【文章內容簡介】 ，通過光纖耦合器分為兩束光線，這兩光束分別通入測量氣室和參考氣室中作為激發(fā)光使二氧化硫產生熒光。光纖接受到熒光后經過光電轉換后為微弱的電信號，之后經過信號檢測系統(tǒng)的處理最后顯示在顯示器上。系統(tǒng)的組要組成部分在接下來的章節(jié)里闡述。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）12驅 動 電 路 光 源 電 源 光 源 光 纖 耦 合 器 測 量 氣 室參 考 氣 室P M TP M T微 信 號 檢測 電 路主 控 制 芯 片前 置 放大 電 路顯 示 裝 置泵 K i c k e r 管限 流孔流 量計壓 力 表透 鏡和 濾波 片光 纖光 纖光 纖光 纖圖 22 熒光法二氧化硫氣體檢測系統(tǒng)總框圖 本章小結本章主要介紹了熒光產生的機理、過程和熒光法檢測二氧化硫濃度的原理。并且論述了激發(fā)光束為多個波長的時候對二氧化硫檢測精度有明顯的其高作用。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，根據上述的機理設計了雙光路雙光源多波長得檢測方案，并設計出整個系統(tǒng)的檢測方案。第 3 章 系統(tǒng)的光學系統(tǒng)部分 13第 3章 系統(tǒng)的光學部分 光源的選擇通過 TU1901 雙光束紫外可見分光光度計實驗發(fā)現二氧化硫在吸收的光線在光譜圖中主要分布在三個區(qū)域。實驗數據使用 Matlab 仿真后結果如圖 2 和圖 3 所示，圖 2 為二氧化硫透射率的 Matlab 仿真圖，其中為步長，帶寬 ，時間 。圖 3 為二氧化硫吸收率的 Matlab 仿真圖。根據實驗的 Matlab 仿真圖可以看出二氧化硫在光譜圖里只要有三個吸收區(qū)，這三個吸收區(qū)為 340~ 390nm、250~320nm 、190~ 230nm 。在當入射光的波長在 190nm~230nm 時，二氧化硫的吸收性最強，入射光波長在 250nm~320nm 時二氧化硫的吸收性次之，波長在 340nm~390nm 時吸收性最弱。從資料可以看出 340~390nm 時，二氧化硫的吸收性太弱，不適合做激發(fā)光，而當激發(fā)光的波長處于 250~320nm 時，二氧化硫的吸收性雖然比較好，但是這個時候生成的激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子容易和空氣中的氧氣分子和氮氣分子發(fā)生碰撞而被淬滅，產生不了熒光。二氧化硫分子在波長為 190nm~230nm 激發(fā)光激發(fā)后生成的激發(fā)態(tài)二氧化硫分子的壽命約為 10 9量級, 并且發(fā)出的熒光不易被空氣中的氮氣、氧氣及其他污染物淬滅。所以檢測用的光源波長選擇在 190nm~230nm 時之間。而且光源的波長選擇在 190~230nm 范圍內。通過實驗發(fā)現光源的波長選擇在 220nm 附近時，二氧化硫受激發(fā)產生熒光的強度達到最大，所以設計中光源波長在 220nm附近。因為二氧化硫產生熒光的光強和激發(fā)光的光強成正比，所以為了盡量準確的檢測二氧化硫的濃度，需要盡量讓激發(fā)光的光強增大。同時光源還必須滿足穩(wěn)定的輸出和均勻的光譜發(fā)射等條件。這樣才可以讓激發(fā)光源能夠在較寬的光譜范圍內發(fā)揮出較好的效率。本設計主要檢測的是光信號，所以激發(fā)光源也會對檢測光信號產生影響，所以要盡量避免光源對熒光信燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）14號檢測過程中的影響。所以要讓激發(fā)光源的工作頻率與熒光信號的頻率有著差別，這樣可以消除熒光信號的影響。200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 4000102030405060708090Wavelength(nm)T(%)圖 31 二氧化硫透射率的 Matlab 仿真圖第 3 章 系統(tǒng)的光學系統(tǒng)部分 15200 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。它的結構參數為表 31 所示。表 31 FX1160 短弧氙燈的參數 參數 數值弧長 光輻射波長 190~1100nm 峰值波長 200~500nm平均功率 20W 工作電壓 350~1000V 透鏡的選擇普通玻璃透鏡對紫外光具有較強的吸收性，而二氧化硫檢測系統(tǒng)中的激發(fā)光都是紫外光，以減少光的能量損失不能采用普通玻璃透鏡。石英透鏡吸收紫外光的能力比普通玻璃小得多，并且透光性和聚焦性也較好，所以本設計選擇石英透鏡作為系統(tǒng)的透鏡。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）16系統(tǒng)中透鏡的作用是焦距和準直。光路系統(tǒng)中有很多部分使用到了透鏡。在光源后有一透鏡，此處的石英透鏡焦距為 44nm,目的是讓光源中發(fā)出的光束近可能的變細減少誤差。而在光纖與氣室之間也有兩個石英透鏡，這兩處的石英透鏡的焦距選擇在 22nm。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。在氣室的熒光出口的透鏡是盡可能讓接受光纖接受到熒光，減少誤差。同時由于透鏡具有良好的聚焦和準直的功能，本設計的透鏡還有個作用就是光纖和光源間的耦合器的作用。 濾光片的選擇設計中使用濾光片的地方有兩處，分別是光源和激發(fā)光纖耦合處、氣室熒光出口和接受光纖的耦合處。這兩處濾光片的作用都是過濾掉一些對實驗由影響的雜光，減少檢測的誤差。但是這兩處濾光片的具體作用還不一樣，所以選擇的濾光片也是不一樣的。在光源和激發(fā)光纖耦合處的濾光片的主要作用是確保進入激發(fā)光纖的光線是設計中所選擇的特定頻率的光束，濾去那些以為光源不穩(wěn)定而偏離設計要求光束。所以這個地方的濾光片選擇中心波長為 220nm，帶寬為 10nm 的濾光片。通過實驗發(fā)現在激發(fā)光的波長為 時, 二氧化硫產生的的熒光波長主要上分布在 240~ 420nm 范圍內，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選擇中心波長為 330nm，帶寬為 100nm。這樣既確保了光電倍增管盡可能地接受二氧化硫產生熒光的同時又避免讓氣室中的激發(fā)光和激光光引起的散射光和反射光進入接受光纖中影響二氧化硫檢測的精度。下表 32 為上述兩個濾光片的參數。表 32 兩個濾光片的參數參數 激發(fā)光濾光片 熒光濾光片中心波長/nm 220 340半帶寬/nm 10 100外框直徑 /cm 20 20第 3 章 系統(tǒng)的光學系統(tǒng)部分 17峰值通過率 16% 45% 光纖耦合器光纖耦合器又稱連接器，主要用于實現光信號在光纖中的分路或合路。它是在光纖中的光束可以隨著兩束光纖而為成兩個光束。光纖耦合器可以實現光纖和光纖之間族自由的拆卸連接。它把兩根光纖的兩個端面精密對接起來，它使發(fā)射光纖輸出的光能量能夠最大限度地耦合到接收光纖中去，并且對系統(tǒng)造成的影響很長的小。本設計中選用的用 Y 型分支光纖耦合器，可以將由一根光纖輸入的光信號加以等分。在設計中它將光源發(fā)出的一束光束等分為兩束相同的光束進入兩根光纖中。 雙光路的設計在二氧化硫檢測系統(tǒng)中只用單光路就可以很好的檢測出二氧化硫的濃度，但是在實際操作中，光源的波動、溫度的變化和其他氣體的干擾因素都會影響檢測的精度。為了減少這些干擾和誤差，二氧化硫檢測系統(tǒng)中選擇光纖雙光路系統(tǒng)。這一測量系統(tǒng)是采用同一時間和同一空間的測量技術，可以有效地光源波動、共模噪聲和其他因素的影響，增強系統(tǒng)信號在傳輸過程中的抗干擾能力。雙光路系統(tǒng)的示意圖如圖 4 所示。光纖雙光路系統(tǒng)中激發(fā)光在經過透鏡聚焦后通過過濾片后進入光纖耦合器，光纖耦合器把光束變?yōu)閮墒嗤墓馐?，然后激發(fā)光纖中的光束通過透鏡進入到兩個氣室中，這兩個氣室在結構上是完全一樣的，只是里面的氣體是不一樣的，測量氣室里裝的是帶測量的氣體，而參考氣室里裝的是標準氣體。標準氣體是將空氣中的二氧化硫通過化學方法除去，其他物理量例如壓強、濕度、溫度等都與待測氣體一樣，參考氣室是處于密封狀態(tài)。然后接收光纖從兩個氣室中得到的熒光光信號經過光纖傳輸到光電轉換轉換器上，光電轉換器將熒光信號轉換為微弱的電流信號。微弱的電流信號經過 I/V 轉換和放大濾波電路、模數轉換電路，信號最終傳到控制系燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）18統(tǒng)。系統(tǒng)的雙光路系統(tǒng)如下圖 33 所示。激 發(fā) 光 源 透 鏡 濾 光 片 檢 測 氣 室參 考 氣 室光 纖 耦 合 器 P M TP M T圖 33 雙光路檢測系統(tǒng)框圖雙光路檢測系統(tǒng)可以減少光源波動造成系統(tǒng)檢測的誤差，具體的原理如下：光電倍增管在沒有光照全暗的情況下，加上工作電壓后陰極會發(fā)射的熱電子會產生微弱的電流，這種電流信號被稱為光電倍增管的本底信號。本底信號在光電倍增管工作的時候是始終存在的，在設計中必須要考慮到系統(tǒng)中的本底信號。假設二氧化硫熒光監(jiān)測系統(tǒng)中參考光路和檢測光路輸出的本底信號分別為 和 ,輸出的熒光信號分別為 和 。在光源發(fā)1A2 1B2生波動前參考光路輸出的信號和檢測電路輸出的信號之比為：。當光源發(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)?。)(1vA?同時檢測光路輸出的信號變?yōu)?。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。 干擾氣體的處理自然大氣中是由多種氣體組成的，氧氣、氮氣、二硫化碳、一氧化氮、二氧化碳、一氧化氮、甲烷和氣態(tài)的水蒸氣等氣體都是空氣中的主要組成成分。在這些氣體中二硫化碳、一氧化氮在紫外光的的照射下會激發(fā)發(fā)出很弱的熒光，使氣室中生成的熒光強度增強，他們的存在會使二氧化硫檢測濃度偏大。同時一氧化氮、甲烷和氣態(tài)的水蒸氣等氣體分子會與激發(fā)態(tài)第 3 章 系統(tǒng)的光學系統(tǒng)部分 19的二氧化硫分子發(fā)生碰撞，使激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子發(fā)生淬滅而發(fā)不出熒光，這樣的話會使氣室中反應生成的熒光強度減少，會使二氧化硫檢測濃度偏小。這些氣體的存在都會對二氧化硫的熒光信號產生干擾。因此要盡量減少這些干擾氣體對檢測的干擾。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 相同的響應適于二氧化硫濃度比 500:1NO 相同的響應適于二氧化硫濃度比 500:1C2H4 相同的響應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)現美國 TE 公司的專利技術中 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。kicker 管主要是滲透技術來吸收碳氫化合物的。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。增高檢測的精確度?？諝獠粌H存在各種各樣的氣體，還存在細顆粒物，就是俗稱的， 不僅僅影響環(huán)境問題和人體身體健康，而且在二氧化硫檢測中也會影響檢測的精度。在激發(fā)光照射待檢測氣體空氣時，空氣中的細顆粒物會吸收和反射光線，造成光線的散射，影響二氧化硫的熒光效率。由于本設計中使用了能夠用來除去對二氧化硫檢測有影響氣體的 kicker 管，kicker 管主要是通過滲透來除去對二氧化硫測量有干擾的氣體的。如果空氣中含有大量的細顆粒物，細顆粒物沉積在 kicker 管中會影響 kicker 管的滲透作用從而影響了氣出去碳氫化合物氣體的作用。所以必須在進氣口加以除塵裝置來防止上述現象的發(fā)生。待檢測的氣體經過除塵裝置過濾后燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）20由通過 kicker 管的進一步處理。然后氣體通過限流孔和流量計進入測量氣室。當檢測氣室中二氧化硫被紫外線激發(fā)產生熒光，之后通過 kicker 管的外套排出。 系統(tǒng)光纖及氣室的耦合在二氧化硫檢測系統(tǒng)中，光纖作為系統(tǒng)信號傳遞的介質可以較少信號在傳遞過程中造成的損失，可以增強檢測信號在傳遞過程的抗干擾能力，因為二氧化硫檢測室使用光來分析的，所以檢測系統(tǒng)的光路部分是很重要的，當光在光線內部傳遞的過程光能是不會有損失的，關鍵在光源和光纖耦合處和熒光口與光纖的耦合處是會有光能損失的，所以這兩處光纖的耦合會影響二氧化硫檢測的