基于ZEMAX的怀特池光学设计

第46卷 第8期 2019年8月
天 津 科 技
TIANJIN SCIENCE & TECHNOLOGY
V ol.46 No.8Aug. 2019
收稿日期：2019-07-18
应用技术
基于ZEMAX 的怀特池光学设计
李洪刚1，吴岩磊2
(1. 天津同阳科技发展有限公司 天津300384；2. 天津市环境监测技术企业重点实验室 天津300384)
摘 要：怀特池是一种常见的长光程气体吸收池，在气体检测技术中广泛使用。

根据其工作原理，在ZEMAX 中对其结构进行了仿真计算，A 、A′镜的曲率中心到B 镜中心的距离a 、b 之和的误差为0.7%，出射能量I /I 0的误差为1.5%，与理论计算值基本相符，因而不需复杂的计算即可为结构设计提供完整准确的数据。

关键词：怀特池 ZEMAX 光学设计
中图分类号：R318.51 文献标志码：A 文章编号：1006-8945(2019)08-0041-02
Optical Design of White Cell Based on ZEMAX
LI Honggang 1，WU Yanlei 2
(1. Tianjin Shareshine Technology Development Co. Ltd.，Tianjin 300384，China ；
2. Tianjin Environmental Monitoring Technology Enterprise Key Laboratory ，Tianjin 300384，China )
Abstract ：White cell is a kind of common long optical path gas absorption cell, which is widely used in gas detection tech-
nology. According to its working principle, the simulation of its structure is carried out in ZEMAX. The error of the sum of the distances a and b of the curvature center of A and A ′mirror to the center of B mirror is 0.7%, and the error of the output
energy I /I 0 is 1.5%, which is basically consistent with the theoretical value. Therefore, complete and accurate data can be provided for the structure design without complicated calculations. Key words ：white cell ；ZEMAX ；optical design
0 引 言
长光程气体吸收池是气体检测技术中不可或缺的装置，在NDIR 、TDLAS 、DOAS 等方案中均有使用。

根据朗伯比尔定律，可探测到的气体浓度值与吸收光程长度成反比，这意味着增大吸收光程长度可以增加气体吸收信号的幅度，从而有效提高检测灵敏度，因此在探测痕量气体浓度时，需要几十甚至上百米的吸收光程。

长光程气体吸收池利用多次光学反射的原理，在有限的空间实现较长的吸收光程[1]，因此完全能满足这个条件。

怀特池是常见的长光程气体吸收池的一种，由3块球凹面镜组成，利用光在镜面之间的来回反射来增加光程，其优点是具有较大的孔径角和较长的吸收光程，光路调节相对简单[2]。

1 怀特池结构及工作原理
怀特池的核心部分是3个相同曲率半径的球形凹面镜，其原理如图1所示[3]。

其中2个小镜A 和A′完全相同，并排安装在池的一端，大镜B 装在另一端。

A 镜和A′镜的曲率中心C A 、C A′在B 镜的前表面上，B 镜的曲率中心C B 在A 镜和A′镜的前表面中心。

A 、A′镜和B 镜之间的距离是反射镜的曲率半径。

由于球面镜的焦距为曲率半径的一半，这样的设计在镜的反射表面之间构成了一个共轭焦点系统，使得从A 上任意点发出的光都会被B 反射到A′上相应的共轭点，从A′上该点发出的光也会被B 反射到A 上初始的点。

光在A 、A′和B 之间的成像规律为：球面镜曲率中心附近的物点和像点在一条直线上，并且这两点组成的线段的中点即该镜的曲率中心。

靠近B 的光入射到A ，通过A 反射所成的像1落在B 上，像1通过A′反射所成的像2落在B 上，像2通过A 反射所成的像3落在B 上，像3通过A′反射所成的像4即为出射光，所有的光都被镜面反射，没有漏到镜外而损
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第46卷 第8期图1怀特池原理图
Fig.1Schematic diagram of white cell
失，仅是由于镜面材料对光的反射率不同而损失。

设入射光到B镜中心距离为X，A、A′镜的曲率
中心到B镜中心的距离分别为a、b，反射次数为n
，
可推得：
X＝n×(a+b)(1)其中n＝折返次数/4。

因此，决定反射次数的是入射光与主光轴的距离和小镜的曲率中心与主光轴的距离。

2 怀特池光学设计
怀特池的光学设计主要为3个球形凹面镜的选型及其安装位置，根据上述理论，需要3个球形凹面镜的曲率半径相等，且与凹面镜之间的距离相等。

根据使用光源波段的不同，需要镀不同材质的膜以提高反射率，保证输出光有足够的光强，比如，在紫外DOAS
方法中需要镀铝膜，在红外NDIR方法中需要镀金膜[4]。

同时为了在实际的光路中更好地设置光源和探测器的位置，在怀特池内部的入射光和出射光的位置，分别添加了一个反射镜。

在ZEMAX软件中，对光路进行了建模仿真，其三维布局图如图2所示。

图2怀特池三维布局图
Fig.2White cell 3d layout
3 优化及结果分析
在ZEMAX中，以2个小镜的顶点分别到大镜主光轴的距离，以及2个小镜以顶点为中心偏移大镜主光轴的角度，为变量，对以上光路进行优化，并对优化后的结果进行光线追迹，探测器的光斑如图3所示，探测器位于大镜前表面。

图3光斑图
Fig.3Light spot figure
从光斑图中可以看出，大镜前表面的光斑数量为13个，每个光斑含入射和出射光，即折返次数为26次，再加上入射光和出射光，共28次。

设入射光到B镜中心距离为定值，由ZEMAX模型计算出的A、A′镜的曲率中心到B镜中心的距离a、b的和为5.54mm，理论计算出的数据为5.5mm，ZEMAX计算结果与理论计算结果基本相符，误差仅为0.7%。

因为理论分析时理想状态为入射光位置、小镜曲率中心位置和大镜主光轴顶点在一条竖直直线上，而实际情况并非如此，所以ZEMAX模型数据对实际的结构设计更有指导意义。

怀特池出射能量I/I0直接决定了气体浓度的探测下限，因此有必要通过计算更好地选择怀特池的折返次数。

理论计算结果[3]和ZEMAX计算结果的出射能量对比如表1所示。

表1出射能量对比
Tab.1Comparison of output energy
折返次数 4 8 12 16 20 理论计算结果 69.44%56.56% 46.07% 37.46%30.52% ZEMAX计算结果68.30%55.63% 45.31% 36.91%30.06%误差 1.64% 1.64% 1.65% 1.47% 1.51%
可以看出，ZEMAX计算结果与理论计算结果基本相符，误差在1.5%左右，这是因为ZEMAX模型加入了2面小反射镜，带来了出射能量的降低。

由此可以得出结论，ZEMAX仿真计算的结果与理论计算结果基本相符，同时ZEMAX给出了更加准确的仿真数据，对怀特池的结构设计提供了更准确的数据支持。

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2019年8月卢玉新：燃煤锅炉改燃气锅炉的研究·45·
染和积灰明显减轻，传热条件改善；排烟过程中过量空气系数和排烟温度都有所降低，不完全损失也可控制，所以锅炉效率能提高10%以上。

燃气锅炉排烟温度决定了锅炉热效率，排烟温度越低锅炉效率越高。

因此，改造燃煤锅炉一般需增加锅炉尾部低温换热器，利用较大受热面积的换热器，尽量低地降低排烟温度。

改造后锅炉出力提高较多，还应注意如锅内汽水分离装置的能力、过热器温度变化、水循环阻力变化、水循环安全流速变化等，因此要更全面地考虑锅炉安全运行的各种因素。

3 安全与防爆
由于天然气易燃易爆，在设计燃气锅炉自动控制系统时，一定要优先考虑系统的可靠性，将连锁保护系统与检测控制系统分开设置。

在选用微机系统时，可设后备手动操作和重要参数双重指示等措施来提高控制和保护系统的可靠性。

改造后的燃气锅炉上要装设自动点火、熄火保护、燃气泄漏保护、燃烧自动调节等联锁保护措施。

3.1 自动点火
一般采用电火花自动点火方式，由点火变压器将低电压升为高电压，在点火器头部形成火花放电，靠电火花能量点燃天然气。

点火控制程序由PLC 实现，程序是先启动引风机，再启动鼓风机，风机指示灯亮开始吹扫炉膛，3～5min后，允许点火指示灯亮，启动按钮，点火器头部放电。

打开点火枪电磁阀门，点燃小火，确认小火建立后，大火电磁阀打开建立主火炬。

鼓引风机同时加大，主燃气调节阀开大，点火枪关闭。

锅炉正常燃烧并由熄火保护装置监测火焰。

3.2 熄火保护
火焰监测采用等离子、红外或紫外线光敏检测器监测及继电器控制，具有声光报警系统。

监测器的主要部分由电源变压器、紫外光探头、继电器等组成，感光探头响应火焰信号变成电信号，放大器将输入信号放大，通过继电器控制电磁阀的开关。

一旦锅炉熄火，则自动切断燃气电磁阀，切断燃气供应。

3.3 连锁保护
由于采用原有煤炉的平衡通风方式，在控制系统中一般鼓引风机采用变频控制方式，根据设定的炉膛负压力和锅炉负荷变化自动调节鼓引风机的变频量，保持稳定的炉膛负压。

相应连锁保护控制：鼓引风机突然停止时，自动切断送风机和燃气供应，燃气压力低于规定值时自动切断供应，蒸汽锅炉超压、锅炉水位过高或过低时切断燃气供应。

4 结 语
实践证明，通过对燃煤锅炉炉膛结构和当地燃气条件的综合考量，制定出合理的改造方案，掌控好燃烧器的选用和配置，能达到提高效率、节省运行费用、改善环境的效果。

同时燃气锅炉的自动控制、连锁保护，安全保护措施远高于燃煤锅炉，操作安全稳定，较大程度地改善了工作环境，降低劳动强度，有助于提升企业形象。

在政策的支持下，燃气价格适中，气源稳定，燃煤锅炉改燃气有广泛的应用市场，有利于实现经济效益和环保达标的双赢。

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参考文献
［1］赵钦新，惠世恩. 燃油燃气锅炉[M]. 西安：西安交通大学出版社，2006.
［2］秦裕琨. 燃油燃气锅炉实用技术[M]. 北京：中国电力出版社，2000.
［3］燃油燃气锅炉房设计手册编写组. 燃油燃气锅炉房设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1998.
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参考文献
［1］Dominique R，Michael H，Ulrich P，et al. An Im-proved open path multi-reflection cell for the measure-
ment of NO2 and NO3[J]. SPIE，1992(1715)：200-
211.
［2］夏滑，董凤忠，涂郭结，等. 基于新型长光程多次反
射池的CO高灵敏度检测[J]. 光学学报，2010，
30(9)：2596-2061.
［3］王蕊. 红外光谱仪长光程气体池的研究[D]. 天津：天津大学，2006.
［4］李晓彤. 几何光学·像差·光学设计[M]. 杭州：浙江大学出版社，2003：30-33.。