的參考信號(hào)為 ，則通過乘法器后得到的信號(hào)為)2sin(2????fBSS0，根據(jù)乘法器的原理可以得到結(jié)果信號(hào) S0 可供下公式來表示： S0=S1S2 （4)]()(cos[)]()(2cos[ 21210 ???? ???? tfAtfAB10）通過公式（19）可以看出，乘法器輸出的信號(hào)包括兩個(gè)部分，第一部分為檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的差頻分量；而第二部分為檢測(cè)信號(hào)的參考信號(hào)的和頻分量部分。鎖相放大電路相當(dāng)一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾潑器，它輸出的是一個(gè)直流電壓，利用檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)在頻率上和時(shí)間上是相同的特性，運(yùn)用相敏檢波電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的差頻信號(hào)，將差頻信號(hào)通過先處理后得到直流電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后輸入控制系統(tǒng)。圖46 頻率為500HZ，幅值為5V 的正弦信號(hào)仿真處理的結(jié)果第 4 章電路部分和控制部分 35 圖 47 頻率為50HZ,幅值為1V 的正弦信號(hào)仿真處理結(jié)果 鎖相放大電路在熒光法二氧化硫檢測(cè)中，在獲得檢測(cè)信號(hào)的同時(shí)也獲得與檢測(cè)無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)，并且由于大氣中的二氧化硫濃度相對(duì)來說是很低的，獲得信號(hào)也是很微弱的，需要經(jīng)過再次的處理。在電路仿真中，首先用頻率為500HZ、幅值為5V 的正弦信號(hào)通過濾波器。這些問題需要在放大濾波電路中解決。進(jìn)而可以知道，R、R R 2 節(jié)點(diǎn)處的電流為零，可以表述為： （41230i??4）RR1R2光電倍增管流出的電流燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）32圖 44 前置放大電路在該前置電路中不僅具有很高的靈敏度，而且電路中的電容 Cp 可以消減信號(hào)雜波增益的峰值，能起到濾波的作用。其中 1P28 型光電倍增管的參數(shù)如下表 41 所示： 表 41 1P28 型光電倍增管的參數(shù)參數(shù)值 最小值 正常值 最大值 單位 陽(yáng)極靈敏度 20 400 A/lm 陰極靈敏度 25 40 A/lm? 增益 710.? 暗電流 5 50 A 前置電路熒光信號(hào)經(jīng)過光電倍增管光電轉(zhuǎn)換后由光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，由于光電倍增管輸出的是電流信號(hào)，所以光電倍增管輸出電流信號(hào)相當(dāng)于一個(gè)電流第 4 章電路部分和控制部分 31源，輸出電阻也相當(dāng)大。光電倍增管的特性參數(shù)包括靈敏度和放大倍數(shù)，這些特性關(guān)系到實(shí)驗(yàn)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）30的精密度和靈敏度。既每個(gè)電極間的電壓差是固定的，總電壓在 1000~1500V之間，兩個(gè)光電倍增極間的電壓在 80~100V 之間。圖 42 光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖光電倍增管對(duì)信號(hào)的放大主要是在二次電子發(fā)射極上完成的。使金屬產(chǎn)生外光電效應(yīng)的光束是要求的，既光線的頻率要高于某一特定值，這一特定值與金屬有關(guān)，不同的金屬對(duì)應(yīng)不同的頻率值，這個(gè)頻率叫做閥值頻率。光電倍增管（PMT)是光子技術(shù)中一種重要的器件，光電倍增管是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的真空器件，它具有極高的靈敏度和超快的時(shí)間相應(yīng)，它主要作用的是探測(cè)光能，因此光電倍增管在光子記數(shù)、微弱光的探測(cè)等第 4 章電路部分和控制部分 27方面有著廣泛的用途。電信號(hào)因?yàn)楸阌趥鬏敽涂刂疲腋鱾€(gè)物理量都可以通過各種轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使電信號(hào)成為最常用的信號(hào)，所以為了先要將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。泵的主要工作就將待測(cè)氣體泵進(jìn)入氣室，然后將待測(cè)氣體泵出氣室外。氣室中的消光錐和錐罩的作用是減少散射光進(jìn)入熒光吸收區(qū)，減少檢測(cè)誤差。熒 光 出 口反 應(yīng) 氣 室激 發(fā) 光 入 口 隔 圈 錐 罩 消 光 錐 圖 34 氣室的結(jié)構(gòu)圖第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 23氣室的設(shè)計(jì)要考慮到多方面的因素，因?yàn)橐笃涫遣荒芘c空氣中的成分特別是二氧化硫反應(yīng)，所以氣室的材料使用不繡鋼。在燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22本設(shè)計(jì)中主要有三處耦合的地方。單模光纖是只能傳輸一種模式的光束，單模光纖在傳輸中光束損失少，可以用來光束的長(zhǎng)距離傳輸。所以必須在進(jìn)氣口加以除塵裝置來防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。由文獻(xiàn)可知各種氣體的干擾如表 33所示：表 33 干擾氣體對(duì)檢測(cè)的影響 CS2 相同的響應(yīng)適于二氧化硫濃度比 500:1NO 相同的響應(yīng)適于二氧化硫濃度比 500:1C2H4 相同的響應(yīng)適于二氧化硫濃度比 4000:1 H2O 大氣二氧化硫濃度信號(hào)隨水分的百分比 濃度的增加線性減少， 2%的水蒸氣信號(hào)減少 25% CH4 大氣中 1%的存在幾乎沒有影響CO2 3%的二氧化碳對(duì)二氧化硫幾乎沒有影響 NO %的 NO 沒有影響通過表一發(fā)現(xiàn)對(duì)二氧化硫熒光信號(hào)影響比較大的干擾氣體主要是水蒸氣和碳?xì)浠衔?，在設(shè)計(jì)中要盡量的減少這些氣體在檢測(cè)中的影響，通過資料查詢發(fā)現(xiàn)美國(guó) TE 公司的專利技術(shù)中 kicker 管可以除去對(duì)二氧化硫檢測(cè)中有影響的碳?xì)浠衔?，并且能夠干燥從中通過氣體樣品，減少水蒸氣的含量。當(dāng)光源發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，參考光路和檢測(cè)電路的)/()(21BAC??輸出的信號(hào)都發(fā)生了變化，其中參考光路輸出的信號(hào)變?yōu)?。標(biāo)準(zhǔn)氣體是將空氣中的二氧化硫通過化學(xué)方法除去，其他物理量例如壓強(qiáng)、濕度、溫度等都與待測(cè)氣體一樣，參考?xì)馐沂翘幱诿?