光聲光譜技術(shù)

光聲效應(yīng)的產(chǎn)生首先必須要有光的吸收。氣體光聲檢測技術(shù)本質(zhì)上基于氣體紅外吸收理論，它對(duì)氣體的檢測依賴于氣體的紅外特征吸收譜線，其定量測量則更是以氣體的紅外吸收定律為基礎(chǔ)的。光聲光譜技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方式上與紅外吸收技術(shù)不同，其主要區(qū)別在于，雖然入射能量也是以光譜光子的形式出現(xiàn)，但對(duì)光子與被測材料相互作用的研究，并非依靠對(duì)某些光子（透射光子或散射光子）的檢測和分析，而是根據(jù)聲信號(hào)間接測量材料與光束相互作用后所吸收的能量。光聲光譜技術(shù)是一種理想的無背景噪聲信號(hào)技術(shù)，具有較高靈敏度和良好選擇性。與傳統(tǒng)光譜分析方法不同，光聲光譜技術(shù)是監(jiān)測物體吸收光能后產(chǎn)生的熱能中以聲壓形式表現(xiàn)出來的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情況下，吸收能也可被微音器檢測。與其它氣體檢測方法相比較，光聲光譜技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：長期穩(wěn)定性好、靈敏度高；不消耗氣樣，如載氣、標(biāo)氣；檢測時(shí)間短，便于現(xiàn)場檢測；適于多種氣體成分的檢測；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。原理：密閉在光聲池中的氣體分子吸收特定頻率V的入射光后由基態(tài)E0躍遷至激發(fā)態(tài)E1,兩能級(jí)間的能量差為El-E0=hv。受激分子與周圍氣體分子相碰撞，由激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)，并將吸收的光能通過無輻射弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿娱g的平移動(dòng)能，具體表現(xiàn)為氣體溫度升高，即加熱。當(dāng)入射光強(qiáng)度受到頻率①的調(diào)制時(shí)，加熱過程將產(chǎn)生周期性變化。根據(jù)氣體熱力學(xué)定律，周期性溫度變化產(chǎn)生同周期壓力波動(dòng)，即聲波，此聲波可通過安裝在光聲池上的微音器或壓電陶瓷傳聲器檢測，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即光聲信號(hào)，該信號(hào)的產(chǎn)生過程稱為光聲效應(yīng)。光聲信號(hào)的大小與氣體濃度成正比，通過檢測該信號(hào)值便可得到被測氣體的濃度。能級(jí)躍遷所需能量不同，故需不同波長電磁輻射使其躍遷，即在不同光譜區(qū)出現(xiàn)吸收譜帶。電子能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)吸收光譜在紫外區(qū)和可見光區(qū)；原子振動(dòng)能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)于近紅外區(qū)和中紅外區(qū)；分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)紅外區(qū)和微波區(qū)。應(yīng)用光聲光譜法檢測氣體濃度主要利用分子紅外光譜。紅外光譜由原子振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生，故紅外光譜又稱為分子的振一轉(zhuǎn)光譜。氣體光聲檢測系統(tǒng)原理圖：單色光源氣體光聲檢測的基本原理是光聲效應(yīng)。光源發(fā)出特定頻率V的單色光，經(jīng)角頻率為?的斬波器進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制后，入射進(jìn)入光聲池。池內(nèi)被測氣體吸收光能后，發(fā)生光聲效應(yīng)，即產(chǎn)生與調(diào)制頻率同周期的聲波，由傳聲器接收到此信號(hào)并將其送至信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。光聲池內(nèi)激發(fā)的光聲信號(hào)由安裝在池壁的微音器檢測到，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，并將其送入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理。微音器的工作原理簡圖如圖：

可知：光源功率強(qiáng)度、光聲池結(jié)構(gòu)、微音器共同決定了光聲信號(hào)的檢測靈敏度。為盡量避免各組分氣體間的交叉干擾，需選用窄帶濾光片獲取各組分氣體的特征譜線,且該波長范圍內(nèi)的入射光僅能使一種氣體產(chǎn)生較強(qiáng)吸收而發(fā)生光聲效應(yīng)。光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖數(shù)字信號(hào)處理器DSP(TMS320F2812)對(duì)紅外光源進(jìn)行脈沖調(diào)制，激發(fā)出周期性發(fā)射的紅外光，后經(jīng)凹面鏡和透鏡的匯聚作用，變?yōu)槠叫泄獬錾?。在與被測氣體作用前，寬譜帶的激發(fā)光需先經(jīng)濾光片的選擇，使得只有被測氣體吸收峰波段的光透過。此時(shí)的出射光平分為A、B兩束，其中光束A在入射至光聲池前先通過樣品池，池內(nèi)待測氣體吸收其中部分光能，剩余部分則繼續(xù)入射至光聲池，但僅能進(jìn)入第一節(jié)空穴內(nèi)；而光束B自濾光片出射后直接入射至光聲池，且可到達(dá)最后一節(jié)空穴。激發(fā)的光聲信號(hào)由安裝在光聲池頸部的微音器測得，后經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行初步噪聲抑制及放大作用，由TMS320F2812片上ADC進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集到內(nèi)核，通過其內(nèi)部設(shè)定的算法等相關(guān)程序作用，最后將運(yùn)算結(jié)果送入顯示、聲光報(bào)警、通訊等外部設(shè)備。靈敏度：2002年荷蘭Nijmegen大學(xué)的光聲光譜小組利用光參量振蕩器搭建的光聲光譜系統(tǒng)將乙烷的檢測靈敏度提高到10x10-12水平。直到1995年，對(duì)NO2和CH4濃度進(jìn)行光聲檢測，最低濃度極限分別達(dá)到37X10-11和37X10-12量級(jí)；光譜覆蓋范圍9?11um,2001年,該系統(tǒng)對(duì)C2H2和偽的極限檢測靈敏度分別達(dá)到10-11和10-9量級(jí)，百萬分之幾(PPm)；千分之幾(pPt)。lppb(十億分之幾)。2006年采用亥姆霍茲共振型光聲腔,結(jié)合7.9毫米中紅外光源,探測甲烷靈敏度達(dá)到3ppb。非諧振式光聲池光聲信號(hào)表達(dá)式,表明：入射光功率越大、光聲池體積越小、調(diào)制頻率越低,光聲信號(hào)越大。把工作在簡正模式上的光聲池稱為諧振式光聲池。光聲池的設(shè)計(jì)光聲池是一個(gè)配有微音器和窗口的密閉池體，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接決定光聲信號(hào)的強(qiáng)弱及背景噪聲的大小，因而，光聲池的設(shè)計(jì)是決定光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)探測靈敏度的關(guān)鍵因素之一。其總體設(shè)計(jì)原則如下：光聲池應(yīng)盡量與外界噪音隔離；盡量減小入射光與池壁、窗片及微音器的直接作用，以減小背景信號(hào)；盡量增強(qiáng)光聲池內(nèi)入射光的有效吸收，以提高信噪比；保持光聲池內(nèi)表面光潔，以減小氣體的吸附和粘滯效應(yīng)。根據(jù)光聲池工作方式的不同，通?？煞譃榉侵C振式光聲池和諧振式光聲池兩類。在聲學(xué)和光學(xué)上都沒有諧振的光聲池稱為非諧振式光聲池，其內(nèi)部各點(diǎn)聲壓相位相同；工作在池體某一諧振模式上的光聲池稱為諧振式光聲池，此類光聲池池體為一駐波聲場，利用聲諧振的“駐波放大”提高檢測信噪比。非諧振式氣體光聲池若入射光均勻分布于整個(gè)光聲池中，且調(diào)制頻率3低于光聲池最低階簡正頻率，此時(shí)光聲池工作在非諧振狀態(tài)，各點(diǎn)光聲信號(hào)幾乎同相。設(shè)光聲池為一橫截面積為S，長為L的圓柱，其內(nèi)部光聲信號(hào)幅值則為：亠心-1)沖彳o(仍)_ 7 :~\5^(1+—式中，P0為入射至光聲池的光功率。非諧振式光聲池具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在儀器小型化方面占有一定優(yōu)勢。然而仍存在以下不足：不能對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的試樣進(jìn)行檢測。非諧振式光聲池工作于較低調(diào)制頻率，此時(shí)，氣體在進(jìn)出口端相當(dāng)于聲壓的，短路端”，會(huì)使光聲信號(hào)急劇減??；光聲池工作在低調(diào)制頻率時(shí)，電流噪聲、電阻的Johnson噪聲、氣流的湍流噪聲及環(huán)境噪聲等均與41成正比，因而不利于信噪比的提高；小的池體積限制光在池內(nèi)的反射次數(shù)，導(dǎo)致光能利用率降低、熱傳導(dǎo)損耗增大；本底信號(hào)較大。諧振式氣體光聲池當(dāng)入射光的調(diào)制頻率e恰等于光聲池某一諧dAXco)— 二0振頻率ej時(shí)，光聲池工作在諧振狀態(tài)。由于 〔 時(shí)，Aj(d)為極