论文总字数：21670字

目 录

摘要 III

Abstract IV

1 绪论 1

1.1 臭氧及臭氧的应用 1

1.2 研究目的及研究意义 2

1.3 国内外臭氧检测研究现状 2

1.3.1 国内外臭氧检测方法研究进展 2

1.3.2 国内外臭氧检测仪的种类 3

1.4 主要研究内容 3

2 紫外吸收法臭氧检测的基本原理 4

2.1 紫外吸收法臭氧检测的基本理论 4

2.2 采用紫外吸收法检测臭氧的优点 5

2.3 紫外光谱的选择 6

2.4 光路的选择 6

2.4.1 单光路检测法 6

2.4.2 双光路检测法 7

2.4.3 两种光路的比较 7

2.4 紫外吸收法臭氧检测装置的设计 8

3 臭氧浓度检测系统的硬件设计 8

3.1 臭氧发生器 8

3.2 紫外光源 9

3.3 聚焦透镜和吸收池 10

3.4 光电探测器 10

3.5 斩波器和数字示波器 10

4 实验测试与分析 10

4.1 实验方案 10

4.1.1 臭氧浓度的确定 10

4.1.2 具体实施方案 11

4.2 数据初步分析 12

4.3 滤波处理 13

4.3.1 数字滤波 14

4.3.2 FIR带通滤波器 14

4.3.3 滤波器的设计 15

4.3.4 滤波处理结果 16

4.4 臭氧浓度结果 17

4.5 误差分析 20

5 结论 21

参考文献 21

致谢 23

基于紫外吸收的臭氧浓度检测系统

何君博

, China

Abstract: In order to detect ozone concentration near the ground, this paper studies the basic principle of ultraviolet absorption detection of ozone concentration. A single-wavelength UV absorption ozone concentration detection system is designed and built. The system mainly includes ultraviolet LED, absorption cell, photoelectric sensor and oscilloscope. On this basis, this ozone detection system is used for experiments. And digital filtering is used to remove the effect of noise in the signal. With useful signals, the ozone concentration is calculated. The experimental results verify the practicability and effectiveness of the system. Finally, the errors in the experiment are discussed.

Keywords: Ozone; Ultraviolet; UV absorption; Absorption cell; Digital filtering

1 绪论

1.1 臭氧及臭氧的应用

臭氧（Ozone），分子式为O₃，是氧气的同素异形体，熔点-193摄氏度，在-112摄氏度下呈现蓝黑色液体，在常温下为淡蓝色气态，具有特殊臭味，微溶于水，易溶于四氯化碳和碳氟化合物中。在常温常压下不稳定，因其分子中多一个初生状态的氧原子，所以具有强氧化性。

1840年德国科学家Schonbein 在电解稀硫酸时发现了这一具有特殊臭味的气体，并将其命名为臭氧。1881年，Hartley发现臭氧在紫外光谱区具有非常强的吸收带，并将其命名为Hartley带^[1]。

臭氧是大气中天然存在的物质，自然界中多因大气紫外辐射或雷电作用使氧气转化为臭氧，在海拔60km以下的大气中均有分布，其中90%的臭氧集中在距离地表20km高的平流层中，亦称之为臭氧层^[2]。臭氧层对地球生物圈有重要的保护作用，可以拦截来自太阳的大部分紫外光。紫外光属于不可见光，其波长范围为40nm~400nm，波长越短，能量越高，短波紫外光可以破坏生物的DNA，导致细胞发生病变。为研究方便，人们按照紫外线波长范围，将紫外光分为长波紫外光UV-A（400nm~315nm），中波紫外光UV-B（315nm~280nm）和短波紫外光UV-C（280nm~200nm）。臭氧在200nm~300nm之间有非常强的吸收，臭氧层可吸收99%的紫外光线，包括全部的UV-C波段和大部分UV-B波段，只有长波紫外光UV-A和少部分的中波紫外光UV-B可以通过臭氧层辐射地面，而长波段紫外光对生物细胞的伤害要比短中波段紫外光轻微许多，所以臭氧层对地表生物形成一道保护伞。

基于臭氧的强氧化性，臭氧被广泛用于医学、卫生、食品、空气灭菌、污水处理和饮用水消毒等领域，取得了显著效果。

在医疗卫生方面，臭氧被用于人体治疗，因其强氧化性可导致人体外源性氧自由基增加，同时也可诱导表达机体抗氧化酶^[3]。临床研究发现，臭氧可减轻腰腿疼痛，对于腰间盘突出和骨关节炎等疾病有缓解作用^[4]。同时，臭氧对于治疗各种急慢性细菌、真菌和病毒感染非常有效，还能对抗各种对抗生素产生耐药性的病原微生物，帮助改善患者代谢和机体免疫功能，促进身体康复。此外，臭氧在缺血性疾病、牙科和皮肤疾病方面也都有积极的应用。除了应用于临床，臭氧也作为消毒剂，对手术室、病房或医疗器械和病历档案等进行消毒灭菌。

在食品加工方面，臭氧是公认的一种安全氧化剂^[5]，2001年，FDA将臭氧列为可直接与食品接触的添加剂^[6]，臭氧的强氧化性和灭菌性可以有效抑制各类微生物的生长，从而保证食物的新鲜卫生。一定浓度的臭氧还可以提高果蔬的品质，延迟成熟时间，便于长期储藏。同时，臭氧的存在还可氧化降解食物中存在的真菌毒素，并且能够非常有效的解决果蔬中农药残留问题。

臭氧在水处理中具有强氧化性、无二次污染等优点^[7]，被用于饮用水或污水的消毒处理上。臭氧的灭菌能力是氯气的600~3000倍，但使用氯气消毒可能产生次生毒物，如氯仿、四氯化碳等具有致癌、致畸变等氯化有机物，而臭氧在一段时间后可自行分解为氧气，不会带来二次污染物。将臭氧溶于水中达到0.4~0.5mg/L的溶解度就可到达灭菌要求^[6]，可灭楚、除水中超过99.99%的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等病原性细菌，消除水中异味。

1.2 研究目的及研究意义

尽管臭氧有着前述的诸多益处，但如果在近地面臭氧以高浓度形式出现，就会对人体健康和大气环境造成严重的伤害。近地面臭氧来源主要是汽车尾气，尾气中存在大量挥发性有机物（VOC），经过太阳辐射后转化生成臭氧。由于臭氧具有强氧化性，臭氧会对呼吸系统产生强烈刺激。相较于其他刺激性气体，臭氧更不易溶解，因而更容易渗透进入肺部深处，导致对肺细胞的损伤并引发炎症细胞的大量涌入。已经证明，长时间的暴露于臭氧环境中会降低肺功能，出现呼吸不畅、咳嗽、头痛、皮肤瘙痒等症状，并加重原有的呼吸疾病，如哮喘等，严重时还会危及生命^[8]。在环境中臭氧浓度高的时期内，急诊就医、入院和死亡率都会有所增加^[9]。此外，臭氧也会对大气环境造成很大影响，根据2016年南京市环境状况公报，臭氧已经和PM2.5一同成为南京市空气质量的主要污染物，并且臭氧浓度超标天数呈上升的趋势。因此对于臭氧浓度的检测显得愈来愈重要。

目前国内对于臭氧浓度的检测方式主要有两类^[10]：一类是实验室检测，将被测气体样品送至专业检测站，检测方法主要是化学法；一类是利用检测仪器在现场进行检测。但是上述两种检测方式存在检测周期长，仪器体积大，检测成本高，检测步骤繁琐等缺点，因此研究设计一种检测方法简单，检测速度快，准确性高的臭氧检测仪具有重要的现实意义和应用价值。

1.3 国内外臭氧检测研究现状

1.3.1 国内外臭氧检测方法研究进展

人们很早就已经开始关注臭氧的检测问题，并进行了长久的研究，检测方法多种多样，国际上应用广泛的方法包括碘量法，靛蓝比色法，电化学法、化学发光法和紫外吸收法。

碘量法的原理为：臭氧与碘化钾水溶液发生氧化还原反应，生成游离的碘，然后碘分子再与标准硫代硫酸钠溶液反应，用淀粉做滴定指示剂，当淀粉溶液褪色时，记录此时所用硫代硫酸钠的量，可以根据所用的硫代硫酸钠的量计算出臭氧的含量。这种方法适合于高浓度的臭氧检测^[11]，但非常容易受到其他氧化剂的干扰，对结果的精确度造成影响，并且反应时间长，操作复杂，多用于检测站。

臭氧与靛蓝胭脂红的反应是靛蓝比色法的一种。2009年Maruo等人^[12]利用该反应制备了一种臭氧检测试纸，试纸会因臭氧与靛蓝胭脂红的反应由蓝色变成白黄色，并通过测量试纸的反射率来确定臭氧的浓度。

电化学法主要是指库伦法，臭氧与电解液中的卤素离子发生氧化反应，产生的电流与臭氧浓度成正比，通过检测电流的大小，从而计算得到臭氧的浓度。电化学法检测速度快，但是需要提前进行浓度的标定，否则难以得到臭氧浓度的准确值。

化学发光法是根据臭氧与乙烯之间的反应，乙烯被氧化生成处于激发态的甲醛，激发态甲醛在回到基态时发射荧光，利用荧光光度计检测发光强度，从而计算出臭氧的浓度。

紫外吸收法是以Beer Lambert定律为理论基础，利用臭氧在253.7nm出具有最大的吸收率对臭氧浓度进行检测。1995年J. Malicet^[13]研究了臭氧在不同温度下的紫外吸收截面。该方法具有测量精度高，同时测量结果稳定，能够进行连续测量，受其他氧化剂干扰小等优点，并且既可以检测空气中的臭氧浓度，也可以检测水中溶解的臭氧浓度，目前已被我国和美国等多个国家列为环境中臭氧检测的标准方法。

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