光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用

光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第1頁(yè)主要內(nèi)容光聲光譜氣體檢測(cè)原理一個(gè)基于光聲光譜法光纖氣體傳感器基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)光聲光譜技術(shù)對(duì)乙烯等果蔬氣體檢測(cè)研究前景光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第2頁(yè)光聲光譜氣體檢測(cè)原理光聲光譜氣體檢測(cè)原理是利用氣體吸收一強(qiáng)度隨時(shí)間改變光束而被加熱時(shí)所引發(fā)一系列聲效應(yīng)。激光光束經(jīng)斬波器調(diào)制后，入射到裝有樣品氣體密封光聲池中。依據(jù)分子光譜理論，每種氣體有著自己特定吸收波譜，經(jīng)過選擇調(diào)制光源波長(zhǎng)，從而使得只有某種特定氣體產(chǎn)生較大吸收光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第3頁(yè)光聲光譜氣體檢測(cè)原理當(dāng)氣體吸收頻率為ν光子后,個(gè)別氣體分子會(huì)從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1。處于激發(fā)態(tài)分子與處于基態(tài)同類分子相碰撞,吸收能量經(jīng)無(wú)輻射弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿又g平移動(dòng)能,即加熱。假如氣體密閉于光聲腔中,激勵(lì)光源受到諧振頻率ω調(diào)制,那么加熱過程將周期地改變。依據(jù)氣體熱力學(xué)定律,周期性溫度改變將產(chǎn)生同周期壓力信號(hào)。假設(shè)這種躍遷-弛豫過程處于非飽和狀態(tài),光聲腔為圓柱形結(jié)構(gòu),光強(qiáng)度調(diào)制頻率等于光聲腔某一階諧振頻率ωj,則光聲信號(hào)能夠表示為光聲信號(hào)Aj(ωj)和氣體濃度成唯一確定關(guān)系，經(jīng)過檢測(cè)Aj(ωj)就能夠測(cè)量氣體分子濃度N。（1）光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第4頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第5頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器激勵(lì)光源選取染料激光器光聲腔選取White型結(jié)構(gòu)，圖2所表示

三個(gè)凹面反光鏡M1,M2和M3曲率半徑都等于鏡間距,即腔長(zhǎng)L。屢次反射光束分布在兩個(gè)平面上,這兩個(gè)平面在M1,M2上相交,在M3上略微分開。光束對(duì)稱于軸線且相互靠近,在腔內(nèi)反射幾十次。反射鏡鍍金,反射率到達(dá)95%,腔內(nèi)有效光強(qiáng)是入射光20倍傳感光源用激光二極管光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第6頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器光波相位改變主要因?yàn)楣饴暻恢睆礁淖兪估p繞在其上光纖產(chǎn)生徑向應(yīng)變。光聲腔和光纖受力是軸對(duì)稱,所以能夠在垂直光聲腔軸線截面上取出一圓環(huán),圓環(huán)高度為光纖直徑,如圖3所表示。光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第7頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器其中內(nèi)圓為光聲腔，直徑為2d，厚度為t；外圓為光纖，直徑為2a。設(shè)光聲腔應(yīng)力分布為正應(yīng)力σ’r和環(huán)應(yīng)力σ’θ,徑向位移u’r；光纖應(yīng)力分布為正應(yīng)力σr和環(huán)應(yīng)力σθ,徑向位移ur。它們滿足邊界條件為：依據(jù)這些邊界條件能夠求出光纖應(yīng)力表示式（2）光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第8頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器r取值范圍為：分別為光聲腔材料和光纖材料彈性系數(shù)和泊松比在平面應(yīng)變條件下（4）（3）聯(lián)立方程1~4即可得到相位差與光聲信號(hào)關(guān)系光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第9頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器試驗(yàn)選擇SO2為試驗(yàn)氣體（Ar氣為緩沖氣體），在光聲腔中得到不一樣濃度SO2氣體染料激光器輸出波長(zhǎng)選為302nm（SO2

對(duì)此波長(zhǎng)光譜有極大吸收），光束被斬波器調(diào)制為光聲腔第一諧振頻率ω1光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第10頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器結(jié)果光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第11頁(yè)一個(gè)基于光聲光譜技術(shù)光纖氣體傳感器影響檢測(cè)靈敏度原因主要有（1）光聲腔中光功率吸收情況。試驗(yàn)表明,光聲腔中有效吸收長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好,但光束傳輸方向還應(yīng)該和光聲信號(hào)簡(jiǎn)正模式保持垂直;（2）傳感光纖長(zhǎng)度。光纖纏繞在光聲腔上,能夠增加光纖有效長(zhǎng)度,有效地提升檢測(cè)靈敏度。結(jié)論：理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光聲方法對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量含有靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng),線性好特點(diǎn)。尤其是在光吸收非常弱,透射信號(hào)幾乎不衰減時(shí),這種方法更是有效檢測(cè)伎倆。光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第12頁(yè)基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)該試驗(yàn)基于分布反饋（DBF）半導(dǎo)體激光器建構(gòu)了氣體光聲光譜檢測(cè)裝置研究了光聲信號(hào)與激光功率、乙炔氣體濃度之間關(guān)系；并借助DFB激光器波長(zhǎng)調(diào)制特征，研究了乙炔分子在近紅外區(qū)第一泛音帶1.5μm附近光聲光譜。光聲池縱剖圖光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第13頁(yè)基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)近紅外區(qū)第一泛音帶1.5μm附近乙炔分子光聲光譜圖6

室溫26oC、壓強(qiáng)0.1MPa：（a）——激光注入電流60mA激光器工作溫度20~31.5oC范圍內(nèi)，以0.05oC為步長(zhǎng)掃描得到濃度為997.8μL/L乙炔氣體光聲光譜，兩條吸收譜線對(duì)應(yīng)激光輻射波長(zhǎng)為1520.58nm、1520.08nm。（b）——它與依據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到，吸收譜線中心波數(shù)分別為1520.57nm、1520.09nm光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第14頁(yè)光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間關(guān)系

將標(biāo)準(zhǔn)濃度為810μL/L

C2H2

標(biāo)準(zhǔn)氣體，遲緩流過光聲池；調(diào)整并保持?jǐn)夭ㄆ鲾夭l率為一階縱向共振頻率實(shí)測(cè)值1442Hz；調(diào)整DFB激光器輸出功率，并統(tǒng)計(jì)激光器不一樣功率下光聲信號(hào)，得到圖7所表示光聲信號(hào)與激光功率關(guān)系曲線。需要注意是，在調(diào)整輸出功率時(shí)會(huì)使激光器輻射波長(zhǎng)偏離C2H2特征吸收譜線1520.09nm，所以，必須對(duì)激光器輻射波長(zhǎng)進(jìn)行校正：將輸出功率設(shè)為期望值后，微調(diào)激光器工作溫度，當(dāng)光聲信號(hào)出現(xiàn)最大值時(shí)，能夠斷定激光器波長(zhǎng)被調(diào)回至1520.09nm

?；诎雽?dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第15頁(yè)光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間關(guān)系基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)

由圖7可見，當(dāng)激光器輸出功率為3~14mW時(shí)，光聲信號(hào)隨激光功率以線性規(guī)律改變，用一元線性回歸方法擬和試驗(yàn)結(jié)果，擬和優(yōu)度R2=0.9987。因?yàn)楣饴曅?yīng)產(chǎn)生是因?yàn)闅怏w分子無(wú)輻射弛豫將吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，氣體濃度一定時(shí)，可被激發(fā)氣體分子數(shù)有限，所以，當(dāng)激光輸出功率增大到一定數(shù)值時(shí)，光聲信號(hào)改變將不再隨功率線性增大，而是展現(xiàn)飽和。光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第16頁(yè)光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間關(guān)系基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)

試驗(yàn)室采取計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，用高純氮稀釋，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不一樣低濃度C2H2標(biāo)準(zhǔn)氣體制備。調(diào)整激光器電流為45.30mA，功率為13.7mW，并調(diào)整激光器溫控電阻，使其輻射波長(zhǎng)為1520.09nm;調(diào)整并保持?jǐn)夭ㄆ鲾夭l率為1442Hz；大氣壓0.1MPa；設(shè)置鎖相放大器積分時(shí)間為1s；然后對(duì)不一樣低濃度C2H2

氣體光聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所表示：光聲信號(hào)與C2H2

濃度遵照線性關(guān)系，用一元線性回歸方法擬和試驗(yàn)結(jié)果，擬和優(yōu)度為R2=0.9971光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第17頁(yè)基于半導(dǎo)體激光器乙炔氣體光聲光譜檢測(cè)結(jié)論（1）利用DFB半導(dǎo)體激光器窄線寬及其波長(zhǎng)調(diào)諧特征，研究了乙炔分子在室溫26oC、壓強(qiáng)0.1MPa下近紅外第一泛音帶1.5μm附近光聲光譜，它與依據(jù)HI-TRAN數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到乙炔分子紅外光譜在廓線外形和中心波長(zhǎng)上是一致。（2）研究了光聲信號(hào)與激光功率、乙炔氣體濃度之間關(guān)系，試驗(yàn)表明，在未發(fā)生氣體吸收飽和效應(yīng)下，光聲信號(hào)與激光功率、氣體濃度之間遵照線性關(guān)系，光聲信號(hào)隨激光功率和氣體濃度增大而線性增大。光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第18頁(yè)光聲光譜技術(shù)對(duì)乙烯等果蔬氣體檢測(cè)研究前景伴隨大家對(duì)光聲光譜技術(shù)研究探索，研究領(lǐng)域和研究對(duì)象也在不停拓寬，但對(duì)果蔬散發(fā)乙烯等微量氣體檢測(cè)研究在我國(guó)外還未完全展開。然而，果蔬要到達(dá)優(yōu)良食用具質(zhì)必須含有一定成熟度。比如乙烯能夠用來催熟，經(jīng)過抑制乙烯生成，在貯藏運(yùn)輸中能夠延緩果蔬成熟。所以探討果蔬成熟過程中散發(fā)氣體生成和規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)整控制，不但對(duì)揭示果蔬生長(zhǎng)發(fā)育、成熟衰老本質(zhì)有主要意義，而且也是提升果品質(zhì)量、促進(jìn)作物采收效率和改進(jìn)采后技術(shù)一個(gè)關(guān)鍵。考慮到現(xiàn)有果蔬檢測(cè)方法缺點(diǎn)，比如：檢測(cè)設(shè)備差、檢測(cè)靈敏度低、檢測(cè)步驟繁瑣等，一個(gè)快速、安全、可靠、有效檢測(cè)伎倆提出頗為主要。光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用第19頁(yè)光聲光譜技術(shù)對(duì)乙烯等果蔬