SO2气体光学系统优化设计

王 峻，刘杰辉

(河北工程大学机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038)

0 引言

空气质量的好坏对于人类的健康有着重大影响，其中空气质量的评价标准与气体SO2、CO、NOX、O3等浓度值有关。为了监测空气质量的变化，专家们不断进行各种检测方法的研究，其中SO2产生了分光光度法、滴定分析法、电化学检测法、化学发光法等众多检测方法。近年来，紫外荧光法由于其检测极限低、高效的反应灵敏度以及实时监测等优点，被广泛应用于监测仪器。其中具有代表性的为日本HORRBA的APSA-370二氧化硫监测仪、法国ESA公司MMS小型化监测仪等仪器，均能满足检测要求。相较于国外，国内企业在仪器精度上还有差距。本文针对这一缺陷，分析仪器结构，在紫外光源结构上提出了新的结构理念，改善了光源对于检测的干扰，提高了检测精度。

1 检测原理及结构分析

紫外荧光法为测量SO2的主要方法之一。荧光的产生是通过特定波长的紫外光对SO2气体进行照射，光电倍增管接收到荧光信号，之后可将信号转为电压值，上传到数据处理模块，根据电压值与浓度之间的正比例关系，得出最终浓度检测值。其检测方法简单便利，同时拥有较高的精确度，可测量更低浓度的SO2气体[1-3]。

SO2分子对于紫外线吸收的效果也有所差距，不同波段的紫外光对应不同的吸收能力，其中对190～230 nm波长的紫外线吸收最强。在紫外光的照射下，SO2分子产生不同能级的跃迁，首先是SO2气体分子在紫外光的照射下发生变化，从激发向激发态跃迁，荧光在激发态能量耗尽后回到原始状态的瞬间产生。其过程如下：

目前的仪器采用220 nm的光线波段进行紫外光射，气体照射后产生荧光投射在光电倍增管上，最终将检测到的电压值进行数据处理，得出当前检测的SO2浓度[4-8]。

图1 传统光路结构

此种光路结构可以用于环境空气中SO2浓度的自动分析，实现对SO2浓度的测量。其结构如图1所示；在水平方向上，由于光源经过双凸透镜的汇聚，边缘散色较大，光线进入气室中，部分光线投入到采集区域，影响采集精度。同时球差的存在影响到最佳位置的汇聚效果。球差是指在同一水平轴上时，光线经过球面透镜时，在所入射的透镜表面的不同地方产生折射，由于光线入射角度的不同，折射后的曲线最终汇聚形成一个圆形的斑点，而不是一个点[9-11]。

2 系统结构优化

针对上述缺陷，在光路进入气室中，采用平行光可有效避免光源对采集部分的干扰。由于氙灯功率与氙灯直径具有正比例关系。故本文在选用高功率氙灯的同时要考虑到尺寸问题，对于直径大的氙灯光源，其采用单一透镜难以实现良好的准直效果，可采用望远镜准直压缩系统[12-16]。

优化设计中，首先在光源系统中，对氙灯光源采用单凸透镜进行平行光处理，加入准直压缩系统，采用单凸透镜加双凸透镜的组合与之前的平行光处理结构相结构，构成新的光源系统，如图2所示。其中2个单凸透镜的结构组合，对于光线的汇聚具有更好的效果，可有效减小球差[17-21]。

图2 优化设计结构

3 光路仿真

对于原始结构进行了Zemax光学仿真，分别从三维光线图以及探测视图分析原始结构，如图3和图4所示。从三维光线图中可以得到，光线经过单一双凸透镜汇聚后，在进入气室内部结构时，有部分光线投射在采集区域的透镜上，对于荧光采集具有明显的干扰作用。同时在光电倍增管的位置放置探测视图，观察视图可以看到模拟光电倍增管区域的视图上具有部分光斑，说明光源发出的光线有部分投射在光电倍增管，将会影响光电倍增管对荧光采集的准确性。可知旧系统对气体检测存在着光源干扰，将会影响检测精度。

图3 旧系统光线图

图4 旧系统探测视图

对于改进后的系统进行Zemax光学仿真(见图5)，新的系统中分别在光线出射后以及光线上方放置探测视图，判别光线的轨迹是否会产生干扰。观察图6和图7，从三维光路图中可以看到光源在经过新系统后实现了准直压缩，并无光线投射在采集区域。2种探测视图表明，新的系统结构可有效避免光源对荧光采集的干扰，提高了检测精度。

图5 探测视图布局图

4 实验数据

分别对2种系统进行电压检测，在原有系统中的光电倍增管中将信号输出接入到数字示波器。在相同光源的情况下，均通入零气，防止空气中SO2的存在影响检测效果，对比2种系统的数值视图得出表1电压数据对比表，从图8和图9可以清晰地看到，旧系统在同样条件下检测的电压值明显波动较大，而新系统的电压值浮动几乎为零，可以判断出新系统可以有效减少光源对采集系统的干扰，提高了检测精度。

图6 上方探视图

图7 右方探测视图

图8 旧系统暗噪

图9 新系统暗噪

表1 新旧系统暗噪电压数据对比

5 结语

本文通过采用准直压系统，对于原有的SO2仪器存在检测精度的问题进行优化设计。通过进行Zemax仿真，对比三维光路图、探测视图，光源在准直压缩系统中，可有效避免光线进入到采集区域，减少对荧光采集的干扰，提高了检测精度。通过2种系统的实验搭建，分析数值示波器，验证了改进后的新系统对于检测精度的提高具有明显效果，为SO2大气检测技术提供了一种新的方案。