利用光声光谱法检测二氧化硫浓度的方法技术

一种利用光声光谱法检测二氧化硫浓度的方法，属于大气痕量气体检测技术领域。该方法由量子级联激光器发射出可调光源给斩波器，通过斩波器得到强度可调制的光谱，光谱照射到光声池中的二氧化硫气体上，使二氧化硫吸收光能并释放吸收的能量，该能量使光能转化为热能，由热能产生声波，声波通过配置在光声池外的微音器检测并且通过转换电路将压力波动信号放大，得到模拟的光声信号，模拟的光声信号由外围模数转换电路转换成数字电信号，并通过锁相放大器将数字电信号放大送入数据采集电路采集数据，采集的数据经公式计算得到二氧化硫浓度值。体现安全、环保性；使用的方便性；不受含水蒸气的影响；具有检测精度高、灵敏度好和稳定性优异的长处。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于大气痕量气体检测
，具体涉及一种。
技术介绍
CO、N2O、SO2、NO、NO2、ch4、CH3、H2S、卤化物和有机化合物等等都属于痕量气体，它们中有些是天然产生的，但在很大程度上是人类活动产生的各种痕量粒种，这些痕量粒种受到物理的、化学的和生物的作用并参与地球化学循环，对全球大气环境及生态产生重大影响，例如化学烟雾、酸雨、温室效应和臭氧层遭破坏等无不与前述的痕量气体有关。在并不限于前面例举的痕量气体中，SO2是空气中最重要的一种含硫污染物，是一种辛辣的并且为窒息性的无色气体，熔点为-72°C，在水中的溶解度为8. 5% (25°C)，SO2与水蒸气混合后对金属具有很强的腐蚀性，并且对人类健康具有极大的危害性。随着科学技术的进步和工业的迅猛发展，人类在创造物质财富藉以增进文明的同时也伴随着向大气中排入大量的有毒有害气体。周知之理，大气中的SO2S要由燃料如煤炭、石油、天然气等燃烧以及在化学产品的生产过程中产生，正常浓度为0. 57 5. 7ug / m3。又，SO2是产生光化学烟雾和酸雨的根源之一，酸雨对建筑物和土壤具有极强的腐蚀性 .并且使生物的种类与数量俱减，对人类和其他生物的生存具有严重的危害性，例如长期吸入sa会发生慢性中毒，不仅使呼吸道疾病加重，而且对肝、肾、心脏均有危害。在大气中经阳光照射以及某些金属粉尘如工业烟尘中氧化铁的催化而极易氧化成SO3，与空气中的水蒸气结合形成硫酸雾，对金属制品、建筑物、土壤和江河湖泊产生酸化作用。我国环境质量标准规定，居住区大气中的Sh日平均浓度应低于0. 15mg/m3，年平均浓度低于0.06 mg/m3。各国对大气质量的监测指标中，均把SO2视为重点监测对象之一。针对SA的检测，我国环保标准主要定义了两种检测方法，一种是甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法，另一种是四氯汞盐吸收-副玫瑰苯胺分光光度法。除此之外还有采用电导率法和红外检测方法以及紫外荧光检测方法。前述的四氯汞盐酸吸收-副玫瑰苯胺分光光度法例如被四氯汞钾溶液吸收后，生成稳定的亚硫酸盐络合物，再与甲醛及盐酸副玫瑰苯胺作用，生成紫红色络合物，在 575nm处测量吸收度。该法是国内外测定空气中的最常用的方法，其优点是灵敏度高、 选择性好和既可适用于短时间采样，又可适合于长时间采样。缺点是吸收液毒性大；需要依赖添加化学物质。前述的甲醛吸收-副玫瑰苯胺分光光度法例如被甲醛缓冲溶液吸收后，生成稳定的羟甲基磺酸加成化合物，在样品溶液中加入氢氧化钠使加成化合物分解，释放出的二氧化硫与副玫瑰苯胺，经甲醛作用而生成紫红色化合物，用分光光度计在波长577nm处测量吸光度。该法的优点是能够避免汞盐的毒性，该甲醛吸收法的吸收率与四氯汞钾吸收法相比显著提高，并且稳定。灵敏度和准确度与四氯汞钾吸收法相当，但是，操作条件较为苛刻以及显色操作要求较为严格以及需要依赖添加化学物质。前述的电导率法是借助于二氧化硫浓度测量仪，工作原理是利用溶液在温度恒定时，有与其浓度相对应的电导率。当该种溶液吸收气体或与气体发生反应时，其电导率发生变化，测出电导率从而求出气体浓度。该种仪器的电极在出厂前，需用二氧化硫标准气体进行标定，但不能一标永逸，凡是当吸收液的电导率与标定时吸收液的电导率相差较大时，必须重新标定，且采样管必须加热使用。所以此方法不适宜在大气环境长时间监测中使用。前述的红外检测法是利用二氧化硫在红外区域(7. 3μπι)四周的光吸收进行浓度测量，当一束恒定的6. 82 9 μ m的红外光通过含有二氧化硫气体的介质时，被二氧化硫吸收，光通量被衰减，测出衰减速光能量，即可求出二氧化硫的浓度。这类方法应用的较为普遍，但测量时必须注重影响测量精度的干扰因素，其中，混合气体中的二氧化碳气体和水蒸气会对检测精度有很大的影响。这类方法必须结合加热保温、多级除尘和多级除湿，且样品气体输送距离不能太长，否则影响测量精度。更重要的是，红外检测二氧化硫方法无法检测低至PPb浓度的二氧化硫气体。前述的紫外荧光测量二氧化硫的原理是当220nm的紫外光照射到二氧化硫气体后，二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激发从高能级返回基态时发出荧光，荧光强度的大小反映出二氧化硫的浓度。这类检测方法的技术要害点是如何保证220nm的紫外光强恒定。另外，防止微尘堵塞以及衡释比发生变化。鉴于上述已有技术，有必要加以探索更为理想的对SO2浓度进行检测的方法，为此，本申请人作了大量而有益的研究，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种无需添加任何化学物质、无需进行二次或多次校准、 有助于避免水蒸气对检测精度产生影响的灵敏度及检测精度高和稳定性优异的。本专利技术的任务是这样来完成的，一种， 该方法由量子级联激光器发射出可调光源给斩波器，通过斩波器得到一束强度可调制的光谱，光谱照射到光声池中的二氧化硫气体上，使二氧化硫吸收光能并通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量，该能量使二氧化硫气体分子通过无辐射跃迁而将所述光能转化为热能，由热能使二氧化硫气体温度变化并引起压力波动而产生声波，该声波通过配置在光声池外的微音器检测并且通过转换电路将所述压力波动信号放大，得到模拟的光声信号， 模拟的光声信号由外围模数转换电路转换成数字电信号，并通过锁相放大器将数字电信号放 大送入数据采集电路采集数据，采集的数据经公式计算得到二氧化硫浓度值。在本专利技术的一个具体的实施例中，所述的量子级联激光器发射出可调光源是量子级联激光器配合斩波器发出的波长为8-12 μ m的中红外光谱。在本专利技术的另一个具体的实施例中，所述的光声池为谐振式光声池。在本专利技术的又一个具体的实施例中，所述的微音器为驻极体电容式微音器。在本专利技术的再一个具体的实施例中，所述的驻极体电容式微音器的电容量为 10PF、信噪比为56dB和灵敏度为_42dB。在本专利技术的还有一个具体的实施例中，所述的强度可调制的光谱的光能调制范围为 15. 9xl(T19 到 23. 9xl(T19 电子伏。在本专利技术的更而一个具体的实施例中，所述光源的调制频率为2.虹1015到 3. 6x1015HZo本专利技术提供的技术方案相对于已有技术具有不需使用任何化学物而藉以体现安全、环保性；一经标定的调整后无需再次调定而藉以体现使用的方便性；由于水在光源上无吸收峰，因而不受含水蒸气的影响；具有检测精度高、灵敏度好和稳定性优异的长处。附图说明图1为水(H2O)在4点露点，3%波动下二氧化硫的光声光谱图。图2为本专利技术所用的检测装置的示意图。图3为微音器的共振腔的示意图。图4为图2所示的检测装置的电气连接示意图。具体实施例方式实施例请见图2和图4，用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激，释放的热能使样品分子按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用灵敏的微音器检测，并通过放大得到光声信号，这就是光声效应。利用光声光谱传感器检测二氧化硫浓度就是基于二氧化硫的光声效应，此光声光谱传感器如图2和图4所示，包括量子级联激光器1、斩波器2、 光声池3、微音器4及外围电路。使用量子级联激光器1发射光源，并配合斩波器2得到一束强度可调制的单色光照射到密封本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种利用光声光谱法检测二氧化硫浓度的方法，其特征在于该方法由量子级联激光器发射出可调光源给斩波器，通过斩波器得到一束强度可调制的光谱，光谱照射到光声池中的二氧化硫气体上，使二氧化硫吸收光能并通过分子间碰撞以热的方式释放吸收的能量，该能量使二氧化硫气体分子通过无辐射跃迁而将所述光能转化为热能，由热能使二氧化硫气体温度变化并引起压力波动而产生声波，该声波通过配置在光声池外的微音器检测并且通过转换电路将所述压力波动信号放大，得到模拟的光声信号，模拟的光声信号由外围模数转换电路转换成数字电信号，并通过锁相放大器将数字电信号放大送入数据采集电路采集数据，采集的数据经公式计算得到二氧化硫浓度值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈默，
申请(专利权)人：常熟舒茨电子科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：32