【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，通過(guò)光纖耦合器分為兩束光線，這兩光束分別通入測(cè)量氣室和參考?xì)馐抑凶鳛榧ぐl(fā)光使二氧化硫產(chǎn)生熒光。光纖接受到熒光后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后為微弱的電信號(hào)，之后經(jīng)過(guò)信號(hào)檢測(cè)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(lái)的章節(jié)里闡述。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12驅(qū) 動(dòng) 電 路 光 源 電 源 光 源 光 纖 耦 合 器 測(cè) 量 氣 室參 考 氣 室P M TP M T微 信 號(hào) 檢測(cè) 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(jì)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(cè)系統(tǒng)總框圖 本章小結(jié)本章主要介紹了熒光產(chǎn)生的機(jī)理、過(guò)程和熒光法檢測(cè)二氧化硫濃度的原理。并且論述了激發(fā)光束為多個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)候?qū)Χ趸驒z測(cè)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(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。第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 13第 3章 系統(tǒng)的光學(xué)部分 光源的選擇通過(guò) TU1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二氧化硫在吸收的光線在光譜圖中主要分布在三個(gè)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用 Matlab 仿真后結(jié)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(zhǎng)，帶寬 ，時(shí)間 。圖 3 為二氧化硫吸收率的 Matlab 仿真圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的 Matlab 仿真圖可以看出二氧化硫在光譜圖里只要有三個(gè)吸收區(qū)，這三個(gè)吸收區(qū)為 340~ 390nm、250~320nm 、190~ 230nm 。在當(dāng)入射光的波長(zhǎng)在 190nm~230nm 時(shí)，二氧化硫的吸收性最強(qiáng)，入射光波長(zhǎng)在 250nm~320nm 時(shí)二氧化硫的吸收性次之，波長(zhǎng)在 340nm~390nm 時(shí)吸收性最弱。從資料可以看出 340~390nm 時(shí)，二氧化硫的吸收性太弱，不適合做激發(fā)光，而當(dāng)激發(fā)光的波長(zhǎng)處于 250~320nm 時(shí)，二氧化硫的吸收性雖然比較好，但是這個(gè)時(shí)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?dú)夥肿影l(fā)生碰撞而被淬滅，產(chǎn)生不了熒光。二氧化硫分子在波長(zhǎng)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(jí), 并且發(fā)出的熒光不易被空氣中的氮?dú)?、氧氣及其他污染物淬滅。所以檢測(cè)用的光源波長(zhǎng)選擇在 190nm~230nm 時(shí)之間。而且光源的波長(zhǎng)選擇在 190~230nm 范圍內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光源的波長(zhǎng)選擇在 220nm 附近時(shí)，二氧化硫受激發(fā)產(chǎn)生熒光的強(qiáng)度達(dá)到最大，所以設(shè)計(jì)中光源波長(zhǎng)在 220nm附近。因?yàn)槎趸虍a(chǎn)生熒光的光強(qiáng)和激發(fā)光的光強(qiáng)成正比，所以為了盡量準(zhǔn)確的檢測(cè)二氧化硫的濃度，需要盡量讓激發(fā)光的光強(qiáng)增大。同時(shí)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(nèi)發(fā)揮出較好的效率。本設(shè)計(jì)主要檢測(cè)的是光信號(hào)，所以激發(fā)光源也會(huì)對(duì)檢測(cè)光信號(hào)產(chǎn)生影響，所以要盡量避免光源對(duì)熒光信燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14號(hào)檢測(cè)過(guò)程中的影響。所以要讓激發(fā)光源的工作頻率與熒光信號(hào)的頻率有著差別，這樣可以消除熒光信號(hào)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(xué)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(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)。它的結(jié)構(gòu)參數(shù)為表 31 所示。表 31 FX1160 短弧氙燈的參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值弧長(zhǎng) 光輻射波長(zhǎng) 190~1100nm 峰值波長(zhǎng) 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(duì)紫外光具有較強(qiáng)的吸收性，而二氧化硫檢測(cè)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(shè)計(jì)選擇石英透鏡作為系統(tǒng)的透鏡。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16系統(tǒng)中透鏡的作用是焦距和準(zhǔn)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(xì)減少誤差。而在光纖與氣室之間也有兩個(gè)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(guò)透鏡后盡可能地都通過(guò)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。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(shí)由于透鏡具有良好的聚焦和準(zhǔn)直的功能，本設(shè)計(jì)的透鏡還有個(gè)作用就是光纖和光源間的耦合器的作用。 濾光片的選擇設(shè)計(jì)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(guò)濾掉一些對(duì)實(shí)驗(yàn)由影響的雜光，減少檢測(cè)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(jìn)入激發(fā)光纖的光線是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求光束。所以這個(gè)地方的濾光片選擇中心波長(zhǎng)為 220nm，帶寬為 10nm 的濾光片。通過(guò)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。這樣既確保了光電倍增管盡可能地接受二氧化硫產(chǎn)生熒光的同時(shí)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(jìn)入接受光纖中影響二氧化硫檢測(cè)的精度。下表 32 為上述兩個(gè)濾光片的參數(shù)。表 32 兩個(gè)濾光片的參數(shù)參數(shù) 激發(fā)光濾光片 熒光濾光片中心波長(zhǎng)/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(xué)系統(tǒng)部分 17峰值通過(guò)率 16% 45% 光纖耦合器光纖耦合器又稱連接器，主要用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(gè)光束。光纖耦合器可以實(shí)現(xiàn)光纖和光纖之間族自由的拆卸連接。它把兩根光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來(lái)，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(duì)系統(tǒng)造成的影響很長(zhǎng)的小。本設(shè)計(jì)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(hào)加以等分。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。 雙光路的設(shè)計(jì)在二氧化硫檢測(cè)系統(tǒng)中只用單光路就可以很好的檢測(cè)出二氧化硫的濃度，但是在實(shí)際操作中，光源的波動(dòng)、溫度的變化和其他氣體的干擾因素都會(huì)影響檢測(cè)的精度。為了減少這些干擾和誤差，二氧化硫檢測(cè)系統(tǒng)中選擇光纖雙光路系統(tǒng)。這一測(cè)量系統(tǒng)是采用同一時(shí)間和同一空間的測(cè)量技術(shù)，可以有效地光源波動(dòng)、共模噪聲和其他因素的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)信號(hào)在傳輸過(guò)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(jīng)過(guò)透鏡聚焦后通過(guò)過(guò)濾片后進(jìn)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(guò)透鏡進(jìn)入到兩個(gè)氣室中，這兩個(gè)氣室在結(jié)構(gòu)上是完全一樣的，只是里面的氣體是不一樣的，測(cè)量氣室里裝的是帶測(cè)量的氣體，而參考?xì)馐依镅b的是標(biāo)準(zhǔn)氣體。標(biāo)準(zhǔn)氣體是將空氣中的二氧化硫通過(guò)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)馐沂翘幱诿芊鉅顟B(tài)。然后接收光纖從兩個(gè)氣室中得到的熒光光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電流信號(hào)。微弱的電流信號(hào)經(jīng)過(guò) I/V 轉(zhuǎn)換和放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)最終傳到控制系燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(cè) 氣 室參 考 氣 室光 纖 耦 合 器 P M TP M T圖 33 雙光路檢測(cè)系統(tǒng)框圖雙光路檢測(cè)系統(tǒng)可以減少光源波動(dòng)造成系統(tǒng)檢測(cè)的誤差，具體的原理如下：光電倍增管在沒(méi)有光照全暗的情況下，加上工作電壓后陰極會(huì)發(fā)射的熱電子會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，這種電流信號(hào)被稱為光電倍增管的本底信號(hào)。本底信號(hào)在光電倍增管工作的時(shí)候是始終存在的，在設(shè)計(jì)中必須要考慮到系統(tǒng)中的本底信號(hào)。假設(shè)二氧化硫熒光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中參考光路和檢測(cè)光路輸出的本底信號(hào)分別為 和 ,輸出的熒光信號(hào)分別為 和 。在光源發(fā)1A2 1B2生波動(dòng)前參考光路輸出的信號(hào)和檢測(cè)電路輸出的信號(hào)之比為：。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)?。)(1vA?同時(shí)檢測(cè)光路輸出的信號(hào)變?yōu)?。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(méi)有變化，而系統(tǒng)是通過(guò)比較參考光路和檢測(cè)電路信號(hào)作為最終信號(hào)來(lái)反應(yīng)二氧化硫的濃度的，所以通過(guò)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。 干擾氣體的處理自然大氣中是由多種氣體組成的，氧氣、氮?dú)?、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(huì)激發(fā)發(fā)出很弱的熒光，使氣室中生成的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，他們的存在會(huì)使二氧化硫檢測(cè)濃度偏大。同時(shí)一氧化氮、甲烷和氣態(tài)的水蒸氣等氣體分子會(huì)與激發(fā)態(tài)第 3 章 系統(tǒng)的光學(xué)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(huì)使氣室中反應(yīng)生成的熒光強(qiáng)度減少，會(huì)使二氧化硫檢測(cè)濃度偏小。這些氣體的存在都會(huì)對(duì)二氧化硫的熒光信號(hào)產(chǎn)生干擾。因此要盡量減少這些干擾氣體對(duì)檢測(cè)的干擾。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(méi)有影響CO2 3%的二氧化碳對(duì)二氧化硫幾乎沒(méi)有影響 NO %的 NO 沒(méi)有影響通過(guò)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(guò)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衔铮⑶夷軌蚋稍飶闹型ㄟ^(guò)氣體樣品，減少水蒸氣的含量。kicker 管主要是滲透技術(shù)來(lái)吸收碳?xì)浠衔锏?。通過(guò)使用 kicker 管減少檢測(cè)過(guò)程中各種干擾氣體對(duì)二氧化硫的影響。增高檢測(cè)的精確度?？諝獠粌H存在各種各樣的氣體，還存在細(xì)顆粒物，就是俗稱的， 不僅僅影響環(huán)境問(wèn)題和人體身體健康，而且在二氧化硫檢測(cè)中也會(huì)影響檢測(cè)的精度。在激發(fā)光照射待檢測(cè)氣體空氣時(shí)，空氣中的細(xì)顆粒物會(huì)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(shè)計(jì)中使用了能夠用來(lái)除去對(duì)二氧化硫檢測(cè)有影響氣體的 kicker 管，kicker 管主要是通過(guò)滲透來(lái)除去對(duì)二氧化硫測(cè)量有干擾的氣體的。如果空氣中含有大量的細(xì)顆粒物，細(xì)顆粒物沉積在 kicker 管中會(huì)影響 kicker 管的滲透作用從而影響了氣出去碳?xì)浠衔餁怏w的作用。所以必須在進(jìn)氣口加以除塵裝置來(lái)防止上述現(xiàn)象的發(fā)生。待檢測(cè)的氣體經(jīng)過(guò)除塵裝置過(guò)濾后燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20由通過(guò) kicker 管的進(jìn)一步處理。然后氣體通過(guò)限流孔和流量計(jì)進(jìn)入測(cè)量氣室。當(dāng)檢測(cè)氣室中二氧化硫被紫外線激發(fā)產(chǎn)生熒光，之后通過(guò) 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(cè)系統(tǒng)中，光纖作為系統(tǒng)信號(hào)傳遞的介質(zhì)可以較少信號(hào)在傳遞過(guò)程中造成的損失，可以增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)在傳遞過(guò)程的抗干擾能力，因?yàn)槎趸驒z測(cè)室使用光來(lái)分析的，所以檢測(cè)系統(tǒng)的光路部分是很重要的，當(dāng)光在光線內(nèi)部傳遞的過(guò)程光能是不會(huì)有損失的，關(guān)鍵在光源和光纖耦合處和熒光口與光纖的耦合處是會(huì)有光能損失的，所以這兩處光纖的耦合會(huì)影響二氧化硫檢測(cè)的