NO快速檢測光腔結(jié)構(gòu)設計與光路仿真

李文,蔡永青,陳夢凡,劉鵬

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院,北京 100144)

在機動車尾氣排放中占比最大的是NO氣體,因此,檢測機動車尾氣中NO濃度成為重中之重[1]。近年來,發(fā)展了如非分散紅外光譜法(nondispersive infrared,NDIR)、可調(diào)諧吸收光譜法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)等[2-4]一系列光譜法直接檢測NO濃度。目前,中國主要采用電化學原理和分光光度法檢測機動車尾氣中的NO。電化學檢測存在受溫、濕度等干擾因素影響大,標定時間長等問題,已無法滿足國標GB18352.6—2016[5]中的尾氣排放相關標準,并要求在用車檢測NOX方法中停止使用電化學法[6]。分光光度法檢測由于分辨率低、靈敏度差,無法滿足相關規(guī)定。化學發(fā)光法(chemiluminescent detector,CLD)測定NO具有靈敏度高、線性測量量程大等優(yōu)點,被廣泛應用于氣體的檢測分析中[7]。

為提高NO檢測精度和響應時間,基于化學發(fā)光反應檢測原理,本文設計了一種新型圓柱全反射S型光腔結(jié)構(gòu),采用ZEMAX對結(jié)構(gòu)模型進行光路仿真,應用FLUENT對S型光腔結(jié)構(gòu)模型進行模擬驗證。對比分析表明,圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)在氣體檢測領域具有廣泛的應用前景。

1 原理分析

化學發(fā)光法檢測NOX的工作原理是臭氧與NO反應[8],生成激發(fā)態(tài)的N,在激發(fā)態(tài)的N返回基態(tài)NO2時,發(fā)射出波長為600～2500nm的光,發(fā)射出的光峰值約在1200nm處。反應方程式如下:

式中:h為普朗克常量;v為發(fā)射光頻率。

化學反應的發(fā)光強度I的計算如下:式中:A為照射區(qū)域面積;N為時間間隔t上的光子總數(shù)。

由式(3)可知,光學中的光強與眾多因素有關,因此需要對以上因素進行分析。

2 微型采集光路的設計與優(yōu)化

化學發(fā)光法檢測NO的過程中[8-10],激發(fā)態(tài)的NO2躍遷回基態(tài)NO2時,會自發(fā)輻射產(chǎn)生波峰為1200nm的光,產(chǎn)生的光散射方向為發(fā)散性的,因此,提高NO氣體檢測精度的關鍵是如何收集更多的光[11-13],以此提高光電二極管采集信號的強度,降低背景噪聲,同時縮短整體采集光路,有利于分析儀小型化發(fā)展趨勢[14]。

2.1 光子檢測裝置

目前,美國GE公司研制的氮氧化物監(jiān)測儀化學發(fā)光采集裝置采用的是光電倍增管(PMT)[15-16]。光電倍增管響應時間快,噪聲低,但響應波段在300～500nm范圍內(nèi)具有較高的光譜響應,且對紫外光具有較高的探測性能,不適合中心波長為1200nm的氮氧化物化學發(fā)光檢測,而且需要400～600V的驅(qū)動電壓,體積很大,不利于監(jiān)測儀小型化改進。因此,本文選取體積較小、暗電流較低的PIN光電二極管作為化學發(fā)光探測器,對信號進行高增益放大,以實現(xiàn)弱光信號的檢測[17]。

經(jīng)過分析,最終選定濱松公司的S12023系列Si-APD參數(shù)光敏面為2.5mm×2.5mm的光電探測器。

2.2 光腔結(jié)構(gòu)的設計與比較

由于傳統(tǒng)的化學發(fā)光法檢測NO產(chǎn)生的化學發(fā)光光線發(fā)散性大、隨機性強,化學發(fā)光采集效率低、光路長。因此,本文設計了一種內(nèi)壁反射式光腔結(jié)構(gòu)模型,能夠改善化學發(fā)光光線發(fā)散角大等問題,匯聚更多的光線,以此增強檢測信號。為了仿真更接近真實情況,采用ZEMAX非序列體光源仿真軟件[18-20],對圓柱廣口散射式、12mm透鏡聚焦式、圓柱全反射式模型進行仿真與分析。通過仿真軟件模擬探測器接收到光子的相對能量a。根據(jù)不同的光腔模型,尋找最大的光子相對能量a[21-24]。為方便計算,設定單位為mm3,體積內(nèi)的光學強度為1。

由ZEMAX非序列模塊可知,整個光腔結(jié)構(gòu)的光源是無規(guī)則的體光源[25],因此,需要在結(jié)構(gòu)中增加光學鏡面以此來得到更多的光子。下面對3種光腔模型進行比較。

1)圓柱廣口散射式模型

對于廣口的光場,模型中選擇光場為廣口區(qū)域直徑為6mm、高度為8mm的圓柱形狀。直徑為6mm圓柱形狀是結(jié)合邊長為2.5mm的探測器而確定。為了更好地提高光子照射到探測器表面的效率,在發(fā)光體的頂端正對探測器放置一個直徑為5mm的光學反射鏡,如圖1所示。為了更真實地進行仿真,本文選取化學發(fā)光模型為圓柱體光源[26],得到如圖2所示的光學簡化仿真模型。經(jīng)光線追跡得到的結(jié)果如圖3所示。圖中:尺寸為寬3mm,高3mm,像素1024×1024,總點數(shù)194312,峰值輻照度6.8495W/cm2,總功率3.5×10-2W。分析光線條數(shù)為500000,由圖3可知總撞擊數(shù)為194312,光子的相對能量a的計算為

圖1 廣口圓柱模型Fig.1 Cylindrical wide-mouth model

圖2 光學簡化仿真模型Fig.2 Optical simplified simulation model

圖3 矩形探測器成像圖Fig.3 Rectangular detector imaging

a=M/T(4)

式中:M為總撞擊數(shù);T為分析光線條數(shù)。

通過計算式(4)可得,探測器接收到光子的相對能量a為0.39;若不加光學反射鏡,探測器接收到的光子相對能量為0.37。

2)12mm透鏡聚焦式模型

對于選擇透鏡光學結(jié)構(gòu),市面上大多以12mm的透鏡為主,因此本文模型選擇12mm的透鏡,將透鏡放置在探測器上方,同時發(fā)光體頂端仍放有直徑為5mm的光學反射鏡,如圖4所示,圖示中透鏡的作用是使光線匯聚在一起[27]。圖中尺寸為寬3mm,高3mm,像素1024×1024,總點改為184811,峰值輻照度7.8515W/cm2,總功率3.962×10-2W。通過圖5可知,總撞擊數(shù) 為184811,因此由式(4)計算可得a為0.36,在不加反射鏡的情況下a為0.26。

圖4 透鏡聚焦式模型Fig.4 Lens focusing model

圖5 加透鏡的矩形探測器成像圖Fig.5 Rectangular detector imaging with Lens

根據(jù)探測器接收到的對光子能量比較可知,12mm透鏡聚焦式模型不能起到匯聚光線的效果。

3)圓柱全反射式模型

先選擇簡單的圓柱體模型進行分析,將圓柱體上方放置反射鏡的方法更換成圓柱筒內(nèi)壁粘貼反射鏡。模型中圓柱筒的內(nèi)表面相當于全反射面,如圖6所示,圓柱筒的直徑不需要太大。

圖6 圓柱全反射式模型Fig.6 Cylindrical total reflection model

以圓筒長度為8mm為例,圓筒內(nèi)壁為全反射的條件下,如圖7可知,總撞擊數(shù)為738707,因此探測器接收到的相對光子能量a為1.48。圖中:尺寸為寬3mm,高3mm,像素1024×1024,總點數(shù)738707,峰值輻照度3.433W/cm2,總功率1.4774×10-1W。

圖7 內(nèi)壁全反射的矩形探測器成像圖Fig.7 Rectangular detector imaging with total reflection of inner wall

可以看出,提高腔體內(nèi)表面反射率是增加探測器信號強度的關鍵。由3種腔體模型接收相對光子能量的多少可以判定圓柱全反射式模型更有助于光子的高效收集。因此,本文設計了內(nèi)壁全反射式光腔結(jié)構(gòu)。

2.3 光腔結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化與仿真

化學發(fā)光法檢測NO選取合適的光腔結(jié)構(gòu)極其重要,這直接關系到NO與臭氧在腔體內(nèi)的反應效率。因此,光腔的設計需要考慮以下條件:快速穩(wěn)定的氣流交換,氣體反應混合充分,腔體小型化,盡可能多地將化學發(fā)光光線匯聚到探測器的感光面。在2.2節(jié)方案的基礎上進一步優(yōu)化,將選定的圓柱全反射式模型構(gòu)成直徑為10mm的S型光腔結(jié)構(gòu)模型,如圖8所示,采用ZEMAX非序列模型仿真,由圖9可知總撞擊數(shù)為1365467,因此探測器接收到的相對光子能量a較大為2.73。圖中:尺寸為寬3mm,高3mm,像素1024×1024,總點數(shù)1365467,峰值輻照度17.784W/cm2,總功率2.7309×10-1W。

圖8 S型光腔結(jié)構(gòu)3D模型Fig.8 3D model of S-shaped optical cavity structure

圖9 S型光腔結(jié)構(gòu)成像圖Fig.9 S-shaped optical cavity structure imaging

為了充分證明圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)更好,本文選取了不同截面形狀的全反射模型和不同形狀的光腔全反射結(jié)構(gòu)模型與設計的S型光腔結(jié)構(gòu)進行對比,采用ZEMAX進行仿真,仿真結(jié)果表明,內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)探測器接收到的相對光子能量最大。綜上所述,最終選擇圓柱內(nèi)壁全反射S型結(jié)構(gòu)作為光腔模型。

通過選定的模型,利用ZEMAX仿真光場的模型,得到如圖10所示的光場模型與仿真結(jié)果。

圖10 最終仿真結(jié)果Fig.10 Final simulation result

3 實驗與分析

為了滿足國家標準對腔體性能參數(shù)的要求,需要搭建標準的氣體檢測平臺對選定的圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔內(nèi)置反射鏡模型進行性能測試。

3.1 化學發(fā)光檢測設備

根據(jù)NO和臭氧化學反應發(fā)光波長,選定的光電探測器對光的敏感范圍為400～1000nm。同時設計了APD器件的恒溫制冷功能,以此維持APD的增益穩(wěn)定及壓低器件的噪聲水平。

3.2 標準氣體檢測的平臺搭建

設計的雙通道氮氧化物分析氣路平臺由氣體預處理部分、氣體前期反應制備裝置、化學發(fā)光反應及其檢測部分、流路控制部分等4部分組成,搭建流程如圖11所示。

圖11 雙通道氮氧化物分析氣路流程Fig.11 Flow chart of two-channel NOx analysis gas path

樣氣通過氣泵抽取氣體進入到儀器,采用設計的雙通道方式測定氮氧化物濃度,部分樣氣進入鉬轉(zhuǎn)化爐將NO2轉(zhuǎn)化為NO,并單獨進入一個反應室,測出總的氮氧化物濃度,即NO和NO2濃度之和。剩下的樣氣直接進入另一個反應室,測出其中NO濃度。氣體混合反應均在設計的新型圓柱全反射S型反應室中進行。

3.3 腔體實驗性能

3.3.1 建立NO標準工作曲線

將儀器預熱15min,達到最佳穩(wěn)定狀態(tài)。分別通入0.30‰、0.50‰、0.80‰、1.0‰、1.5‰、1.8‰、2.0‰的標準氣體,對其進行檢測,每個標準氣體測定6次,以室內(nèi)空氣的測定作為空白參照,扣除空白參照的檢測電壓值后,以NO濃度為橫坐標,檢測電壓值為縱坐標,對得到的數(shù)據(jù)進行曲線擬合,工作曲線如圖12所示,工作曲線對應的相關參數(shù)如表1所示。

圖12 NO檢測工作曲線Fig.12 Working curve of nitric oxide detection

表1 工作曲線相關參數(shù)Table1 Work curve related parameters

3.3.2 重復性測試

將空氣作為零點標定,0.8‰的標準氣體作為量程標定。通入1.0‰的樣氣進行6次測定,作為腔體的重復性測試,測試結(jié)果如表2所示。

表2 重復性測試結(jié)果Table2 Repeatability test results

4 結(jié) 論

本文通過分析NO與臭氧的化學反應產(chǎn)生的化學發(fā)光信號特點,采用ZEMAX光學仿真對其微型采集光路進行仿真,選取了最佳的光腔結(jié)構(gòu)進行光子檢測,S型光腔結(jié)構(gòu)模型追蹤到的總撞擊數(shù)為1365467,與分析光線條數(shù)500000進行對比,結(jié)果表明優(yōu)化后的S型采集光路對化學發(fā)光的采集效率為36.6%。通過實驗對圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)進行測試,經(jīng)過實驗驗證,低濃度的NO氣體,其濃度與發(fā)光強度線性相關。在系統(tǒng)0‰～2.5‰的量程范圍內(nèi),系統(tǒng)檢測線性度為0.9992,標準偏差為1.18%。由此表明圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好,同時也實現(xiàn)了檢測NO濃度的要求。綜上所述,該結(jié)構(gòu)具有工藝簡單、光路簡潔、可小型化等特點,圓柱內(nèi)壁全反射S型光腔結(jié)構(gòu)在氣體檢測領域具有廣泛的應用前景。

致謝感謝徐明剛老師給予的指導和幫助,同時也感謝金工實習老師給予的技術支持。