光聲光譜技術在氣體檢測中的應用

光聲光譜技術在氣體檢測中的應用第一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日主要內容光聲光譜氣體檢測原理一種基于光聲光譜法的光纖氣體傳感器基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測光聲光譜技術對乙烯等果蔬氣體檢測的研究前景第二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲光譜氣體檢測原理光聲光譜氣體檢測原理是利用氣體吸收一強度隨時間變化的光束而被加熱時所引起的一系列聲效應。激光光束經(jīng)斬波器調制后，入射到裝有樣品氣體的密封光聲池中。根據(jù)分子光譜理論，每種氣體有著自己特定的吸收波譜，通過選擇調制光源的波長，從而使得只有某種特定氣體產生較大吸收第三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲光譜氣體檢測原理當氣體吸收頻率為ν的光子后,部分氣體分子會從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1。處于激發(fā)態(tài)的分子與處于基態(tài)的同類分子相碰撞,吸收的能量經(jīng)無輻射弛豫過程轉變?yōu)榕鲎卜肿又g的平移動能,即加熱。如果氣體密閉于光聲腔中,激勵光源受到諧振頻率ω的調制,那么加熱過程將周期地變化。根據(jù)氣體熱力學定律,周期性的溫度變化將產生同周期的壓力信號。假設這種躍遷-弛豫過程處于非飽和狀態(tài),光聲腔為圓柱形結構,光強度的調制頻率等于光聲腔的某一階諧振頻率ωj,則光聲信號可以表示為光聲信號Aj(ωj)和氣體的濃度成唯一確定的關系，通過檢測Aj(ωj)就可以測量氣體的分子濃度N。（1）第四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器第五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器激勵光源選用染料激光器光聲腔選用White型結構，圖2所示

三個凹面反光鏡M1,M2和M3的曲率半徑都等于鏡間距,即腔長L。多次反射的光束分布在兩個平面上,這兩個平面在M1,M2上相交,在M3上略微分開。光束對稱于軸線且相互靠近,在腔內反射幾十次。反射鏡鍍金,反射率達到95%,腔內有效光強是入射光的20倍傳感光源用激光二極管第六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器光波的相位變化主要由于光聲腔的直徑變化使纏繞在其上的光纖產生徑向應變。光聲腔和光纖的受力是軸對稱的,所以可以在垂直光聲腔軸線的截面上取出一圓環(huán),圓環(huán)高度為光纖的直徑,如圖3所示。第七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器其中內圓為光聲腔，直徑為2d，厚度為t；外圓為光纖，直徑為2a。設光聲腔的應力分布為正應力σ’r和環(huán)應力σ’θ,徑向位移u’r；光纖的應力分布為正應力σr和環(huán)應力σθ,徑向位移ur。它們滿足的邊界條件為：根據(jù)這些邊界條件可以求出光纖的應力表達式（2）第八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器r的取值范圍為：分別為光聲腔材料和光纖材料的彈性系數(shù)和泊松比在平面應變條件下（4）（3）聯(lián)立方程1~4即可得到相位差與光聲信號的關系第九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器實驗選擇SO2為實驗氣體（Ar氣為緩沖氣體），在光聲腔中得到不同濃度的SO2氣體染料激光器的輸出波長選為302nm（SO2

對此波長的光譜有極大的吸收），光束被斬波器調制為光聲腔的第一諧振頻率ω1第十頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器結果第十一頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日一種基于光聲光譜技術的光纖氣體傳感器影響檢測靈敏度的因素主要有（1）光聲腔中光功率吸收情況。實驗表明,光聲腔中的有效吸收長度越長越好,但光束的傳輸方向還應該和光聲信號的簡正模式保持垂直;（2）傳感光纖的長度。光纖纏繞在光聲腔上,可以增長光纖的有效長度,有效地提高檢測靈敏度。結論：理論分析和實驗結果表明,光纖光聲方法對氣體濃度進行測量具有靈敏度高,抗干擾能力強,線性好的特點。尤其是在光吸收非常弱,透射信號幾乎不衰減時,這種方法更是有效的檢測手段。第十二頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測該實驗基于分布反饋（DBF）半導體激光器建構了氣體光聲光譜檢測裝置研究了光聲信號與激光功率、乙炔氣體濃度之間的關系；并借助DFB激光器的波長調制特性，研究了乙炔分子在近紅外區(qū)第一泛音帶1.5μm附近的光聲光譜。光聲池縱剖圖第十三頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測近紅外區(qū)第一泛音帶1.5μm附近乙炔分子的光聲光譜圖6室溫26oC、壓強0.1MPa：（a）——激光注入電流60mA激光器工作溫度20~31.5oC范圍內，以0.05oC為步長掃描得到濃度為997.8μL/L的乙炔氣體光聲光譜，兩條吸收譜線的相應的激光輻射波長為1520.58nm、1520.08nm。（b）——它與根據(jù)HITRAN2004數(shù)據(jù)庫計算得到，吸收譜線中心波數(shù)分別為1520.57nm、1520.09nm第十四頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲信號與激光頻率和乙炔濃度之間的關系

將標準濃度為810μL/L的C2H2

標準氣體，緩慢流過光聲池；調節(jié)并保持斬波器的斬波頻率為一階縱向共振頻率實測值1442Hz；調節(jié)DFB激光器的輸出功率，并記錄激光器不同功率下的光聲信號，得到圖7所示光聲信號與激光功率的關系曲線。需要注意的是，在調節(jié)輸出功率時會使激光器的輻射波長偏離C2H2的特征吸收譜線1520.09nm，因此，必須對激光器的輻射波長進行校正：將輸出功率設為期望值后，微調激光器的工作溫度，當光聲信號出現(xiàn)最大值時，可以斷定激光器波長被調回至1520.09nm?；诎雽w激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測第十五頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲信號與激光頻率和乙炔濃度之間的關系基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測

由圖7可見，當激光器輸出功率為3~14mW時，光聲信號隨激光功率以線性規(guī)律變化，用一元線性回歸方法擬和實驗結果，擬和優(yōu)度R2=0.9987。由于光聲效應的產生是因為氣體分子無輻射弛豫將吸收的光能轉變?yōu)闊崮?，氣體濃度一定時，可被激發(fā)的氣體分子數(shù)有限，因此，當激光輸出功率增大到一定數(shù)值時，光聲信號的變化將不再隨功率線性增大，而是呈現(xiàn)飽和。第十六頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲信號與激光頻率和乙炔濃度之間的關系基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測實驗室采用計算機自動配氣系統(tǒng)，用高純氮稀釋，可實現(xiàn)對不同低濃度C2H2標準氣體的制備。調節(jié)激光器電流為45.30mA，功率為13.7mW，并調節(jié)激光器溫控電阻，使其輻射波長為1520.09nm;調節(jié)并保持斬波器的斬波頻率為1442Hz；大氣壓0.1MPa；設置鎖相放大器的積分時間為1s；然后對不同低濃度C2H2

氣體的光聲信號進行測量，實驗結果如圖8所示：光聲信號與C2H2

濃度遵循線性關系，用一元線性回歸方法擬和實驗結果，擬和優(yōu)度為R2=0.9971第十七頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日基于半導體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測結論（1）利用DFB半導體激光器的窄線寬及其波長調諧特性，研究了乙炔分子在室溫26oC、壓強0.1MPa下近紅外第一泛音帶1.5μm附近的光聲光譜，它與根據(jù)HI-TRAN2004數(shù)據(jù)庫計算得到的乙炔分子的紅外光譜在廓線外形和中心波長上是一致的。（2）研究了光聲信號與激光功率、乙炔氣體濃度之間的關系，實驗表明，在未發(fā)生氣體吸收飽和效應下，光聲信號與激光功率、氣體濃度之間遵循線性關系，光聲信號隨激光功率和氣體濃度增大而線性增大。第十八頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲光譜技術對乙烯等果蔬氣體檢測的研究前景隨著人們對光聲光譜技術的研究探索，研究領域和研究對象也在不斷拓寬，但對果蔬散發(fā)的乙烯等微量氣體檢測的研究在國內外還未完全展開。然而，果蔬要達到優(yōu)良食用品質必須具有一定的成熟度。比如乙烯可以用來催熟，通過抑制乙烯的生成，在貯藏運輸中可以延緩果蔬的成熟。所以探討果蔬成熟過程中散發(fā)氣體生成和規(guī)律，進而進行調節(jié)控制，不僅對揭示果蔬生長發(fā)育、成熟衰老本質有重要意義，而且也是提高果品質量、增進作物采收效率和改善采后技術的一個關鍵?？紤]到現(xiàn)有果蔬檢測方法的缺陷，比如：檢測設備差、檢測靈敏度低、檢測步驟繁瑣等，一種快速、安全、可靠、有效的檢測手段的提出頗為重要。第十九頁，共二十一頁，編輯于2023年，星期日光聲光譜技術對乙烯等果蔬氣體檢測的研究前景結合以上我們對光聲光譜技術的了解，不難發(fā)現(xiàn)，鑒于光聲光譜技術對多種微量氣體具有極高的檢測靈敏度，