NO快速检测光腔结构设计与光路仿真

李文,蔡永青,陈梦凡,刘鹏

(北方工业大学 机械与材料工程学院,北京 100144)

在机动车尾气排放中占比最大的是NO气体,因此,检测机动车尾气中NO浓度成为重中之重[1]。近年来,发展了如非分散红外光谱法(nondispersive infrared,NDIR)、可调谐吸收光谱法(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)等[2-4]一系列光谱法直接检测NO浓度。目前,中国主要采用电化学原理和分光光度法检测机动车尾气中的NO。电化学检测存在受温、湿度等干扰因素影响大,标定时间长等问题,已无法满足国标GB18352.6—2016[5]中的尾气排放相关标准,并要求在用车检测NOX方法中停止使用电化学法[6]。分光光度法检测由于分辨率低、灵敏度差,无法满足相关规定。化学发光法(chemiluminescent detector,CLD)测定NO具有灵敏度高、线性测量量程大等优点,被广泛应用于气体的检测分析中[7]。

为提高NO检测精度和响应时间,基于化学发光反应检测原理,本文设计了一种新型圆柱全反射S型光腔结构,采用ZEMAX对结构模型进行光路仿真,应用FLUENT对S型光腔结构模型进行模拟验证。对比分析表明,圆柱内壁全反射S型光腔结构在气体检测领域具有广泛的应用前景。

1 原理分析

化学发光法检测NOX的工作原理是臭氧与NO反应[8],生成激发态的N,在激发态的N返回基态NO2时,发射出波长为600～2500nm的光,发射出的光峰值约在1200nm处。反应方程式如下:

式中:h为普朗克常量;v为发射光频率。

化学反应的发光强度I的计算如下:式中:A为照射区域面积;N为时间间隔t上的光子总数。

由式(3)可知,光学中的光强与众多因素有关,因此需要对以上因素进行分析。

2 微型采集光路的设计与优化

化学发光法检测NO的过程中[8-10],激发态的NO2跃迁回基态NO2时,会自发辐射产生波峰为1200nm的光,产生的光散射方向为发散性的,因此,提高NO气体检测精度的关键是如何收集更多的光[11-13],以此提高光电二极管采集信号的强度,降低背景噪声,同时缩短整体采集光路,有利于分析仪小型化发展趋势[14]。

2.1 光子检测装置

目前,美国GE公司研制的氮氧化物监测仪化学发光采集装置采用的是光电倍增管(PMT)[15-16]。光电倍增管响应时间快,噪声低,但响应波段在300～500nm范围内具有较高的光谱响应,且对紫外光具有较高的探测性能,不适合中心波长为1200nm的氮氧化物化学发光检测,而且需要400～600V的驱动电压,体积很大,不利于监测仪小型化改进。因此,本文选取体积较小、暗电流较低的PIN光电二极管作为化学发光探测器,对信号进行高增益放大,以实现弱光信号的检测[17]。

经过分析,最终选定滨松公司的S12023系列Si-APD参数光敏面为2.5mm×2.5mm的光电探测器。

2.2 光腔结构的设计与比较

由于传统的化学发光法检测NO产生的化学发光光线发散性大、随机性强,化学发光采集效率低、光路长。因此,本文设计了一种内壁反射式光腔结构模型,能够改善化学发光光线发散角大等问题,汇聚更多的光线,以此增强检测信号。为了仿真更接近真实情况,采用ZEMAX非序列体光源仿真软件[18-20],对圆柱广口散射式、12mm透镜聚焦式、圆柱全反射式模型进行仿真与分析。通过仿真软件模拟探测器接收到光子的相对能量a。根据不同的光腔模型,寻找最大的光子相对能量a[21-24]。为方便计算,设定单位为mm3,体积内的光学强度为1。

由ZEMAX非序列模块可知,整个光腔结构的光源是无规则的体光源[25],因此,需要在结构中增加光学镜面以此来得到更多的光子。下面对3种光腔模型进行比较。

1)圆柱广口散射式模型

对于广口的光场,模型中选择光场为广口区域直径为6mm、高度为8mm的圆柱形状。直径为6mm圆柱形状是结合边长为2.5mm的探测器而确定。为了更好地提高光子照射到探测器表面的效率,在发光体的顶端正对探测器放置一个直径为5mm的光学反射镜,如图1所示。为了更真实地进行仿真,本文选取化学发光模型为圆柱体光源[26],得到如图2所示的光学简化仿真模型。经光线追迹得到的结果如图3所示。图中:尺寸为宽3mm,高3mm,像素1024×1024,总点数194312,峰值辐照度6.8495W/cm2,总功率3.5×10-2W。分析光线条数为500000,由图3可知总撞击数为194312,光子的相对能量a的计算为

图1 广口圆柱模型Fig.1 Cylindrical wide-mouth model

图2 光学简化仿真模型Fig.2 Optical simplified simulation model

图3 矩形探测器成像图Fig.3 Rectangular detector imaging

a=M/T(4)

式中:M为总撞击数;T为分析光线条数。

通过计算式(4)可得,探测器接收到光子的相对能量a为0.39;若不加光学反射镜,探测器接收到的光子相对能量为0.37。

2)12mm透镜聚焦式模型

对于选择透镜光学结构,市面上大多以12mm的透镜为主,因此本文模型选择12mm的透镜,将透镜放置在探测器上方,同时发光体顶端仍放有直径为5mm的光学反射镜,如图4所示,图示中透镜的作用是使光线汇聚在一起[27]。图中尺寸为宽3mm,高3mm,像素1024×1024,总点改为184811,峰值辐照度7.8515W/cm2,总功率3.962×10-2W。通过图5可知,总撞击数 为184811,因此由式(4)计算可得a为0.36,在不加反射镜的情况下a为0.26。

图4 透镜聚焦式模型Fig.4 Lens focusing model

图5 加透镜的矩形探测器成像图Fig.5 Rectangular detector imaging with Lens

根据探测器接收到的对光子能量比较可知,12mm透镜聚焦式模型不能起到汇聚光线的效果。

3)圆柱全反射式模型

先选择简单的圆柱体模型进行分析,将圆柱体上方放置反射镜的方法更换成圆柱筒内壁粘贴反射镜。模型中圆柱筒的内表面相当于全反射面,如图6所示,圆柱筒的直径不需要太大。

图6 圆柱全反射式模型Fig.6 Cylindrical total reflection model

以圆筒长度为8mm为例,圆筒内壁为全反射的条件下,如图7可知,总撞击数为738707,因此探测器接收到的相对光子能量a为1.48。图中:尺寸为宽3mm,高3mm,像素1024×1024,总点数738707,峰值辐照度3.433W/cm2,总功率1.4774×10-1W。

图7 内壁全反射的矩形探测器成像图Fig.7 Rectangular detector imaging with total reflection of inner wall

可以看出,提高腔体内表面反射率是增加探测器信号强度的关键。由3种腔体模型接收相对光子能量的多少可以判定圆柱全反射式模型更有助于光子的高效收集。因此,本文设计了内壁全反射式光腔结构。

2.3 光腔结构设计的优化与仿真

化学发光法检测NO选取合适的光腔结构极其重要,这直接关系到NO与臭氧在腔体内的反应效率。因此,光腔的设计需要考虑以下条件:快速稳定的气流交换,气体反应混合充分,腔体小型化,尽可能多地将化学发光光线汇聚到探测器的感光面。在2.2节方案的基础上进一步优化,将选定的圆柱全反射式模型构成直径为10mm的S型光腔结构模型,如图8所示,采用ZEMAX非序列模型仿真,由图9可知总撞击数为1365467,因此探测器接收到的相对光子能量a较大为2.73。图中:尺寸为宽3mm,高3mm,像素1024×1024,总点数1365467,峰值辐照度17.784W/cm2,总功率2.7309×10-1W。

图8 S型光腔结构3D模型Fig.8 3D model of S-shaped optical cavity structure

图9 S型光腔结构成像图Fig.9 S-shaped optical cavity structure imaging

为了充分证明圆柱内壁全反射S型光腔结构更好,本文选取了不同截面形状的全反射模型和不同形状的光腔全反射结构模型与设计的S型光腔结构进行对比,采用ZEMAX进行仿真,仿真结果表明,内壁全反射S型光腔结构探测器接收到的相对光子能量最大。综上所述,最终选择圆柱内壁全反射S型结构作为光腔模型。

通过选定的模型,利用ZEMAX仿真光场的模型,得到如图10所示的光场模型与仿真结果。

图10 最终仿真结果Fig.10 Final simulation result

3 实验与分析

为了满足国家标准对腔体性能参数的要求,需要搭建标准的气体检测平台对选定的圆柱内壁全反射S型光腔内置反射镜模型进行性能测试。

3.1 化学发光检测设备

根据NO和臭氧化学反应发光波长,选定的光电探测器对光的敏感范围为400～1000nm。同时设计了APD器件的恒温制冷功能,以此维持APD的增益稳定及压低器件的噪声水平。

3.2 标准气体检测的平台搭建

设计的双通道氮氧化物分析气路平台由气体预处理部分、气体前期反应制备装置、化学发光反应及其检测部分、流路控制部分等4部分组成,搭建流程如图11所示。

图11 双通道氮氧化物分析气路流程Fig.11 Flow chart of two-channel NOx analysis gas path

样气通过气泵抽取气体进入到仪器,采用设计的双通道方式测定氮氧化物浓度,部分样气进入钼转化炉将NO2转化为NO,并单独进入一个反应室,测出总的氮氧化物浓度,即NO和NO2浓度之和。剩下的样气直接进入另一个反应室,测出其中NO浓度。气体混合反应均在设计的新型圆柱全反射S型反应室中进行。

3.3 腔体实验性能

3.3.1 建立NO标准工作曲线

将仪器预热15min,达到最佳稳定状态。分别通入0.30‰、0.50‰、0.80‰、1.0‰、1.5‰、1.8‰、2.0‰的标准气体,对其进行检测,每个标准气体测定6次,以室内空气的测定作为空白参照,扣除空白参照的检测电压值后,以NO浓度为横坐标,检测电压值为纵坐标,对得到的数据进行曲线拟合,工作曲线如图12所示,工作曲线对应的相关参数如表1所示。

图12 NO检测工作曲线Fig.12 Working curve of nitric oxide detection

表1 工作曲线相关参数Table1 Work curve related parameters

3.3.2 重复性测试

将空气作为零点标定,0.8‰的标准气体作为量程标定。通入1.0‰的样气进行6次测定,作为腔体的重复性测试,测试结果如表2所示。

表2 重复性测试结果Table2 Repeatability test results

4 结 论

本文通过分析NO与臭氧的化学反应产生的化学发光信号特点,采用ZEMAX光学仿真对其微型采集光路进行仿真,选取了最佳的光腔结构进行光子检测,S型光腔结构模型追踪到的总撞击数为1365467,与分析光线条数500000进行对比,结果表明优化后的S型采集光路对化学发光的采集效率为36.6%。通过实验对圆柱内壁全反射S型光腔结构进行测试,经过实验验证,低浓度的NO气体,其浓度与发光强度线性相关。在系统0‰～2.5‰的量程范围内,系统检测线性度为0.9992,标准偏差为1.18%。由此表明圆柱内壁全反射S型光腔结构稳定性更好,同时也实现了检测NO浓度的要求。综上所述,该结构具有工艺简单、光路简洁、可小型化等特点,圆柱内壁全反射S型光腔结构在气体检测领域具有广泛的应用前景。

致谢感谢徐明刚老师给予的指导和帮助,同时也感谢金工实习老师给予的技术支持。