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        SO2氣體光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2022-06-21 03:03:36劉杰輝
        技術(shù)與市場(chǎng) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:凸透鏡紫外光視圖

        王 峻,劉杰輝

        (河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038)

        0 引言

        空氣質(zhì)量的好壞對(duì)于人類(lèi)的健康有著重大影響,其中空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與氣體SO2、CO、NOX、O3等濃度值有關(guān)。為了監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的變化,專(zhuān)家們不斷進(jìn)行各種檢測(cè)方法的研究,其中SO2產(chǎn)生了分光光度法、滴定分析法、電化學(xué)檢測(cè)法、化學(xué)發(fā)光法等眾多檢測(cè)方法。近年來(lái),紫外熒光法由于其檢測(cè)極限低、高效的反應(yīng)靈敏度以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)儀器。其中具有代表性的為日本HORRBA的APSA-370二氧化硫監(jiān)測(cè)儀、法國(guó)ESA公司MMS小型化監(jiān)測(cè)儀等儀器,均能滿足檢測(cè)要求。相較于國(guó)外,國(guó)內(nèi)企業(yè)在儀器精度上還有差距。本文針對(duì)這一缺陷,分析儀器結(jié)構(gòu),在紫外光源結(jié)構(gòu)上提出了新的結(jié)構(gòu)理念,改善了光源對(duì)于檢測(cè)的干擾,提高了檢測(cè)精度。

        1 檢測(cè)原理及結(jié)構(gòu)分析

        紫外熒光法為測(cè)量SO2的主要方法之一。熒光的產(chǎn)生是通過(guò)特定波長(zhǎng)的紫外光對(duì)SO2氣體進(jìn)行照射,光電倍增管接收到熒光信號(hào),之后可將信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓值,上傳到數(shù)據(jù)處理模塊,根據(jù)電壓值與濃度之間的正比例關(guān)系,得出最終濃度檢測(cè)值。其檢測(cè)方法簡(jiǎn)單便利,同時(shí)擁有較高的精確度,可測(cè)量更低濃度的SO2氣體[1-3]。

        SO2分子對(duì)于紫外線吸收的效果也有所差距,不同波段的紫外光對(duì)應(yīng)不同的吸收能力,其中對(duì)190~230 nm波長(zhǎng)的紫外線吸收最強(qiáng)。在紫外光的照射下,SO2分子產(chǎn)生不同能級(jí)的躍遷,首先是SO2氣體分子在紫外光的照射下發(fā)生變化,從激發(fā)向激發(fā)態(tài)躍遷,熒光在激發(fā)態(tài)能量耗盡后回到原始狀態(tài)的瞬間產(chǎn)生。其過(guò)程如下:

        目前的儀器采用220 nm的光線波段進(jìn)行紫外光射,氣體照射后產(chǎn)生熒光投射在光電倍增管上,最終將檢測(cè)到的電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得出當(dāng)前檢測(cè)的SO2濃度[4-8]。

        圖1 傳統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)

        此種光路結(jié)構(gòu)可以用于環(huán)境空氣中SO2濃度的自動(dòng)分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2濃度的測(cè)量。其結(jié)構(gòu)如圖1所示;在水平方向上,由于光源經(jīng)過(guò)雙凸透鏡的匯聚,邊緣散色較大,光線進(jìn)入氣室中,部分光線投入到采集區(qū)域,影響采集精度。同時(shí)球差的存在影響到最佳位置的匯聚效果。球差是指在同一水平軸上時(shí),光線經(jīng)過(guò)球面透鏡時(shí),在所入射的透鏡表面的不同地方產(chǎn)生折射,由于光線入射角度的不同,折射后的曲線最終匯聚形成一個(gè)圓形的斑點(diǎn),而不是一個(gè)點(diǎn)[9-11]。

        2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        針對(duì)上述缺陷,在光路進(jìn)入氣室中,采用平行光可有效避免光源對(duì)采集部分的干擾。由于氙燈功率與氙燈直徑具有正比例關(guān)系。故本文在選用高功率氙燈的同時(shí)要考慮到尺寸問(wèn)題,對(duì)于直徑大的氙燈光源,其采用單一透鏡難以實(shí)現(xiàn)良好的準(zhǔn)直效果,可采用望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)[12-16]。

        優(yōu)化設(shè)計(jì)中,首先在光源系統(tǒng)中,對(duì)氙燈光源采用單凸透鏡進(jìn)行平行光處理,加入準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng),采用單凸透鏡加雙凸透鏡的組合與之前的平行光處理結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu),構(gòu)成新的光源系統(tǒng),如圖2所示。其中2個(gè)單凸透鏡的結(jié)構(gòu)組合,對(duì)于光線的匯聚具有更好的效果,可有效減小球差[17-21]。

        圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

        3 光路仿真

        對(duì)于原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Zemax光學(xué)仿真,分別從三維光線圖以及探測(cè)視圖分析原始結(jié)構(gòu),如圖3和圖4所示。從三維光線圖中可以得到,光線經(jīng)過(guò)單一雙凸透鏡匯聚后,在進(jìn)入氣室內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí),有部分光線投射在采集區(qū)域的透鏡上,對(duì)于熒光采集具有明顯的干擾作用。同時(shí)在光電倍增管的位置放置探測(cè)視圖,觀察視圖可以看到模擬光電倍增管區(qū)域的視圖上具有部分光斑,說(shuō)明光源發(fā)出的光線有部分投射在光電倍增管,將會(huì)影響光電倍增管對(duì)熒光采集的準(zhǔn)確性??芍f系統(tǒng)對(duì)氣體檢測(cè)存在著光源干擾,將會(huì)影響檢測(cè)精度。

        圖3 舊系統(tǒng)光線圖

        圖4 舊系統(tǒng)探測(cè)視圖

        對(duì)于改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行Zemax光學(xué)仿真(見(jiàn)圖5),新的系統(tǒng)中分別在光線出射后以及光線上方放置探測(cè)視圖,判別光線的軌跡是否會(huì)產(chǎn)生干擾。觀察圖6和圖7,從三維光路圖中可以看到光源在經(jīng)過(guò)新系統(tǒng)后實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)直壓縮,并無(wú)光線投射在采集區(qū)域。2種探測(cè)視圖表明,新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可有效避免光源對(duì)熒光采集的干擾,提高了檢測(cè)精度。

        圖5 探測(cè)視圖布局圖

        4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        分別對(duì)2種系統(tǒng)進(jìn)行電壓檢測(cè),在原有系統(tǒng)中的光電倍增管中將信號(hào)輸出接入到數(shù)字示波器。在相同光源的情況下,均通入零氣,防止空氣中SO2的存在影響檢測(cè)效果,對(duì)比2種系統(tǒng)的數(shù)值視圖得出表1電壓數(shù)據(jù)對(duì)比表,從圖8和圖9可以清晰地看到,舊系統(tǒng)在同樣條件下檢測(cè)的電壓值明顯波動(dòng)較大,而新系統(tǒng)的電壓值浮動(dòng)幾乎為零,可以判斷出新系統(tǒng)可以有效減少光源對(duì)采集系統(tǒng)的干擾,提高了檢測(cè)精度。

        圖6 上方探視圖

        圖7 右方探測(cè)視圖

        圖8 舊系統(tǒng)暗噪

        圖9 新系統(tǒng)暗噪

        表1 新舊系統(tǒng)暗噪電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)采用準(zhǔn)直壓系統(tǒng),對(duì)于原有的SO2儀器存在檢測(cè)精度的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)進(jìn)行Zemax仿真,對(duì)比三維光路圖、探測(cè)視圖,光源在準(zhǔn)直壓縮系統(tǒng)中,可有效避免光線進(jìn)入到采集區(qū)域,減少對(duì)熒光采集的干擾,提高了檢測(cè)精度。通過(guò)2種系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)搭建,分析數(shù)值示波器,驗(yàn)證了改進(jìn)后的新系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)精度的提高具有明顯效果,為SO2大氣檢測(cè)技術(shù)提供了一種新的方案。

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