光声光谱技术应用于环境监测和电力系统的研究

发布时间：2021-01-21 17:55

　　基于光声光谱技术的痕量气体传感器,以其探测灵敏度高、气体选择性好、结构简单紧凑、体积小和成本低等优势,在大气环境监测、工业过程控制、无创医疗诊断等领域有重要的应用价值。本文利用光声光谱技术所拥有的零背景噪声、无波长选择性和光声信号幅值正比于激励光功率等特性,并围绕大气环境污染气体的探测和电力系统中电气设备的安全监测,设计研究了多款高性能的光声气体传感器。并结合共振式光声池和音叉式石英晶振作为声学传感器,获得了如下创新型研究成果:1、根据声学谐振腔理论知识,设计了双通道的差分结构光声池。使用两个形状体积完全一致的光声共振腔配合差分电路,消除了由气体流速、窗口吸收以及外部电磁干扰引起的噪声干扰,提高了光声传感器的探测信噪比。可以在不增加气体流速噪声的情况下,将光声传感器工作在高气体流速的状态下,以消除在高功率激励光源下可能存在的饱和吸收效应,减弱NH₃和SO₂等气体的粘性效应,同时提高传感器的响应时间;2、基于设计的差分结构光声池,利用光声光谱技术无波长选择性的特点,分别采用从紫外到可见光、近红外以及中红外等多种波长的激励光源,实现了对大气中二氧... 

【文章来源】：山西大学山西省

【文章页数】：130 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

波长调制技术的直接吸收光谱传感器示意图

光声光谱技术应用于环境监测和电力系统的研究12气体中不包含目标气体时，就不存在以上几种能量信息，即测量的信号为零。这样一旦气室中存在微量的目标气体就会产生信号，在一个无背景干扰的基础上测量一个小信号就是间接吸收光谱技术的一个独特优势。在实际的测量过程中，由于环境噪声等多种因素的存在，该技术零背景噪声的特性可能会受到影响。例如激光诱导荧光气体传感器是通过气体产生的荧光来探测气体浓度的，但是环境中杂散光的影响会干扰该技术的探测灵敏度。因此需要在传感器的探测元器件等方面发展新型灵敏的技术来压低背景噪声，提高信号，从而获取高灵敏度的气体传感器。光声光谱是间接吸收光谱技术中一种很重要的气体传感器。如图1.3所示，光声光谱气体传感技术可以分为几个重要步骤：待测的气体分子或原子在吸收对应波长的激光能量后，会从分子的基态吸收能量跃迁到激发态；然后通过分子碰撞（无辐射跃迁）重新回到基态并将分子的内能耗散，这个过程中会使局部分空间内气体的温度升高，气体的体积也会因此膨胀。图1.3光声光谱光声效应产生步骤流程图如果激光器的波长偏离了气体的吸收线或者光线被遮挡，气体的体积就停止膨胀。因此假如采用波长调制的形式，以一定的频率调制激光的波长，会导致气

第一章绪论13体的体积也以相同的频率膨胀和收缩，气体的压强会以周期性的规律进行变化，从而形成了周期性的声波。同样地，若采用光学斩波器来对激光光束进行强度调制时，也会产生同样频率的声波能量。声波的能量与气体的浓度、激光器的功率等相关因素成正比例关系，通过采用高灵敏度的麦克风来收取声波的能量，就可以通过麦克风的电流大小来衡量声波能量的大小，从而反推出气体的浓度信息，这就是光声光谱技术的基本原理。如图1.4是一种常见的光声光谱气体传感器原理图，采用波长调制方法。从图1.4可以看出，与图1.2中直接吸收光谱技术最大的区别是，该技术不直接测量光强信息，而是采用间接检测声波信号。图1.4基于波长调制技术的光声光谱传感器示意图光声光谱传感器的灵敏度主要是由探测光声信号的声学传声器决定的。在光声光谱技术中，一般采用麦克风（电容、电压式和新型薄膜型），悬臂梁或音叉形状式的石英晶振（以下简称为音叉）来将声波信号转变为电流信号的。但是在采用光声光谱技术时，由于气体分子吸收激光能量后产生的声波信号一般比较弱，因此若直接采用声学传声器来探测声波信号，其产生的电流信号也会很低，从而影响传感器的探测灵敏度。因此，在声波信号被探测时，通常会采用声学谐振腔来对声波信号进行放大。在传统光声光谱传感器中，在声学谐振腔内会通入待测气体，并将一个高灵敏的麦克风放置在声学腔中，一般麦克风的体积相对腔的体积比较小，这样麦克风不会改变声学腔的共振模式。因为声学谐振腔也充当了气室的作用，因此又称为光声池。随着声学领域的发展推动，针对不同的应用背景，通过理论模拟设计和实验验证，多种形状体积等结构不同的光声池已被报道。在

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化[J]. 尹旭坤,郑华丹,董磊,武红鹏,刘小利,马维光,张雷,尹王保,贾锁堂.  物理学报. 2015(13)



本文编号：2991632