【正文】 ，而物理方法一般不需要不需要化學(xué)試劑，檢測精度也不低，并且具有可以連續(xù)檢測的優(yōu)點，而熒光法檢測二氧化硫濃度的精確也較好，所以物理法在現(xiàn)在二氧化硫檢測中占有主導(dǎo)地位。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）62022 年，華南師范大學(xué)的熊建文、楊初平等人在單波長照射二氧化硫產(chǎn)生熒測量的基礎(chǔ)上，研究了多波長照射二氧化硫氣體測量理論。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的方法，在方法的操作簡單、精密性高、抗干擾性強的優(yōu)點上，設(shè)計了雙光路檢測的方法，克服了光源不穩(wěn)定的干擾，進一步提高了檢測的靈敏度?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)電子圍繞原子核運動一共有七個電子軌道，因為每個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動有著不同的軌道，高能量的電子在高能級的原子軌道運動，低能量的電子在低能級軌道運動。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)。通過這一點可以測量熒光的光強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系統(tǒng)提高了理論基礎(chǔ)，根據(jù)上述的機理設(shè)計了雙光路雙光源多波長得檢測方案，并設(shè)計出整個系統(tǒng)的檢測方案。所以檢測用的光源波長選擇在 190nm~230nm 時之間。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（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)計中激發(fā)光源選用 1100 系列的 FX1160 短弧氙燈，它具有弧長短、操作簡單、能夠和光纖良好的耦合等優(yōu)點。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光口進入到氣室中，減少入射進入氣室后引起不必要的散射和反射。通過實驗發(fā)現(xiàn)在激發(fā)光的波長為 時, 二氧化硫產(chǎn)生的的熒光波長主要上分布在 240~ 420nm 范圍內(nèi)，最大熒光強度在 330nm 處，為了保證接收光纖盡可能多的接收到熒光信號而免受激發(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)選擇中心波長為 330nm，帶寬為 100nm。在設(shè)計中它將光源發(fā)出的一束光束等分為兩束相同的光束進入兩根光纖中。微弱的電流信號經(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?考光路和檢測電路輸出的信號比值沒有變化，而系統(tǒng)是通過比較參考光路和檢測電路信號作為最終信號來反應(yīng)二氧化硫的濃度的，所以通過雙光路檢測系統(tǒng)，光源的波動對系統(tǒng)檢測的影響可以減少到最小，進而提高了二氧化硫檢測系統(tǒng)的檢測精度。通過使用 kicker 管減少檢測過程中各種干擾氣體對二氧化硫的影響。然后氣體通過限流孔和流量計進入測量氣室。本設(shè)計中考慮到這種原因檢測系統(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。同時在氣室的內(nèi)壁涂上黑色的特氟綸，這種材料不會吸收水蒸氣，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)的壓強的。所以需要將電信號濾波除去那些干擾信號后通過弱信號檢測系統(tǒng)，弱信號檢測系統(tǒng)將檢測信號提出后傳輸?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)射極都會增加 S 倍，這樣經(jīng)過 n 個二次電子發(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 個二次電子發(fā)射極后，信號已經(jīng)被放大了 Sn 倍，一般來說這個放大倍數(shù)在 10 的四次方以上。在光電倍增管的最后幾個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)致這幾個光電倍增極間電壓的下降，級間的電壓很不穩(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。而電壓信號卻不存在這種信號，電壓信號不容易生成誤差，所以通過前置電路通過 I/V 轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。進而可以知道，R、R R 2 節(jié)點處的電流為零，可以表述為： （40321??i5）由于運算放大器有虛短虛斷的特性，運算放大器的“+”端接地，所以運算放大器負端的電壓也為零。帶通濾波器主要是阻止低頻率和高頻率信號，通過中間頻率的信號。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，既信號中高于100HZ 的信號被過濾，達到了設(shè)計的目的。在這里為了得到更好的提取被噪音干擾的微弱的檢測信號，我們使用鎖相放大電路來處理信號，進而得到?jīng)]有雜波的信號源。鎖相放大器的工作原理簡圖圖如下圖 48 所示：低 通 濾 波相 敏 檢 波檢 測 信 號參 考 信 號信 號 輸 出 圖 48 鎖相放大電路的原理圖鎖相檢波電路能夠檢測到一些微弱的信號，通常這些微弱的電信號是一般檢測電路無法檢測到的，因此鎖相檢波器在微弱信號檢測中由這重要的應(yīng)用。從公式上看當(dāng) f1=f2 時，差頻分量的頻率為 0，相位???差為 0，此時的差頻分量變成一個數(shù)值不隨時間不變的分量。從鎖相檢波電路中得到的信號為一個直流的電壓信號。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器二氧化硫熒光法檢測系統(tǒng)中得到熒光信號為模擬信號，經(jīng)過前面電路部分處理，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，但是這個電信號依然是模擬信號。本設(shè)計中模數(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、量化和編碼等四個步驟。SR830 型鎖相放大器也可對輸入信號測量參考信號的一次和二次諧波分量。在檢測信號和參考信號中還存在有大量噪聲，這些噪聲的頻率隨時間和電壓等變化，是不固定，在檢測信號中沒有與之配對的信號存在，因此被低通濾波器鎖過濾掉。假設(shè)檢測信號輸入通道中的檢測信號為 S1，則 ，參)2sin(1????fA考通道中的參考信號為 ，則通過乘法器后得到的信號為)2sin(2????fBSS0，根據(jù)乘法器的原理可以得到結(jié)果信號 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，乘法器輸出的信號包括兩個部分，第一部分為檢測信號和參考信號的差頻分量；而第二部分為檢測信號的參考信號的和頻分量部分。鎖相放大電路相當(dāng)一個高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾潑器，它輸出的是一個直流電壓，利用檢測信號和參考信號在頻率上和時間上是相同的特性，運用相敏檢波電路對檢測信號和參考信號進行乘法運算，得到檢測信號和參考信號的差頻信號，將差頻信號通過先處理后得到直流電壓信號，這個信號經(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 的正弦信號仿真處理結(jié)果 鎖相放大電路在熒光法二氧化硫檢測中，在獲得檢測信號的同時也獲得與檢測無關(guān)的干擾信號，并且由于大氣中的二氧化硫濃度相對來說是很低的，獲得信號也是很微弱的，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 的正弦信號通過濾波器。這些問題需要在放大濾波電路中解決。進而可以知道，R、R R 2 節(jié)點處的電流為零，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（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 前置電路熒光信號經(jīng)過光電倍增管光電轉(zhuǎn)換后由光信號變?yōu)殡娦盘枺捎诠怆姳对龉茌敵龅氖请娏餍盘?，所以光電倍增管輸出電流信號相?dāng)于一個電流第 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)系到實驗燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）30的精密度和靈敏度。既每個電極間的電壓差是固定的，總電壓在 1000~1500V之間，兩個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)圖光電倍增管對信號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)，不同的金屬對應(yīng)不同的頻率值，這個頻率叫做閥值頻率。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轉(zhuǎn)換為電信號的真空器件，它具有極高的靈敏度和超快的時間相應(yīng)，它主要作用的是探測光能，因此光電倍增管在光子記數(shù)、微弱光的探測等第 4 章電路部分和控制部分 27方面有著廣泛的用途。電信號因為便于傳輸和控制，而且各個物理量都可以通過各種轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號，使電信號成為最常用的信號，所以為了先要將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號。泵的主要工作就將待測氣體泵進入氣室，然后將待測氣體泵出氣室外。氣室中的消光錐和錐罩的作用是減少散射光進入熒光吸收區(qū)，減少檢測誤差。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)計要考慮到多方面的因素，因為要求其是不能與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（論文）22本設(shè)計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，可以用來光束的長距離傳輸。所以必須在進氣口加以除塵裝置來防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。由文獻可知各種氣體的干擾如表 33所示：表 33 干擾氣體對檢測的影響 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隨水分的百分比 濃度的增加線性減少， 2%的水蒸氣信號減少 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)對二氧化硫熒光信號影響比較大的干擾氣體主要是水蒸氣和碳氫化合物，在設(shè)計中要盡量的減少這些氣體在檢測中的影響，通過資料查詢發(fā)現(xiàn)美國 TE 公司的專利技術(shù)中 kicker 管可以除去對二氧化硫檢測中有影響的碳氫化合物，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)生波動的時候，參考光路和檢測電路的)/()(21BAC??輸出的信號都發(fā)生了變化，其中參考光路輸出的信號變?yōu)?。標準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、濕度、溫度等都與待測氣體一樣，參考氣室是處于密