新型石英增强光声光谱测声器的设计与优化研究

发布时间：2020-06-04 20:36

【摘要】：石英增强光声光谱(QEPAS)由美国莱斯大学Frank Tittel教授小组于2002年提出。QEPAS技术采用低成本的商用音叉式石英晶振(简称音叉)代替传统光声光谱中的麦克风来探测光声效应产生的微弱声波。QEPAS传感器以其高探测灵敏度、很强的噪声免疫能力、紧凑的光声探测模块以及低成本等特点被广泛用于航天、工业、农业、环保等各个领域的痕量气体检测。本文以QEPAS作为研究对象,开展的主要工作是新型QEPAS技术研究,通过对新型QEPAS光谱测声器的设计和优化,提高声学谐振腔与音叉之间的声波耦合效率,增强QEPAS信号,抑制背景噪声,从而提高探测信噪比。主要内容如下:1、介绍了光声光谱的发展历史,光声效应的基本理论,以及光声光谱系统中光源、光声池、探测的选择性、探测极限等。2、介绍了石英增强光声光谱(QEPAS)的基本理论。包括了音叉式石英晶振几何结构、等效电学模型,以及其共振频率和品质因子等,介绍了音叉式石英晶振在传感器方面的应用,以及几种传统的QEPAS光谱测声器结构设计。3、开展了针对传统QEPAS系统的优化设计实验,研究了音叉的几何结构、光束的作用位置以及外部污染物对QEPAS的影响。发展了两种增强QEPAS信号的光谱测声器配置:双光程增强型QEPAS和双音叉共轴增强型QEPAS。4、针对QEPAS系统中激发光源光束质量较差时会产生较强背景噪声的问题,提出了两种噪声抑制方法:散射光调制相消法和电学调制相消法。5、发展了基于定制大音叉的QEPAS实验系统,从根本上解决了光束质量较差的光源不能适用于QEPAS技术的问题,并且提出了全新的谐振腔配置即单管共轴QEPAS(SO-QEPAS)光谱测声器配置。将音叉式石英晶振的一次泛频振动模式应用到QEPAS技术中,发展了泛频共振增强的SO-QEPAS光谱测声器。本文的创新之处:1.比较了国内外数十种厂家生产的音叉式石英晶振,从几何结构、共振频率、品质因子、以及QEPAS信号幅度等方面,对不同厂家生产的音叉在光声光谱中的性能进行了对比。研究了光束的作用位置以及外部污染物对QEPAS信号的影响。确定了音叉式石英晶振对光束最敏感的部位为距离音叉开口处0.6-0.7 mm处。2.基于传统QEPAS技术,发展了两种光声信号增强方法。在共轴QEPAS光谱测声器配置的基础上,提出了双光程增强的QEPAS光谱测声器配置,使用凹面反射镜制造光学回路,将探测灵敏度提高了2~3倍。在双音叉QEPAS光谱测声器配置的基础上,提出了双音叉共轴的两种配置方式,相比于传统的单音叉共轴QEPAS光谱测声器,能够将探测灵敏度提高约1.5倍。3.针对QEPAS系统使用激发光束质量较差的光源时,激发光无法准直通过音叉振臂间隙而产生剧烈背景噪声的问题,提出了两种噪声抑制方法:散射光调制相消法(SL-MOCAM)和电学调制相消法(E-MOCAM)。SL-MOCAM简化了光路,不需要进行合束准直,能有效将背景噪声抑制90%以上。E-MOCAM直接使用电学调制信号取代SL-MOCAM中的平衡光,省去了平衡光源,进一步简化了系统,该方法可以将背景噪声抑制3个数量级。4.发展了基于定制大音叉的QEPAS技术,定制音叉的大振臂间隙(700μm)从源头解决了激发光光束质量较差引起的噪声问题。针对定制音叉的大振臂间隙,我们提出了全新的单管共轴QEPAS(SO-QEPAS)光谱测声器配置。该配置中完整的谐振腔被插入到定制音叉振臂之间,大大提高了音叉与谐振腔之间的声波耦合效率,在探测5%的干燥CO_2时,相比于没有配备谐振腔的裸音叉,SO-QEPAS配置将探测灵敏度提高了约2个数量级。通过优化定制音叉的振臂参数,使得定制音叉的一次泛频振动具有比基频振动更高的Q值。将音叉式石英晶振的一次泛频振动模式应用到QEPAS技术中,发展了泛频共振增强型的SO-QEPAS光谱测声器。较高的振动频率缩短了声波波长、减小了谐振腔的长度,而且相比于基频振动模式下的裸音叉,结合了音叉一次泛频振动模式和SO-QEPAS配置的光谱测声器将探测灵敏度提高了约380倍。
【图文】：

新型石英增强光声光谱测声器的设计与优化研究加上改进的锁相探测技术，他们可以用激光光声光谱技术来染物。Kreuzer 声称如果用一个强度调制的 3 μm 氦氖激光器探测灵敏度可以达到 10-8量级（10 ppb）[9]。Patel 展示了使用转拉曼激光器通过光声光谱技术测量 28 km 高度处的 NO 和后光声光谱技术就被广泛引入到大气环境监测以及生物医疗

互作用可以产生如图 1.2 所示的一系列效应[3其分子内部能态被激发到高能态（包括振动态态的分子可以通过自发辐射或者受激辐射的跃吸收的能量转化成热。在气体中，这种能量以中它以离子或原子（声子）的转动能的形式存，辐射跃迁和化学反应不占主导作用，因为辐时间是很长的，而光子能量很小，不足以诱发化成热。然而，在电子态激发的情况下，辐射激发相比拟。同时化学反应也可能产生一部分产生了光化学离解反应，，局部分子数升高和反上升。
【学位授予单位】：山西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH73

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本文编号：2696939