（农业机械化工程专业论文）检测水质中污染油的红外测油仪的研究.pdf

摘要 水是自然资源的重要组成部分，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基 础，对于人类和生物的生存来说具有决定性的意义。然而，随着全球经济、人口的高 速增长，水资源短缺基成为人类生活中的显著问题，加上大量废弃的生活污水和生产 污废水的任意排放，使有限的水资源更加紧张。油类物质( 石油类物质和动植物油) 是 水和土壤中的一项重要的污染源，它不仅给人类的身体健康带来极大的危害，而且使 水质恶化，严重破坏水体的生态平衡。因此，检测水中油含量是控制油污染，掌握水 质变纯，保护水资源豹必不可缺的手段。 关于水中油含量的检测，传统的方法是利用单一的分光光度计法来测量，测量结 果再经换算才可得到被测物质的浓度，这种方法操作过程繁琐，容易引入误差，且不 能现场作业。通过本课题躲研究，探索出一套适合我国国情的水质油污染现场检测技 术和检测设备，它能方便地检测水中含油量，且其体积小巧，携带方便。 本仪器以非分散红外光度法为测定依据，其测油的基本原理是基于光学原理中的 朗伯一比尔定律。本文从测油仪的光源系统、样品系统、分光系统、检测系统和计算 机系统等五大系统全面介绍了仪器的设计结构，并进行了详细的理论分析，通过软件 实现了数据的采集、处理、显示、打印和通讯等功能。该仪器中自然光的干扰是遇到 的主要困难，在了解近红外光谱分析仪中的信号和噪声特点后，采用切光的办法来对 光信号进行调制可有效的克服这一问题，使信号变得容易处理，而通过采用相敏检测 的方法又可大大提高信噪比。文章系统的介绍了弱信号的提取方法，解决7 信号提取 困难的问题，并给出了实际可行的电路。另外，基于a t 8 9 c 5 2 单片机的计算机系统 中是该仪器的核心部分，将由检测系统转换来的电信号换算成油类物质的浓度，并显 示、打印出来。特有的数据存储功能，使仪器掉电后数据不丢失。系统中设计了看门 狗电路，防止由于程序跑飞和电源故障雩| 起的工作不正常。本仪器既可以与p c 机联 用也可以脱离p c 机单独使用。操作软件功能强大，具有仪器性能自检及在线帮助功 能，可实现网上服务。 本课题是针对我国水体的油污染，利用非分散红外光度法技术，设计出适于野外 作韭的便携式测油仪。利用此仪器，可以检测出水中矿物漓和动植物油懿污染物含量， 还可用于有机试剂纯度检测及含各种不同c h 键有机物总量和分量的测量。本测油 仪采用了调节方便、频率精确的光源调制系统和相关检测技术，具有较高的灵敏度和 稳定性，体积小适于野终现场使用。 关键词：非分散红外光度法；红外测油仪；红外传感器；油类污染物；计算机系统 s t u d yo nt h ei n f r a r e do i lm e n s u r a t i o ni n s t r u m e n tf o r d e t e c t i n g0 i lc o n t a m i n a t i o ni nw a t e r a u t h o r ：d u 物z u n m a j o r ：m e c h a n i z a t i o no f a g r i c u l t u r a l s u p e r v i s o r ：q i a nd o n g p i n g a b s t r a c t t h ew a t e ri st h ei m p o r t a n tc o m p o s i n go fn a t u r a lr e s o u r c ea n di st h em a i nm a t e r i a l f o u n d a t i o no ft h eb i o l o g i c a ls t r u c t u r ec o m p o s i t i o na n dh u m a na c t i v i t y , s oi th a st h e d e c i s i v e s i g n i f i c a n c e f o rh u m a na n db i o l o g i c a ls u r v i v a l h o w e v e r , w i t ht h e g l o b a l e c o n o m ya n dt h ep o p u l a t i o ng r o w i n gg r e a t l y , t h es c a r c i t yo fw a t e rr e s o u r c eb e c o m e sa r e m a r k a b l eq u e s t i o ni nt h eh u m a nl i f e ，e v e nt h er a n d o md r a i n a g eo fw a s t e rw a t e ri nh u m a n l i v i n ga n dp r o d u c t i o n ，w h i c hc a u s e st h el i m i t e dw a t e rr e s o u r c et ob em o r ei n t e n s e o i l m a t t e rw h i c hc o n t a i n sp e t r o l e u mm a t t e ra n dp r o p a g a t i o no i lm a t t e ra l w a y sa r ei m p o r t a n t s o u r c eo fp o l l u t i o ni nw a t e ra n ds o i l i tn o to n l yb r i n g ss e r i o u sh a r mt oh u m a n sh e a l t h ，b u t a l s oc a u s e st h ew a t e rq u a l i t yt ob ew o r s ea n dd e s t r o y st h ee c o l o g i c a lb a l a n c eo fw a t e r b a d l y t h e r e f o r ed e t e c t i n gt h eo i lc o n t e n ti nw a t e ri st h ei n d i s p e n s a b l em e a s u r et oc o n t r o l t h eo i lp o l l u t i o n ，c o m m a n dt h ec h a n g eo fw a t e rq u a l i t ya n dp r o t e c tt h ew a t e rr e s o u r c e f o rt h eo i l d e t e c t i n g i nw a t e r , t h et r a d i t i o n a lm e t h o di st h a t u s i n g t h e s p e c t r o p h o t o m e t e rt om e a s u r e ，t h e nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r ec o n v e r t e di n t od e n s i t yo f t h em e a s u r e dm a t e r i a l ，s ot h eo p e r a t i n gp r o c e s so ft h i sm e t h o di st e d i o u sa n de a s yt o i n t r o d u c et h ee r r o r , a n di tc a n tb eo p e r a t e di nf i e l d t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i st o p i c ，w e e x p l o r e sas u i to fd e t e c t i n gf a c i l i t ya n ds c e n ee x a m i n a t i o nt e c h n o l o g y , i tc a nd e t e c tt h eo i l c o n t e n ti nw a t e rc o n v e n i e n t l y , a n di t sv o l u m ei se x q u i s i t et oc a r r yc o n v e n i e n t l y t h i si n s t r u m e n ti sb a s e do nt h en o n d i s p e r s e di n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r ya n di t s b a s i cd e t e c t i n gp r i n c i p l ei sl a m b e r t - - b i l ll a w t h i sa r t i c l ee x p a t i a t et h ed e s i g ns t r u c t u r eo f t h ei n s t r u m e n tf r o mt h ef i v ea s p e c t si n c l u d i n gl a m p h o u s es y s t e m ，s a m p l es y s t e m ，l i g h t d i s p e r s i o ns y s t e m ，d e t e c t i n gs y s t e ma n dc o m p u t e rs y s t e m ，a n dm a k ed e t a i l e dt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fe a c hp a r t i t r e a l i z e st h ef u n c t i o n ss u c ha sd a t a g a t h e r i n g ，p r o c e s s i n g ， d e m o n s t r a t i o n ，p r i n t i n ga n dc o m m u n i c a t i o nt h r o u g ht h es o f t w a r e i nt h i si n s t r u m e n t ，t h e d i s t u r b a n c eo fn a t u r a ll i g h ti st h em a i nd i f f i c u l t , w h i c hi ss o l v e db ym o d u l a t i n go p t i c a l s i g n a lu s i n gl i g h t - c u t t i n ga f t e ru n d e r s t a n d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs i g n a la n dn o i s ei nt h e i n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y z e r , t h e nt h es i g n a lb e c o m e se a s yt ob ed i s p o s e d ，a n du s e st h e s e n s i t i v ee x a m i n a t i o nm e t h o dt oe n h a n c et h er a t i oo fs i g n a l t o - n o i s eg r e a t l y t h ea r t i c l e i n t r o d u c e st h ee x t r a c t i o nm e t h o do fw e a ks i g n a l ss y s t e m i c a l l ya n ds o l v e st h ep r o b l e mo f s i g n a le x t r a c t i o n ，a n dh a sg i v e nt h ef e a s i b l ee l e c t r i cc i r c u i t m o r e o v e r , t h ea t 8 9 c 5 2 m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ts y s t e mi st h ec o r ep a r to ft h i si n s t r u m e n t ，b yw h i c ht h e e l e c t r i c a ls i g n a lt h a tt r a n s f o r m e db yt h ei n f r a r e ds e n s o ri sc o n v e r t e di n t ot h ed e n s i t yo fo i l m a t t e r , a n dt h e nt h er e s u l ti ss h o w e da n dp r i n t e d t h eu n i q u ed a t as t o r a g ef u n c t i o nm a k e s t h ed a t an o tl o s ew h e ne l e c t r i c i t yo ft h ei n s t r u m e n tt h i n s0 盟t h i ss y s t e mh a sw a t c h - d o g c i r c u i ts oi tp r e v e n t sw o r ka b n o r m a l i t yc a u s e db yp r o g r a mf l e e ta n dp o w e rf a u l t 。强i s i n s t r u m e n tc a l lb eu s e dw i t hp co rb es e p a r a t e df r o mt h ep c ，t h ef u n c t i o no ft h eo p e r a t i o n s o f t w a r ei sf o r m i d a b l e ，i tn o to n l yh a st h ef u n c t i o no f s e l f - c h e c k i n ga n do n l i n ea s s i s t a n c e ， b u ta l s oc a nr e a l i z et h eo n - l i n es e r v i c e i nv i e wo fo i lp o l l u t i o no fw a t e ri no u rc o u n t r y , t h i st o p i cd e s i g n sa no i lm e n s u r a t i o n i n s t r u m e n tw h i c hi sp o r t a b l ea n ds u i t i n gf i e l d w o r ku s i n gt h et e c h n i q u eo fn o n d i s p e r s e i n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y t h eo i li n s t r u m e n tc a nd e t e c tt h et o t a lo i lc o n t e n to ft h ew a t e r ； m o r e o v e r , i tc a nb eu s e df o rd e t e c t i n gt h eo r g a n i c r e a g e n ta n dt h ed i f f e r e n tc a p a c i t yo fc - h i no r g a n i cs u b s t a n c e 。n ei n s t r u m e n ta d o p t st h el a m p - h o u s em o d u l a t i n gs y s t e m ，w h i c h a d j u s t e dc o n v e n i e n t l ya n dh a sa ne x a c tf r e q u e n c y - i naw o r d ，i th a sah i g hs e n s i t i v e n e s s a n ds t a b i l i t ya n di tc a nb eu s e di no p e nc o u n t r yf o ri t ss m a l lv o l u m e k e y w o r d s ：n o n - d i s p e r s i v ei n f r a r e ds p e c t r o p h o t o m e t r y , i n f r a r e do i lm e n s u r a t i o ni n s t r u m e n t ， i n f r a r e ds e n s o r , o i lp o l l u t i o n ，c o m p u t e rs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以栝注和致谢的地方外，论文巾不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑主鱼垒些盘堂或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了臻确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 缸五当 签字日期： 加o ；年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰堡垒些盘堂有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允谗论文被查阅和借 阅。本人授权鎏兰垦壅些盘茎可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： 杠面势 名兹譬首 签字日期： 沙。男年厂月7 二日 签字网期：口印扩年二月厂日 学位论文作者毕监后去向： 工作单位： 通讯地垃： 电话： 邮编： 检测水质中污染油的红外测油仪的研究 1 1 研究的目的和意义 1 引言 水是自然资源的重要组成部分，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础。从全球 范围讲，水是连接所有生态系统的纽带，自然生态系统既能控制水的流动又能不断促使水的净化 和反复循环。因此水在自然环境中，对于生物和人类的生存来说具有决定性的意义。然而随着全 球经济、人口的高速增长，水资源短缺己成为人类生活中的显著问题。半个世纪以来，人类急剧 增加的大量生产活动，导致水资源消费迅速增加，水资源短缺日趋明显，同时大量废弃的生活污 水和生产污废水的任意排放，使有限的水资源更加紧张。据统计资料表明，2 0 0 5 年我国污废水排 放总量高达7 1 7 亿吨。 “环境保护”是我国始终坚持的一项基本国策，为缓解水资源短缺，增加水的利用率，减轻、 消除水污染所造成的环境污染，生活和生产污废水的治理已经成为刻不容缓、亟待解决的大问题。 油类( 石油类物质和动植物油) 物质对江河湖海的污染一直是重要的水污染源。石油类物质是能 够溶解于四氯化碳而不能被硅酸镁吸附的一类有机物，其中包括正己烷、苯、多环芳烃、荧火剂 等。石油类物质对人的消化系统有危害，可导致急性中毒、严重腹泻，同时还能引起手脚麻痹， 头晕，昏迷，神经紊乱等症状，对人的血液、免疫系统、肺、皮肤和眼睛等也有一定的毒害作用。 此外，石油类物质中的多环芳烃、荧火剂等物质对人体有致畸、致癌作用。如果有较多的石油 类物质漂浮于水体表面，将影响空气与水体界面氧的交换；分散在水中、吸附在悬浮微粒上或以 乳化状态存在于水中的油则可被生物氧化分解，消耗水中的溶解氧，使水质恶化，严重破坏水体 生态平衡。 各种各类的石油类物质通过多种途径进入河流、湖泊、沼泽、水库、地下水和海洋中，破坏 了水体固有的生态平衡和正常功能。水体中油类污染物对生态环境和人体健康造成了严重的危 害。海洋是全球最大的水体，海水占全球总储水量1 3 8 6 x1 0 1 0 立方米的9 7 。海水污染除了海洋 自然原因( 如海底自然溢油) 外，主要是人类活动造成的。来自陆源的工农业含油污染物通过河 流，也通过人气进入海洋；海上生产和运输中的溢油事故特别是大型油轮的原油泄露事故频频发 生，其污染规模之大以及对渔业、旅游业、海洋生物和环境造成的严重损害使世界震惊。据报道， 近5 0 年来冈油类污染已有1 0 0 0 多种海洋生物灭绝，使海洋生物减少了4 0 ：另一方面，油类污 染引起某些微生物及生物病害不断增加，赤潮频繁发生。值得注意的是，石油中的多环芳烃对生 物基因具有致突变作用，这已经被分子生态学的研究所证实。大多数海洋无脊椎动物和脊椎动物 摄取多环芳烃后产生基因毒性物质，可导致生物发育异常。石油及其分解产物和衍生有毒物质通 过食物链进入人体，引发疾病甚至威胁生命。海洋水面溢油通过蒸发迁移还会进一步污染大气环 境。由于矿物油很难降解，所以对生态环境的潜在威胁很大。综上所述，石油类物质是水环境的 主要污染物。 石油类物质对土壤污染的后果也极为严重。污水灌溉作为解决农田缺水、补充土壤养分和净 化污水的有效途径，自2 0 世纪5 0 年代以来在全世界范围内( 尤其在干旱半干旱地区) 得到了广泛 应用。污水灌溉带来作物高产，缓解污水处理压力的同时，也导致农田污染严重。污水中含有的 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 微量重金属( c r ，c d ，e u ，z n ，融等) 和有机污染物( 矿物浊、多环矿物油等) ，在多年灌溉农田中 长裳积累，势逶过食耪链或者直接接艇进入入体，给送域人群带来健康风险。石油类物质中的部 分组分在土壤中能被土壤微嫩物所降解，但难降解部分会形成积累，污染土壤。随着石油的大量 开采和广泛使用， 石油类物质对水体和土壤的污染己成为一个越来越严重的问题。 检测水中i 囊含量是控制油污染，掌握水质交化，保护水资源的必不可缺的手段。石油类污染 物的污染程度楚影响水质的霆要指标之一，因此检测永体中石油类污染物禽量具有重要的现实意 义。关于水中油含量的检测，传统的方法是利用单一的分光光度计法来测麓，测量结果再经换算， 才可得到被测物质的浓度，佩这种方法操作过程繁琐，容易引入误差，且不能现场作业。 壹于我黉遐蔻检溅手段落瑟，与国际先逡水平存在差躐，掰以难以满足当今技术承平的要求。 为了取得具有代表性的正确数据，使分析数据具有与现代测试技术水平相应的准确性和先进性， 不断提高分析成果的可比性和应用效果，检测的方法和仪器是非常重要的。只有保证了这两方面 才能保证快速和准确的测量出水中矿物油和动植物油的污染物含量，以达到保护和治理水污染的 謇黪。开震永巾油污染捡测方法、技术和捡溯设备熬砑究，是提高承污染捡测麓一条重要措施。 通过本项目的研究，探索出一套适合我国国情的水质污染现场检测技术和检测设备，具有广泛的 应用前景和科学研究价值。 因此，开震水中油类污染检测技术研究，不仅可以满足国家科学制定水资源开发、利用与保 护规划，保障豳家永安全、粮食安全、生态环境安全静迫切篱要；适应国家制定区域经济发展觏 划、城市化发展规划、生态环境保护建设规划的迫切需要：实现防病改水，脱贫致富，保障人民 群众身体健康，全面实现建设小康社会宏伟目标的迫切需要；也是贯彻落实中央领导指示精神、 维护国家法僖尊严、实行和谐社会思想的其体体现，具有整耍的社会帮经济价僮。 1 2 国内外对测油仪的研究现状 。2 。1 石油类测定方法现状 水体和土壤中矿物油的检测已引起各阑环保部门的高度重视，目前常见的测定方法有重量 法、紫外分光光度法、荧光分光光度法、红外分光光度法和非分散g r j , i - 光度测1 1 。 重量法是用有机萃取剂( 石油醚或正己烷) 提取酸化了的样品中的泊类，萃取剂通过氯纯锾 柱( 或佛罗璧硅藻) 除去动植物油类，将溶翔蒸发掉，称重后计算石油类含量。重量法应用范 围不受油品的限制，可测定含油量较高的含油污水，对于含油量 选用的光源在工作波段内有足够的光能量，其能量随波长变化尽可能小。 ( 3 ) 具有良好的稳定性。 ( 4 ) 有较长的使用寿命。 表2 列出了紫外一可见一红外分光光度计中常用的光源。氨灯是最早的紫外分光光度计的光 源，基前已被氖灯掰取代，氖爆发射1 8 5 n m - - 4 0 0 n m 的连续光谱，其发射强度和使月寿命比氢灯 大3 - 5 倍，越氢汀在3 0 0 n m 以上能量已很低，丽氘灯则可使用到3 5 0 n r n 。当用石英作灯蠢材料 时，氘灯可透过2 0 0 n m 以上的光，而用熔融二氧化硅作灯壳材料则可透过1 8 5 n m 以上的光。 袭2 光源 t a b l e 。2l a m p - h o u s e 卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体( 通常是碘或溴) ，其工作原理为：当灯丝发热 时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸气被冷却到大约8 0 0 并和 卤素原子结合在一起，形成卤纯钨( 碘化钨或溴优钨) 。卤纯钨向玻璃管巾央继续移动，又重新 回到被氧化的灯丝上，由予卤化钨是一种很不稳定的化合物，其逼热后又会重新分解成卤素蒸气 和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程，灯丝的使用 寿命不仅得到了大大延长( 几乎是白炽灯的4 倍) ，同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而 得到了更高黪亮度，更高翡怨瀑帮更高的发光效率。 卤素灯具有体积小、发光效率高( 达1 7 - 3 3l m w ) 、色温稳定( 可选取2 5 0 0 k 3 5 0 0 k ) 、 光衰小( 5 以下) 、寿命长( 可达3 0 0 0 小时至5 0 0 0 小时) 等特点。钨灯是可见和近红外光谱 1 0 检测水质中污染油的红外测油仪的研究 区的理想光源，适用的波长范围是3 2 0 n m 2 0 0 0 n m 。在一般分光仪器中，灯丝的温度约为2 8 0 0 k ， 此时发射的能量大部分在近红外区，当温度升高到4 0 0 0 k 时，灯的寿命显著减小。为克服这一缺 点，人们研究出卤钨灯，在2 5 0 0 c 6 5 0 0 c 温度区间，溴与蒸发到灯壁上的钨反应，生成气态溴 钨化合物，使灯壁保持透明，同时生成的溴钨化合物又向灯泡中心扩散，在灯丝附近的高温区分 解成溴和物，抑制了钨的蒸发，游离的溴重新扩散到灯壁，再与蒸发的钨化合，实现溴钨循环。 这种溴钨灯具有更大的发光强度和更长的使用寿命，用于近红外光谱区光源，由于溴钨循环需要 较高的温度，因而灯壳一般采用石英玻璃或耐高温玻璃制成。 溴钨灯采用溴化氢工艺，比碘钨灯光效高、寿命长、光色更好、点燃后没有碘钨灯那种紫 红蒸汽，使用和维护均和碘钨灯一样简单。 ( 二) 光源系统由l j q 型钨卤素灯、透镜聚光系统组成【1 0 1 本仪器光源采用6 v ，6 w 的溴钨灯，图4 为钨卤素灯的发射特性，由图示曲线可见在所测波 数处有足够的发射强度，能够满足系统的要求。 能放 2 0 0 0 01 0 0 0 0 5 0 0 02 0 0 0l o o o5 0 0 2 0 0 l o o5 02 01 0 图4 钨卤素灯发射特性 f i g 4e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h et u n g s t e nh a l o g e nl i g h t 波数 ( 三) 透镜聚光系统 透镜聚光系统将光源灯丝的像聚焦在分光系统的入射狭缝上。为了充分利用提高光源的能 量，要求光源灯丝的尺寸大小、聚光系统透镜的焦距、入射狭缝的尺寸应尽量满足成像关系，同 时还应考虑分光系统性能要求【l 。 考虑仪器对光路的要求，采用单透镜聚光系统。 ( 四) 光源机械结构设计 仪器的光源系统应保证卤钨灯的灯丝准确地成像在分光系统的入射狭缝上，同时还要考虑光 源的散热问题。其机械结构设计结构如图5 所示，由卤钨灯调：市工作台l 、散热支架2 、聚焦透 镜及其安装筒4 等三个部分组成，均通过螺钉安装固定。为了便于光源的散热，1 ，2 安装在仪器 外壳3 的外部，4 安装在仪器外壳的内部。考虑到仪器对光路的要求及有效地利用光源的能量， 本仪器采用单透镜聚光系统对其发出的光束进行聚焦，使其辐射全部进入红外滤光片l l 2 1 。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 1 2 切光器的设计 12 l ，乞功呀煮i 一厂 醪二i一一芎 ， 一j f f ， 髟掰移乎谚产铭矛咋蚴； 连l 图5 光源系统的机械结构 f i g 5m a c h i n ef r a m eo ft h el a m p - h o u s e 1 调节工作台2 散热架3 仪器外壳4 安装筒 切光器将光源发出的直流光信号转换为交流信号以便于放大和抑制噪声，光谱仪器对调制器 的尺寸以及加工和安装精度有严格要求。 在近红外光谱仪器中，由于传感器的探测信号微弱、背景噪声大，常通过切光器( 又称为斩光 器或调制器) 挡光和通光的交替将其转换为交流信号以便于放大和抑制噪声，而且为了进一步提高 信噪比还需进行滤波处理。调制波的波形和频率不仅要与滤波的波形和频率相匹配，而且要满足 传感器和放大电路的要求。因此对调制器的精度有严格要求。否则，若调制器有误差，则其调制 波偏离理论波形，检测信号的信噪比降低，经放大、滤波后无法达到要求的幅度【13 1 。 ( 1 ) 切光器结构 切光器如图6 所示，由直流电动机、切光片( 或调制盘) 、轴套等组成。其主要部件切光片形 状如图7 所示，其切光尺寸以及光源象的大小影响调制信号的形状和滤波信号的大小，如光源象 为圆点，则通过切光器后的信号通常为梯形波，经滤波后只剩下主频信号，能量损失太多。从信 号处理角度考虑，信号通道的带宽越窄，信噪比越高，因此要求输出为正弦波。要想得到精确的 正弦波，就对切光片的叶片形状和均匀性要求很高。通常取d b = 1 1 5 ，可得到近似的正弦波，其 中d 为光源像点直径，b 为切光片扇形宽度。 ( 2 ) 切光器结构设计 根据调制波的设计要求，其为频率为f o = 5 0 0 h z 占空比为l ：l 的方波，则切光片的形状应为等 间隔的交替的扇形齿和扇形缺口，切光片的主要结构参数有叶片的齿数n 、齿宽w 、直径d 。 1 ) 切光片齿数，由下式确定【14 j ： 九= f o f 1 2 检测水质中污染油的红外测油仪的研究 应为直流电动机的频率，仪器取f m = 3 0 0 r m i n = 5 0 h z ，则n = 1 0 。 图6 切光器结构 f i g 6t h e f r a m eo f t h em o d u l a t o r 卜直流电动机2 一支架3 一轴套4 一切光片5 _ 入射狭缝 图7 切光片外形 f i g 7t h es h a p eo f t h em o d u l a t o r 2 ) 切光片齿宽w 根据光谱仪器的设计要求：切光片所在位置处光斑( 光源像点) 宽度b 与切光片齿宽w 的2 倍 之比应小于等于0 0 8 ，即： h 二0 0 8 2 w 这样可以忽略由于狭缝宽度引起调制波的上升沿和下降沿的过渡段，使之近似为方波。 仪器分光系统的入射狭缝b ( = l m m ) b 0 0 8 = 1 2 5 m m 。仪器取w = l1 m m 。 3 ) 切光片直径d 切光片直径应满足下式： 1 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 d ( 2 w h + h 2 ) h r h 为切光片齿高，应大于分光系统的入射狭缝的高度h 。取h = 5 m m ，则d ( 2 w n + h 2 ) = 7 0 8 m m ，仪器取d = 7 5 m m 。 ( 3 ) 切光器的安装 切光器用支架安装在仪器的底版上，并且切光片的切光部位应位于仪器分光系统的入射狭缝 前方( 如图6 右所示) ，要求直流电动机的轴线垂直狭缝平面( 即调制盘与狭缝平面平行) ，且与狭缝 平面的交点( i i 调制盘的轴心) 位于狭缝中心线的延长线上。若安装不正确，对调制波的波形和检 测信号的强度均有影响，而且影响的程度与调制波的波形有关【1 5 1 。 3 1 3 滤光片的选择 系统采用的光源是发射宽波段范围内的连续辐射，然而系统在实际测量时需要的是窄谱带或 单色光，本系统要求使用3 4 p m 左右的单一红外波长，这是由以下几个因素决定的【m 1 ： ( 1 ) 油类中含有甲基、亚甲基等官能团。在红外波段3 4 p m 附近有明显吸收，有特征吸收 峰，而用作从水样中萃取油份的四氯化碳( c c l 4 ) 在3 4 p m 波长附近基本不吸收； ( 2 ) 采用窄带才可能在最大吸收波长处进行测量，从而提高测量灵敏度； ( 3 ) 在定量分析时，采用窄带才能较好的遵守朗伯一比尔定律。 本系统采用红外滤光片来获得要求的波长为3 4 p m 左右的红外光1 1 7 l 。 滤光片是一种简单而廉价的波长选择器，其作用是选择性地透过一定波长范围的光。滤光片 的滤光特性用最大透光波长( 中心波长) 和谱带半宽度( 有效带宽) 来描述。最大透光波长是指在该波 长处辐射有最大透光率，而谱带半宽度是指最大透光率的一半处谱带的波长范围。谱带半宽度越 小，则单色光的纯度越高。常用的滤光片有以下几种【1 8 j ： ( 1 ) 中性滤光片，又称中性密度滤光片。此种滤光片对一定范围的不同波长的光具用相同 的吸光度。两个光学平面完全平行的中性滤光片又称减光屏；两光学平面间成一定角度的称为中性 光楔。将碳黑或金属悬浮于明胶中即可制成中性滤光片。在分光光度计中，中性滤光片用来使光 束强度均匀减弱，作衰减片用。 ( 2 ) 截止滤光片。这种滤光片能把光谱范围分成两个区，使波段一侧的光充分透过( 通带 区) ，而另一侧波段的光则几乎不能透过或仅有很小部分透过( 截止区) 。典型的截- l = 滤光片有低 通滤光片( 只允许长波光通过) 和高通滤光片( 只允许短波光通过) 。截止滤光片在分光光度计 中常用于削减杂散光或不需要的波长的光。 ( 3 ) 校正滤光片，又叫作标准滤光片。这种滤光片用于校正分光光度计波长标度和吸光度 标度，前者如钬玻璃滤光片；后者则是精密制造的在特定波长具有恒定吸光度的滤光片，故又称标 准滤光片。 ( 4 ) 干涉滤光片。该滤光片是利用光的干涉原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜， 从而获得狭窄光谱带，通常由多块玻璃之间附着两层或多层金属膜构成，干涉滤光片的优点是透 射光的波长范围窄，透光率高，透射光的波长决定于金属膜之间的距离，多层干涉滤光片由5 2 5 层膜组成，有效带宽可达8 r i m ，目前可制成紫外到红外光谱区的各种谱带的干涉滤光片。 为了满足系统对光束的需要，本仪器采用红外干涉滤光片，中心波长九。是3 4 p m 1 9 j 。 1 4 检测水质中污染油的红外测油仪的研究 3 2 样品系统 3 2 1 萃取剂的选择 水对红外辐射具有较强的吸收作用，用红外光度法测定水体中矿物油时需将矿物油萃取到对 红外辐射没有吸收的溶齐u ( e p 特殊的萃取剂) 中进行测量。在水中石油类监测技术中，四氯化碳 ( c 0 4 ) 是传统的萃取剂。由于c o l 4 属于氟氯烷烃类，破坏臭氧层，是国际公约关于消耗臭氧层 物质的蒙特利尔议定书限制生产和禁止大量使用的化学物质。因此日本掘场制作所开发了c c i 。 的替代物氯化四氟乙烯聚合物( s 3 1 6 ) ，也称为六氯四氟丁烷。s - 3 1 6 的优点是沸点高( 1 3 4 ) ，挥发性较小，对环境和人体健康影响也较小，s - 3 1 6 在日本一进入市场，就受到了普遍欢迎， 由于生产工艺较为复杂，s - 1 3 6 的造价较高，还未被推广使用。四氯乙烯作为萃取剂，具有沸点 高和毒性低的优点，美国g r a b n er 公司生产的测油仪已在使用。但是通过相关对比实验得出 s 一3 1 6 和c c l 4 对于石油类有相同的萃取效果【2 0 j 。 市售的四氯化碳和四氯乙烯分析纯试剂经红外扫描后，在波长3 4 1 3 m n 、3 3 7 8 1 a m 、3 3 0 0 9 i n 处有很高的吸收峰，萃取剂空白值过高，不能用作油的测定，必须经过纯化后才能使用。一般情 况下，四氯化碳经过活性炭一次吸附后便能满足要求。但四氯乙烯的理化性质有别于四氯化碳， 发现用活性炭层析柱过滤所得的滤液经红外扫描后，在3 4 1 3 1 a m 和3 3 7 8 1 a m 波长处仍有吸收峰出 现，影响测定结果。经多次试验，采用硅酸镁层析柱再度进行吸附过滤，经扫描后观察，在油的 特性吸收波长处没有明显的吸收峰，基本达到萃取剂的要求。 通过对精致后的四氯乙烯和四氯化碳两者在检出限、线性、精密度、质控样品测定以及萃取 效率试验、加标回收试验等方面的比较来看，四氯乙烯和四氯化碳对于石油类有相同的萃取效果。】 表3 四氯化碳、四氯乙烯理化性质比较 t a b l e 3p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f c a r b o nt e t r a c h l o r i d ea n de t h y l e n et e t r a c h l o r i d e 1 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 ，表4 空叁滚滚测定燕( r a g l ) t a b l e 4c o n c e n t r a t i o n so fb l a n ks a m p l e s 实验中发现四氯乙烯的精制较为困难，蟊前尝试的比较好的简便方法是用硅酸镁层析柱过 滤，尚待寻找、研究更为有效的精制方法翻。 本系统选用四氯化碳做样品系统的萃取剂。 3 2 2 液体池的选择 样品系统中的液体池设有两个。个作为吸收池，另一个作为参比池，液体池主要有石英池 和玻璃池两种，在紫外区必须采用石英池，可见和近红外区最好用玻璃池，也可用石英池。经调 制器发过来的光束集中在可见和近红外光谱医，因此本系统选用的是石英池，为了更加符食朗伯 一比尔定律，簧求吸收池应舆有一对相互平行并垂直于光柬的洁净光学窝，理想的吸收池本身不 吸收辐射，实际上各种材料对辐射都有不同程度的吸收，因而一般只要求它们有恒定而均匀的吸 收。 本系统审采用光程为lc m 的石英比色盟。它具有一对稠互平行并垂蛊予光求的洁净光学窗。 射入比色盈豹光必须是平行光，否则光程不一致将影响测鳖精度。平行光震由准直一聚焦装置保 证。 应该注意的是；放置位鬣和方向应保持稳定，否则会对测试结果产生一定的影响；其次比色皿 中四氯化碳溶液静挥发性强，努须将其密封1 2 2 l 。 3 3 分光系统 光源( 癌钨灯) 发射的复合光通过透镜系统聚焦磊被切光器调割。调制后的光由分巍系统进 行分光，形戒一系剜按波长大小顺序排歹| j 的各谱段的光谱。分光系统采臻交叉复折式单光路光橱 扫描结构，解决了仪器部件安装空间与仪器体积之间的矛盾。利用步进电机转动改变光栅的入射 1 6 检测水质中污染油的红外测油仪的研究 角度，使所需波段的单色光依次从出射狭缝射出各谱段的光谱【2 3 】。 3 3 1 分光系统的设计 仪器采用光栅分光系统，以平面光栅为分光元件。平面光栅要求其入射的复合光为平行光， 然后将其衍射为不同角度分开的单色平行光。因此其入射前应用一个准直物镜将光源的入射光变 为平行光，而在其衍射后需有一成像物镜将平行单色光聚焦在其像面上，从而获得按波长顺序排 列的谱线。由于透镜准直和成像存在色差，因此仪器采用没有的色差的球面反射镜作为准直和成 像物镜1 2 4 。 分光系统采用交叉复折式单光路，解决了样机部件安装空间与样机体积之间的矛盾，保证了 仪器满足整体体积小的要求。分光系统光路如图8 所示，经光源系统聚焦的复合光线从入射狭缝 l 进入，经m 1 准直球面反射镜4 成平行光照射光栅2 ，衍射为不同角度的单色平行光，经m 2 聚 焦球面反射镜5 从出射狭缝3 射出。 忒： 。 心 。飞 g 图8 分光系统光路图 f i & 8p r i s m a t i cs y s t e mo p t i c a lp a t h 1 光栅2 入射狭缝3 出射狭缝4 、5 反射镜 ( 一) 光栅的色散 。 ( 1 ) 基本原理 自从1 8 1 4 年弗朗和费发明光栅的刻划技术，直剑第二次世界大战结束后的一个时期，光栅 在光谱仪器中应用很少。近三十年来，由于光栅刻划技术和复制技术进一步得到提高，光栅作为 分光元件应用越来越广。光栅与棱镜比较具有色散率人、分辨率高、工作光谱范围广( 反射式光栅 不受材料透过率的影响) 的优剧2 5 1 。 光栅的种类很多，有平面光栅、凹面光栅和阶梯光栅等。平面衍射光栅又有透射式与反射式 两种。透射式光栅是在一块玻璃或其他透明材料上刻划一系列平行而等距离的刻线( 凹槽) ，制造 这种母光栅需要精密的光学机械设备，成本高昂；利用母光栅作模子而制得复制光栅则比较便宜， 其性能虽不如母光栅好，但基本上可满足一般分光仪器的要求。反射光栅是在一抛光的金属表面 上刻划一系列平行等距离刻线或在复制光栅表面喷镀一层铝薄膜而制成。 以反射式平面衍射光栅为例，介绍光栅的