高灵敏光声光谱检测技术及系统研究
发布时间：2021-11-19 16:05
随着科学技术的发展以及社会进步的需求,对电力系统变压器油中溶解气体检测以及军事上的有毒气体检测等应用场合对传统的气体检测技术提出了更高的要求,快速即时,小型高灵敏,微量多成份检测成为气体检测系统的一个发展趋势。光声光谱检测技术（PAS）是一种传统的高灵敏光学检测技术,该方法主要基于样品的光声效应间接反映样品特性,如样品浓度以及成分组成。其系统检测灵敏度主要依赖于声传感器的自身的探测灵敏度和对系统主要噪声的抑制能力。早期的光声光谱系统主要是由膜片式麦克风检测光声信号,因此而带来的电学噪声和信号的非线性使系统整体检测灵敏度受到一定的限制。近期有学者提出一种新型的光学悬臂梁麦克风,这种声传感器的应用使光声光谱检测系统的灵敏度大幅提高,但悬臂梁麦克风的抑噪能力却很少有讨论。基于此,我们提出一种基于差分式扭力梁结合亥姆霍兹光声池的高灵敏光声光谱检测系统。本文主要工作与内容将从以下部分进行介绍:（1）首先深入研究与分析了光声光谱检测技术的理论部分,其中研究了光声光谱检测技术声信号产生原理,以及传统的Helmholtz光声池和差分式扭力梁的基础理论;（2）接着通过Comsol仿真软件利用有限元的分析...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光声光谱检测技术原理图
电子科技大学硕士学位论文6其中光声池的信噪比（SNR）是其池体本身性能良好的一种体现，同样也是系统信噪比重要的组成部分。池体的SNR可以通过高的调制频率（在1kHz以上，可降低1/f噪声带来的影响）得到提高。但低频噪声带来的影响却不及光声池本身带来的本底噪声，这是光声池信噪比较低的一个重要原因。主要来源是由光窗以及腔体池壁的吸收带来的相干噪声，并且这种噪声与光声信号混合在一起并不容易将其分开，这不仅限制了光声池的信噪比，同时也限制了光声光谱检测技术的检测灵敏度。为了降低窗口及池壁带来的本底噪声，各国学者纷纷都提出一些新的技术对光声池进行优化。A.Miklós学者于1989提出一种无窗式的开放式的光声池[29]，这种结构主要是为了抑制作为光声光谱系统检测最大的噪声源之一的窗口噪声。2008年StareckiT学者提出了一种无窗式的亥姆霍兹光声池，如图1-3（a）所示，为了消除窗口的吸收，使用如下图这种方法，光源须从气体进出口通过且不能与池壁有所接触，虽然抑制了部分噪声，但是这种结构对光源的准直性提出较高的要求，并不容易实现[30]。为了抑制气体流动及窗口吸收带来的噪声，KapitanovVA与RouxelJ等学者提出一种双管道差分式Helmholtz光声池[31,32],如图1-3（b）所示，这种光声池针对于流动气体进行检测。国内众多学者同样通过有限元仿真分析与实验相结合的方式来优化设计亥姆霍兹光声池[33,34]，研究了几何结构与压力温度等环境因素对池体特征参数的影响，为设计更高灵敏的光声池提供了重要的参考内容。（a）（b）图1-3光声池类型：（a）无窗式亥姆霍兹光声池[30]；（b）差分式Helmholtz光声池[32]。1.2.2.3声传感器的研究背景声学传感器的检测灵敏度对光声光谱检测系统的检测灵敏度起到至关重要的
第二章光声光谱检测技术原理及理论研究13光源调制为正弦波时，池内的压力变化p则可用“归一声模jp的傅里叶变换，则可表述为（2-10）：2222(1)()p(r,)iH(r,)+=（2-10）(,)()()jjjpr=Apr（2-11）式（2-11）可理解为当对于某一角频率，池内的声场p(r,)是由多种声压分布状态的叠加。式中的()jprè为声振动的简正模式，它有光声池的几何结构决定，它表示光声池内可以存在的驻波形式，其振幅()jA是与频率有关。其中()jprè是下述波动方程式（2-12）的解：(22/2)()0jj+pr=（2-12）当求解不规则形状的光声池时，其简正模式()jpr要使用数值方法来解答，但是对于如圆柱形、球形光声池规则形状的光声池时，()jprè可表述为十分简单的形式，因为其声波截面分布比较规则，则声波的聚集区和空缺区也是十分规则。所以大多数谐振腔都设计为方形，球形及圆柱形。一般方形光声池的声波衰减情况较其他两种形状的光声池来说比较严重，所以研究较少。然而球形光声池的Q值通常很高，但是加工复杂，且驻波分布形式单调，因此应用范围较校而圆柱形光声池是轴对称结构，可以与准直光束进行匹配，激发声场也是轴对称结构便于分析，且易于加工。图2-1圆柱形光声池的理论模型所以以圆柱形光声池为例，通过求解其内部的简正模式，来分析圆柱形光声池的激发声场分布情况，可为后续系统光声池的设计提供部分理论基矗为此，构建如下一个理论模型，假设圆柱形光声池的长为cL、截面半径为cR，分结构的理论
本文编号：3505387
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光声光谱检测技术原理图
电子科技大学硕士学位论文6其中光声池的信噪比（SNR）是其池体本身性能良好的一种体现，同样也是系统信噪比重要的组成部分。池体的SNR可以通过高的调制频率（在1kHz以上，可降低1/f噪声带来的影响）得到提高。但低频噪声带来的影响却不及光声池本身带来的本底噪声，这是光声池信噪比较低的一个重要原因。主要来源是由光窗以及腔体池壁的吸收带来的相干噪声，并且这种噪声与光声信号混合在一起并不容易将其分开，这不仅限制了光声池的信噪比，同时也限制了光声光谱检测技术的检测灵敏度。为了降低窗口及池壁带来的本底噪声，各国学者纷纷都提出一些新的技术对光声池进行优化。A.Miklós学者于1989提出一种无窗式的开放式的光声池[29]，这种结构主要是为了抑制作为光声光谱系统检测最大的噪声源之一的窗口噪声。2008年StareckiT学者提出了一种无窗式的亥姆霍兹光声池，如图1-3（a）所示，为了消除窗口的吸收，使用如下图这种方法，光源须从气体进出口通过且不能与池壁有所接触，虽然抑制了部分噪声，但是这种结构对光源的准直性提出较高的要求，并不容易实现[30]。为了抑制气体流动及窗口吸收带来的噪声，KapitanovVA与RouxelJ等学者提出一种双管道差分式Helmholtz光声池[31,32],如图1-3（b）所示，这种光声池针对于流动气体进行检测。国内众多学者同样通过有限元仿真分析与实验相结合的方式来优化设计亥姆霍兹光声池[33,34]，研究了几何结构与压力温度等环境因素对池体特征参数的影响，为设计更高灵敏的光声池提供了重要的参考内容。（a）（b）图1-3光声池类型：（a）无窗式亥姆霍兹光声池[30]；（b）差分式Helmholtz光声池[32]。1.2.2.3声传感器的研究背景声学传感器的检测灵敏度对光声光谱检测系统的检测灵敏度起到至关重要的
第二章光声光谱检测技术原理及理论研究13光源调制为正弦波时，池内的压力变化p则可用“归一声模jp的傅里叶变换，则可表述为（2-10）：2222(1)()p(r,)iH(r,)+=（2-10）(,)()()jjjpr=Apr（2-11）式（2-11）可理解为当对于某一角频率，池内的声场p(r,)是由多种声压分布状态的叠加。式中的()jprè为声振动的简正模式，它有光声池的几何结构决定，它表示光声池内可以存在的驻波形式，其振幅()jA是与频率有关。其中()jprè是下述波动方程式（2-12）的解：(22/2)()0jj+pr=（2-12）当求解不规则形状的光声池时，其简正模式()jpr要使用数值方法来解答，但是对于如圆柱形、球形光声池规则形状的光声池时，()jprè可表述为十分简单的形式，因为其声波截面分布比较规则，则声波的聚集区和空缺区也是十分规则。所以大多数谐振腔都设计为方形，球形及圆柱形。一般方形光声池的声波衰减情况较其他两种形状的光声池来说比较严重，所以研究较少。然而球形光声池的Q值通常很高，但是加工复杂，且驻波分布形式单调，因此应用范围较校而圆柱形光声池是轴对称结构，可以与准直光束进行匹配，激发声场也是轴对称结构便于分析，且易于加工。图2-1圆柱形光声池的理论模型所以以圆柱形光声池为例，通过求解其内部的简正模式，来分析圆柱形光声池的激发声场分布情况，可为后续系统光声池的设计提供部分理论基矗为此，构建如下一个理论模型，假设圆柱形光声池的长为cL、截面半径为cR，分结构的理论
本文编号：3505387
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3505387.html
教材专著
