一种农用车尾气中SO2浓度检测系统的初步设计

林大星，许良元，胡相翠，邢银龙， 马 标 (安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036)

一种农用车尾气中SO2浓度检测系统的初步设计

林大星，许良元，胡相翠，邢银龙， 马 标 (安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036)

详细介绍了一种基于荧光光谱法来检测农用车尾气中SO2浓度的测试系统。阐述了荧光光谱法的测量原理，以及检测系统的组成、功能和特点。通过对所采集到的尾气进行检测分析，得到了农用车尾气中SO2分子的荧光光谱图和激发光谱图，确定了农用车尾气中SO2分子的最佳激发波长和荧光发射波长，为计算农用车尾气中SO2浓度打好了基础。

农用车尾气；二氧化硫；荧光光谱检测；激发波长；发射波长

近几年，农用工程机械发展迅速，农用机械大批次生产，其中，对于农用车的使用更是越来越普及。农用车已成为农业交通运输的重要工具，这些车辆属于高排放型车辆，对大气污染相当严重，农用车尾气治理势在必行。其排放的主要成分如颗粒排放物PM10、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、光化学物质O3等[1-2]对环境的影响和对人体的直接伤害非常严重。

面对这种现状，研制出适合我国国情的农用车尾气检测系统是加快推广环保标准、促进经济可持续快速健康发展的关键问题之一。所以，笔者利用荧光光谱法来检测农用车尾气成分含量。荧光光谱技术，相比于其他光学分析法其优点有灵敏度高，测量速度快，无需用试剂，维护成本低，数据准确率高，而且它采集农用车尾气作为样气，中间不再添加其他样剂，能够实时监测、连续测量[3-4]。所以，它在环境气体检测领域具有一定的优越性。

1 测量原理

1.1荧光发光原理

根据某些物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子能力的物质在特定波长的光源照射下，会在瞬间发出荧光[5]。二氧化硫受激发光源照射后，处于激发态的二氧化硫分子在返回基态时发出荧光。

根据美国API紫外荧光法SO2空气质量自动监测仪(M100E)[6]可知，当激发波长在190～230nm范围内时，激发SO2后，可产生荧光。这个过程有2个反应：

第1步 当SO2被适合的激发波长照射时，可以激发处于基态的SO2分子，引起SO2分子中的一个电子跃迁到一个更高的能量轨道。其反应方程式为：

(1)

第2步 该反应发生在SO2受激发成为激发态以后。此时处在激发态的SO2分子会很快回到基态。并以荧光光子的形式释放能量。这个过程的反应方程式为：

(2)

式中，v2表示荧光发射波长。

1.2二氧化硫浓度与荧光强度的关系

当单色光入射光强保持不变时，低浓度SO2的荧光强度与其浓度呈正比关系[7]。此时，荧光总强度

I与SO2浓度之间的关系式为[8]：

I=KC

(3)

式中，C表示SO2浓度；K表示为一定物质、一定测定条件下的比例系数。比例系数K一般与反应室的长度、温度、材料、SO2的吸收系数、空气分子质量、荧光的淬灭时间、荧光出口面积以及出口透镜的透过率等参数有关[8-10]。当检测系统确定后，在稳定的条件下，这些参数也随之确定，此时K可视为常数。

2 系统实现

2.1系统的组成

图1 检测系统的组成

整个检测系统是由光源、单色仪、样品池、光纤探头、光谱仪、计算机等几部分构成，如图1所示。

光源采用的是一个高压球形氙灯，它采用电子稳流电路，具有较好的稳定性和可靠性，从紫外光区至近红外光区范围内有较强的能量辐射。该系统利用Y型光纤探头分别与单色仪和光谱仪进行耦合，激发光通过光纤探头照射到样品池中，样品池中SO2分子受到激发跃迁为激发态并很快回到基态，并发出荧光，再通过探头来检测荧光信号，然后将信号通过光纤送入光谱仪进行分析，分析的结果最终将传输到计算机中。

2.2系统工作过程

首先，将采集到的农用车尾气通入样品池中。打开光源，预热30min。打开测试系统，通过单色仪调节光源的激发波长，再将不同激发波长下的入射光通过光纤探头照射到样品池中。样品池中的SO2分子将会受到激发跃迁为激发态，处于激发态的SO2分子很快回到基态，并发出荧光。此时光纤探头将检测到荧光信号并将该信号送入光谱分析仪中，经过光谱仪的分析后最终将此信号送入计算机中，并以光谱图的形式在计算机中显示。通过对不同激发波长下所得到的荧光光谱图的分析，确定了SO2分子的最佳发射波长、荧光强度等信息。然后，固定SO2分子的最佳荧光发射波长，确定SO2分子的最佳激发波长。

3 SO2的最佳激发波长和最佳发射波长的确定

根据SO2分子在激发波长为190～230nm范围内的光的照射下会产生荧光的特性，通过检测系统做了一组试验来确定SO2的最佳激发波长和最佳发射波长。

3.1最佳发射波长的测量

在190～230nm范围内，系统分别测试了激发波长在210，214，230nm时SO2的荧光光谱图，所得荧光光谱图如图2所示。由图2可知，不同激发波长下，其所对应荧光光谱在358.5nm时，荧光强度最强。由此，初步得到农用车尾气中SO2分子的最佳发射波长为358.5nm。

3.2最佳激发波长的测量

在190～230nm范围内，将发射波长固定在358.5nm左右，利用该系统测得该发射波长下SO2分子荧光强度与激发波长的关系图(见图3)。由图3可知，当激发波长在216.9nm时荧光强度最大，所以初步确定该波长为农用车尾气中SO2分子的最佳激发波长。

4 结语

检测系统利用荧光光谱法原理来检测农用车尾气中SO2的浓度，通过实验初步得到了农用车中SO2分子的最佳激发波长和发射波长。后期将会对该系统进行进一步完善，最终实现对农用车尾气中SO2浓度实时、连续的测量。

图2 不同激发波长下SO2分子的荧光光谱图 图3 SO2分子荧光强度与激发波长的关系

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[编辑] 洪云飞

O433.1；TH744.16

A

1673-1409(2013)22-0060-02

2013-05-16

林大星(1989-)，男，硕士生，现主要从事光谱检测方面的研究工作。

许良元(1973-)，男，博士，副教授，硕士生导师，现主要从事检测技术等方面的教学与研究工作；E-mail: xlyjwh@136.com。