基于差分吸收光譜法的光纖煙氣監測系統

戈燕紅李玉金朱軍華

(1宇星科技發展（深圳）有限公司,廣東深圳518057)

(2廣東上風環保科技有限公司,廣東佛山528312)

基于差分吸收光譜法的光纖煙氣監測系統

戈燕紅1,2李玉金1,2朱軍華1

(1宇星科技發展（深圳）有限公司,廣東深圳518057)

(2廣東上風環保科技有限公司,廣東佛山528312)

在紫外煙氣光譜的微弱信號處理上采用差分吸收光譜法算法，去除了水蒸氣、煙塵和氣體間的交叉干擾的影響，實現了同時檢測NO、SO2、NO2的功能，適應了惡劣環境的煙氣測量。

光纖傳感；在線監測；差分吸收光譜

1 差分吸收光譜法思想簡介

本系統煙氣濃度反演的數據處理原理是Lambert-Beer定律：

其中I0(λ)為光源發射光強，I(λ)是煙氣吸收光譜，ci是第i種待測氣體的濃度，σi(λ)是所測第i種氣體的分子吸收光譜截面，L是系統的光程，ε(λ)則是瑞利散射系數和米氏散射系數。為了去除煙氣中煙塵和水蒸氣等顆粒物的影響，可將(1)式中待測量污染物的分子吸收光譜截面σi(λ)分成兩部分，故可得下式：

將上式再做處理，如下：

其中是σi,s(λ)和σi,r(λ)分別是慢變化快變化，（3）式右邊第2項是慢變化部分，該影響可通過數字濾波去除。在進行待測氣體濃度反演時，我們需要將經過數字濾波后的標準待測氣體吸收光譜作為基準光譜，相同處理的（3）式待測氣體的混合光譜與基準光譜進行最小二乘回歸擬合分析，求解得到ci。

2 系統光纖探頭設計

為了實現儀器的便攜性能以及檢測靈敏度的提高，我們將設計光路設計為反射式，這實現了透射式設計狀況下2倍光程，儀器的靈敏度提高1倍，但這增加了光學系統設計的難度，由于儀器系統光強調制系數影響因子較多，影響因子包括：光室的設計長度、反射面傾斜程度、選型光纖的基本參數（數值孔徑、芯徑、光纖的數目）以及光纖出射端和接收端光纖端面的排列方式，對此，我們采用角反射鏡代替常規的平面鏡實現正鏡式，角反射鏡光學特性是原路返回的特點，降低了反射端調節難度。同時為了充分利用光源光強并減少光源產生雜散光的影響，我們在光纖探頭增加一個平凸透鏡，根據光纖數值孔徑(NA=0.27)確定透鏡f為50mm，R為30mm。

煙氣中的煙塵和水蒸氣等顆粒物會引起瑞利散射和米氏散射，散射效應會使光束擴大，即接收端光斑半徑增大，如何降低光斑擴大的影響，增加接收端光強的采集效率，系統接收端光纖的排布方式采用內進外出的最佳排布方式，見圖1，圖中白色為入射光纖端面,黑色為輸出光纖端面。

3 系統結構設計

系統結構如圖2所示，該儀器主要由三部分組成：紫外光源與其驅動電路、光室系統、光譜儀和上位機計算系統。系統紫外光產生部分包括微型紫外緊湊型光源（即光纖燈）和控制電源模塊，光譜范圍200nm~1100nm，光源外部由TTL控制，參數為12Vdc/0.6A，光強亮度可通過上位機數據采集系統進行控制；系統光室系統由擴束平凸透鏡和角反射鏡組成，該部分是儀器系統的核心模塊，掩體的流動是通過分子泵和上位機控制實現的，雙臂光纖排布方式見圖1，微型光譜儀和上位機數據分析系統組成待測氣體濃度解析的分光和算法模塊，系統采用的微型光譜儀參數如下：波長為290nm~310nm范圍、分辨為0.25 nm。

儀器系統光路流程如下：光源發出的光經雙臂多模光纖（圖1中白色端面）出射，被擴束透鏡準直為平行光，射入光室，紫外光穿過待測氣體后，被角反射鏡反射后原路返回，經由擴束透鏡聚焦耦合到雙臂多模光纖出射端（見圖1中黑色端面），進入微型光譜儀，經光譜儀分光后，獲得待測物質的吸收光譜，然后上位機軟件采用差分吸收光譜算法反演出SO2、NO和NO2組分的濃度。

該設計方案中的關鍵技術是光纖反射式折疊光路設計、煙塵煙氣的慢變化的濾波技術和氣體濃度的最小二乘多元回歸算法，光學設計部分實現了儀器的微型化、便攜化，算法設計部分消除檢測過程中煙塵和水汽的瑞利散射影響，故可不采用電化學傳感器儀器中的預處理單元，同時采用線性回歸算法消除NO2對NO的交叉干擾，使測量結果更準確。

4 結語

本方案基于差分吸收光譜法進行了儀器的整機設計，差分算法能去煙氣中塵、水蒸氣的瑞利散射干擾，整機設計中光路采用反射式、光纖燈、微型光纖光譜儀實現儀器的便攜式性能，該系統能很好的實現對煙氣的監測，可滿足絕大多數煙道中惡劣工況下的監測。

[1]肖尚輝，湯俊，基于光譜吸收型光纖傳感器的煤礦瓦斯測量技術[J].光學技術,2012,38(5):555.

[2]謝品華,劉文清，鄭朝暉等.差分光學吸收光譜(DOAS)技術在煙氣SO2監測中的應用[J],光子學報,2000,29(3):271-276.

資金來源：廣東省省級科技計劃項目，項目編號: 2014B090903013，2015B020236001