环境空气二氧化硫检测装置及检测方法与流程

本发明属于气体检测技术领域，尤其涉及一种环境空气二氧化硫检测装置及检测方法。

背景技术：

二氧化硫是一种主要的环境空气污染物，是环境空气气态污染物监测的必测项。目前测定二氧化硫的方法主要有紫外荧光法、电化学法、化学发光法和原子吸收法等。其中紫外荧光法以其灵敏度高、选择性好、测量范围大、不需要化学试剂和实时在线测量等优点成为标准方法之一，特别适合于二氧化硫浓度很低的大气连续监测系统应用。国内引进了大量的美国api公司和thermo公司的基于紫外荧光法的二氧化硫监测仪用于环境空气中二氧化硫的在线监测。但是紫外荧光法检测二氧化硫也存在一些问题，如容易受到空气中碳氢(hc)化合物产生荧光的干扰、容易产生荧光淬灭等现象，影响检测结果。另外，荧光检测属于极微弱信号检测和单参数检测，抗干扰能力较差。需要高精度的气路设计，气体吸收室是检测痕量气体的光学吸收法气体传感器的关键部件之一。光学吸收法气体传感器中，气室的光程越长，能够检测的气体浓度越低。但是现有的气体吸收室设计方案中，光程越长带来的问题就是气室的容积很大，响应能力下降，并且相对孔径变小，光能损失严重，需要更大功率的光源。设计一种光程长、容积小、相对孔径大的气体吸收室，对光学吸收法气体传感器的性能提升具有重要的作用。

鉴于此，有必要提供一种环境空气二氧化硫检测装置及检测方法，该环境空气二氧化硫检测装置及检测方法抗干扰能力强且其气体吸收室具有光程长、容积小、相对孔径大的特点。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，提出一种抗干扰能力强且其气体吸收室具有光程长、容积小、相对孔径大的特点的环境空气二氧化硫检测装置及检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种环境空气二氧化硫检测装置，包括气体吸收室，所述气体吸收室包括镜筒、第一反射镜及第二反射镜，所述镜筒上开设有进气口及出气口，所述镜筒还包括第一端及第二端，所述第一反射镜设置在所述镜筒的第一端，所述第二反射镜设置在所述镜筒的第二端；所述第一反射镜中心设置有通孔，所述通孔内安装有平凸透镜，所述平凸透镜包括平面侧和凸面侧，所述平凸透镜的平面侧靠近所述镜筒设置，所述平凸透镜的凸面侧背离所述镜筒设置；

所述环境空气二氧化硫检测装置还包括深紫外连续光谱光源、数据处理器及光纤分路器，所述深紫外连续光谱光源通过所述光纤分路器与所述通孔连接，以将深紫外光从所述平凸透镜进入所述镜筒，所述数据处理器通过所述光纤分路器与所述通孔连接，以采集经所述第二反射镜及所述第一反射镜反射后再从所述平凸透镜射出的深紫外光并计算二氧化硫浓度。

作为优选，所述数据处理器包括：

数据采集单元：用于采集经所述第二反射镜及所述第一反射镜反射后再从所述平凸透镜射出的深紫外光谱；

标定公式计算单元：用于基于二氧化硫标准气体及干扰物标准气体的吸光度信息计算标定公式，所述二氧化硫标准气体为已知浓度的二氧化硫气体，所述干扰物标准气体为已知浓度的干扰物气体；

二氧化硫浓度计算单元：用于基于被测环境空气的吸光度信息及所述标定公式计算单元计算的标定公式，计算二氧化硫浓度。

作为优选，所述第一反射镜与所述第二反射镜同轴设置，且所述第一反射镜的反射面与所述第二反射镜的反射面以面对面的方式设置，所述第一反射镜及所述第二反射镜的反射面上镀有反射膜。

作为优选，所述第一反射镜及所述第二反射镜的反射面为凹面，且所述第一反射镜与所述第二反射镜的反射面的曲率半径相同，所述第一反射镜与所述第二反射镜的直径相同。

作为优选，所述通孔内还安装有窗片，所述窗片为平面玻璃，所述通孔包括第一通孔及第二通孔，所述窗片设置于所述第一通孔内且覆盖所述第二通孔的孔口。

作为优选，所述平凸透镜设置在所述第一通孔内，所述窗片设置于所述平凸透镜的平面侧的侧方。

作为优选，所述窗片表面镀带通膜。

作为优选，所述光纤分路器采用y型光纤。

一种环境空气二氧化硫检测方法，采用前述的环境空气二氧化硫检测装置，包括以下步骤：

步骤s1:采集无污染气体吸收的深紫外光参考光谱；

步骤s2:采集被环境空气吸收后的深紫外光谱，并对采集的深紫外光谱进行去除暗电流、波长校准及光谱平滑预处理；

步骤s3:利用参考光谱和被环境空气吸收后的深紫外光谱计算出吸收光谱；

步骤s4:提取吸收光谱中二氧化硫吸收波段的傅里叶变换后的光谱特征t＝[t1,t2,...tn]以及干扰物气体吸收波段的光谱特征d＝[d1,d2,...dm]，其中，t为1×n向量，d为1×m，n和m代表特征数；

步骤s5:将提取的二氧化硫光谱特征t与干扰物气体的光谱特征d进行组合得到特征组合向量td＝[t,d]＝[t1,t2,...tn,d1,d2,...dm]，td为1×(n+m)向量；

步骤s6:根据特征组合向量td计算二氧化硫的浓度相对值cx＝td*uso2，其中uso2为特征行列式，由标定过程得出；

步骤s7:根据二氧化硫的浓度相对值及标定拟合公式计算出二氧化硫浓度cso2＝kcx+b，其中，k和b为标定系数，由标定过程得出。

作为优选，所述标定过程包括以下步骤：

测量不同浓度下二氧化硫标准气体的吸收光谱，浓度记为ci(i＝1,2,3,...p)，p代表二氧化硫气体浓度个数，根据所述步骤s1至所述步骤s5得到不同已知浓度的特征组合向量tdi＝[ti1,ti2,...tin,di1,di2,...dim]；

测量不同浓度下干扰物标准气体的吸收光谱得到，浓度记为cj(j＝1,2,3,...q)，q代表干扰物气体浓度个数，根据所述步骤s1至所述步骤s5得到不同已知浓度的特征组合向量tdj＝[tj1,tj2,...tjn,dj1,dj2,...djm]；

对tdi进行浓度归一化，即为tdi/ci＝[ti1/ci,ti2/ci,...tin/ci,di1/ci,di2/ci,...dim/ci]，取不同已知浓度归一化后的特征组合向量的平均值记为

对tdj进行浓度归一化，即为tdj/cj＝[tj1/cj,tj2/cj,...tjn/cj,dj1/cj,dj2/cj,...djm/cj]，取不同已知浓度归一化后的特征组合向量的平均值记为

将sso2和sdistrub组成2×(n+m)特征行列式ss＝[sso2；sdisturb],进而求得u＝inv(ss'*ss)*ss'，u为(n+m)×2行列式，uso2取u的第一列向量；

根据求得的uso2计算不同已知浓度的二氧化硫标准气体的相对浓度值cxi＝tdi*uso2,然后利用不同已知浓度的二氧化硫标准气体的相对浓度值和标准浓度，采用多项式拟合方法求得标定系数k和b的值。

本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的所述环境空气二氧化硫检测方法，利用参考光谱和被环境空气吸收后的深紫外光谱计算出吸收光谱，采用傅里叶变换及多项式拟合方法计算环境空气中二氧化硫浓度，同时剔除干扰物气体对二氧化硫浓度的影响，提高检测的抗干扰能力；

2、本发明的所述环境空气二氧化硫检测装置，通过在通孔内设置平凸透镜提高了整个气室的相对孔径使能量利用率更高；

3、本发明的所述环境空气二氧化硫检测装置，通过面对面设置的第一反射镜及第二反射镜，可实现多次反射使得气体吸收室具有光程长、容积小的特点。

附图说明

图1为本发明气体吸收室的结构示意图；

图2为本发明所述气体吸收室的局部结构示意图；

图3为本发明所述气体吸收室的平凸透镜的结构示意图；

图4为本发明二氧化硫在深紫外谱段的特征吸收光谱；

图5为本发明二氧化硫在深紫外谱段特征吸收光谱的傅里叶变换频谱；

图6为本发明数据处理器结构示意图；

图7为本发明环境空气二氧化硫检测装置结构示意图。

图中：1、第一反射镜；11、通孔；111、第一通孔；112、第二通孔；12、平凸透镜；121、平面侧；122、凸面侧；13、窗片；2、第二反射镜；3、镜筒；31、第一端；32、第二端；4、深紫外连续光谱光源；5、数据处理器；51、数据采集单元；52、标定公式计算单元；53、二氧化硫浓度计算单元；6、光纤分路器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，一种气体吸收室，包括镜筒3、第一反射镜1及第二反射镜2，所述镜筒3上开设有进气口及出气口，所述镜筒3包括第一端31及第二端32，所述第一反射镜1设置在所述镜筒3的第一端31，所述第二反射镜2设置在所述镜筒3的第二端32；所述第一反射镜1中心设置有通孔11，所述通孔11内安装有平凸透镜12，所述平凸透镜12包括平面侧121和凸面侧122，所述平凸透镜12的平面侧121靠近所述镜筒3设置，所述平凸透镜12的凸面侧122背离所述镜筒3设置；从所述平凸透镜12进入镜筒3的光束经所述第二反射镜2及所述第一反射镜1反射后再从所述平凸透镜12射出，所述平凸透镜12用来会聚光束，提高气体吸收室的相对孔径，进而提高光能利用率，光束在第一反射镜1及第二反射镜2之间多次反射和会聚，通过调整第一反射镜1与第二反射镜2之间的中心距可以改变光束在第一反射镜1与第二反射镜2之间的反射次数，从而改变光程。

一种环境空气二氧化硫检测装置，包括气体吸收室，所述气体吸收室包括镜筒3、第一反射镜1及第二反射镜2，所述镜筒3上开设有进气口及出气口，所述镜筒3还包括第一端31及第二端32，所述第一反射镜1设置在所述镜筒3的第一端31，所述第二反射镜2设置在所述镜筒3的第二端32；所述第一反射镜1中心设置有通孔11，所述通孔11内安装有平凸透镜12，所述平凸透镜12包括平面侧121和凸面侧122，所述平凸透镜12的平面侧121靠近所述镜筒设置，所述平凸透镜12的凸面侧122背离所述镜筒3设置；

所述环境空气二氧化硫检测装置还包括深紫外连续光谱光源4、数据处理器5及光纤分路器6，所述深紫外连续光谱光源4通过所述光纤分路器6与所述通孔11连接，以将深紫外光从所述平凸透镜12进入所述镜筒3，其中所述深紫外连续光谱光源4发出在200nm～210nm具有连续光谱功率分布的深紫外光；所述数据处理器5通过所述光纤分路器6与所述通孔11连接，以采集经所述第二反射镜2及所述第一反射镜1反射后再从所述平凸透镜12射出的深紫外光并计算二氧化硫浓度，所述光纤分路器6优选为y型光纤。

进一步地，所述数据处理器5包括：

数据采集单元51：用于采集经所述第二反射镜及所述第一反射镜反射后再从所述平凸透镜射出的深紫外光谱；

标定公式计算单元52：用于基于二氧化硫标准气体及干扰物标准气体的吸光度信息计算标定公式，所述二氧化硫标准气体为已知浓度的二氧化硫气体，所述干扰物标准气体为已知浓度的干扰物气体；

二氧化硫浓度计算单元53：用于基于被测环境空气的吸光度信息及所述标定公式计算单元计算的标定公式，计算二氧化硫浓度

进一步地，所述第一反射镜1与所述第二反射镜2同轴设置，且所述第一反射镜1的反射面与所述第二反射镜2的反射面以面对面的方式设置；进一步地，所述第一反射镜1及所述第二反射镜2的反射面为凹面，且所述第一反射镜1与所述第二反射镜2的反射面的曲率半径相同，所述第一反射镜1与所述第二反射镜2的直径相同，为了实现更好的发射效果在所述第一反射镜1及所述第二反射镜2的反射面上镀有反射膜。

如图2所示，所述通孔11内还安装有窗片13，所述窗片13为平面玻璃，所述通孔11包括第一通孔111及第二通孔112，所述窗片13设置于所述第一通孔111内且覆盖所述第二通孔112的孔口以用于气室的密封，所述窗片13表面镀带通膜以平衡气体吸收室的光谱透过性能，降低杂散光，所述平凸透镜12设置在所述第一通孔111内，所述窗片13设置于所述平凸透镜12的平面侧121的侧方。

一种环境空气二氧化硫检测方法，采用前述的环境空气二氧化硫检测装置，包括以下步骤：

步骤s1:采集无污染气体吸收的深紫外光参考光谱；

步骤s2:采集被环境空气吸收后的深紫外光谱，并对采集的深紫外光谱进行去除暗电流、波长校准及光谱平滑预处理；

步骤s3:利用参考光谱和被环境空气吸收后的深紫外光谱计算出吸收光谱；

步骤s4:提取吸收光谱中二氧化硫吸收波段的傅里叶变换后的光谱特征t＝[t1,t2,...tn]以及干扰物气体吸收波段的光谱特征d＝[d1,d2,...dm]，其中，t为1×n向量，d为1×m，n和m代表特征数；

步骤s5:将提取的二氧化硫光谱特征t与干扰物气体的光谱特征d进行组合得到特征组合向量td＝[t,d]＝[t1,t2,...tn,d1,d2,...dm]，td为1×(n+m)向量；

步骤s6:根据特征组合向量td计算二氧化硫的浓度相对值cx＝td*uso2，其中uso2为特征行列式，由标定过程得出；

步骤s7:根据二氧化硫的浓度相对值及标定拟合公式计算出二氧化硫浓度cso2＝kcx+b，其中，k和b为标定系数，由标定过程得出。

进一步地，所述标定过程包括以下步骤：

测量不同浓度下二氧化硫标准气体的吸收光谱，浓度记为ci(i＝1,2,3,...p)，p代表二氧化硫气体浓度个数，根据所述步骤s1至所述步骤s5得到不同已知浓度的特征组合向量tdi＝[ti1,ti2,...tin,di1,di2,...dim]；

测量不同浓度下干扰物标准气体的吸收光谱得到，浓度记为cj(j＝1,2,3,...q)，q代表干扰物气体浓度个数，根据所述步骤s1至所述步骤s5得到不同已知浓度的特征组合向量tdj＝[tj1,tj2,...tjn,dj1,dj2,...djm]；

对tdi进行浓度归一化，即为tdi/ci＝[ti1/ci,ti2/ci,...tin/ci,di1/ci,di2/ci,...dim/ci]，取不同已知浓度归一化后的特征组合向量的平均值记为

对tdj进行浓度归一化，即为tdj/cj＝[tj1/cj,tj2/cj,...tjn/cj,dj1/cj,dj2/cj,...djm/cj]，取不同已知浓度归一化后的特征组合向量的平均值记为

将sso2和sdistrub组成2×(n+m)特征行列式ss＝[sso2；sdisturb],进而求得u＝inv(ss'*ss)*ss'，u为(n+m)×2行列式，uso2取u的第一列向量；

根据求得的uso2计算不同已知浓度的二氧化硫标准气体的相对浓度值cxi＝tdi*uso2,然后利用不同已知浓度的二氧化硫标准气体的相对浓度值和标准浓度，采用多项式拟合方法求得标定系数k和b的值。

本发明的所述环境空气二氧化硫检测方法，利用参考光谱和被环境空气吸收后的深紫外光谱计算出吸收光谱，采用傅里叶变换及多项式拟合方法计算环境空气中二氧化硫浓度，同时剔除干扰物气体对二氧化硫浓度的影响，提高检测的抗干扰能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。