1、光聲光譜技術(shù)在氣體檢測(cè)中的應(yīng)用,回雙雙 6121203002,主要內(nèi)容,光聲光譜氣體檢測(cè)原理 一種基于光聲光譜法的光纖氣體傳感器 基于半導(dǎo)體激光器的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)的研究前景,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)間變化的光束而被加熱時(shí)所引起的一系列聲效應(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(guò)選擇調(diào)制光源的波長(zhǎng)，從而使得只有某種特定氣體產(chǎn)生較大吸收,光聲光譜氣體檢測(cè)原理,當(dāng)氣體吸收頻率為的光子后,部分氣體分子會(huì)從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1。處于激發(fā)態(tài)的分子

2、與處于基態(tài)的同類(lèi)分子相碰撞,吸收的能量經(jīng)無(wú)輻射弛豫過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎卜肿又g的平移動(dòng)能,即加熱。如果氣體密閉于光聲腔中,激勵(lì)光源受到諧振頻率的調(diào)制,那么加熱過(guò)程將周期地變化。根據(jù)氣體熱力學(xué)定律,周期性的溫度變化將產(chǎn)生同周期的壓力信號(hào)。假設(shè)這種躍遷-弛豫過(guò)程處于非飽和狀態(tài),光聲腔為圓柱形結(jié)構(gòu),光強(qiáng)度的調(diào)制頻率等于光聲腔的某一階諧振頻率j,則光聲信號(hào)可以表示為,光聲信號(hào)Aj(j)和氣體的濃度成唯一確定的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)Aj(j)就可以測(cè)量氣體的分子濃度N。,（1）,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,激勵(lì)光源選用染料激光器 光聲腔選用White型結(jié)構(gòu)，圖2所示 三

3、個(gè)凹面反光鏡M1,M2和M3的曲率半徑都等于鏡間距,即腔長(zhǎng)L。多次反射的光束分布在兩個(gè)平面上,這兩個(gè)平面在M1,M2上相交,在M3上略微分開(kāi)。光束對(duì)稱(chēng)于軸線且相互靠近,在腔內(nèi)反射幾十次。反射鏡鍍金,反射率達(dá)到95%,腔內(nèi)有效光強(qiáng)是入射光的20倍 傳感光源用激光二極管,一種基于光聲光譜技術(shù)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(chǎn)生徑向應(yīng)變。光聲腔和光纖的受力是軸對(duì)稱(chēng)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。,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,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)光聲腔的

4、應(yīng)力分布為正應(yīng)力r和環(huán)應(yīng)力,徑向位移 ur；光纖的應(yīng)力分布為正應(yīng)力r和環(huán)應(yīng)力,徑向位移ur。它們滿(mǎn)足的邊界條件為： 根據(jù)這些邊界條件可以求出光纖的應(yīng)力表達(dá)式,（2）,一種基于光聲光譜技術(shù)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(yīng)變條件下,（4）,（3）,聯(lián)立方程14即可得到 相位差與光聲信號(hào)的關(guān)系,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,實(shí)驗(yàn),選擇 SO2為實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)選為302 nm（ SO2 對(duì)此波長(zhǎng)的光譜有極大的 吸收），光束被斬波器調(diào)制為光聲腔的第一諧振頻率1

5、,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,結(jié)果,一種基于光聲光譜技術(shù)的光纖氣體傳感器,影響檢測(cè)靈敏度的因素主要有 （1）光聲腔中光功率吸收情況。實(shí)驗(yàn)表明,光聲腔中的有效吸收長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好,但光束的傳輸方向還應(yīng)該和光聲信號(hào)的簡(jiǎn)正模式保持垂直; （2）傳感光纖的長(zhǎng)度。光纖纏繞在光聲腔上,可以增長(zhǎng)光纖的有效長(zhǎng)度,有效地提高檢測(cè)靈敏度。 結(jié)論：理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光纖光聲方法對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量具有靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng),線性好的特點(diǎn)。尤其是在光吸收非常弱,透射信號(hào)幾乎不衰減時(shí),這種方法更是有效的檢測(cè)手段。,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測(cè),該實(shí)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

6、譜檢測(cè)裝 置研究了光聲信號(hào)與激光功率、乙炔氣體濃度之間的關(guān)系；并借助DFB 激光器的波長(zhǎng)調(diào)制特性，研究了乙炔分子在近紅外區(qū)第一泛音帶1.5m 附近的光聲光譜。,光聲池縱剖圖,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測(cè),近紅外區(qū)第一泛音帶1.5m附近乙炔分子的光聲光譜,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2031.5oC 范圍內(nèi)，以0.05oC為步長(zhǎng)掃描得到濃度為997.8L/L的乙炔氣體光聲光譜，兩條吸收譜線的相應(yīng)的激光輻射波長(zhǎng)為1520.58nm、1520.08nm。 （b）它與根據(jù)HITRAN2004 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到，吸收譜線中心波數(shù)分別為1520.

7、57nm、1520.09nm,光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間的關(guān)系,將標(biāo)準(zhǔn)濃度為810 L/L的 C2H2 標(biāo)準(zhǔn)氣體，緩慢流過(guò)光聲池；調(diào)節(jié)并保持?jǐn)夭ㄆ鞯臄夭l率為一階縱向共振頻率實(shí)測(cè)值1442 Hz；調(diào)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(hào)，得到圖7 所示光聲信號(hào)與激光功率的關(guān)系曲線。需要注意的是，在調(diào)節(jié)輸出功率時(shí)會(huì)使激光器的輻射波長(zhǎng)偏離C2H2的特征吸收譜線1520. 09 nm，因此，必須對(duì)激光器的輻射波長(zhǎng)進(jìn)行校正：將輸出功率設(shè)為期望值后，微調(diào)激光器的工作溫度，當(dāng)光聲信號(hào)出現(xiàn)最大值時(shí)，可以斷定激光器波長(zhǎng)被調(diào)回至1520. 09 nm 。,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲

8、光譜檢測(cè),光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間的關(guān)系,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測(cè),由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)激光器輸出功率為314 mW時(shí)，光聲信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬和優(yōu)度 R2 =0.9987。由于光聲效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)闅怏w分子無(wú)輻射弛豫將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?氣體濃度一定時(shí)，可被激發(fā)的氣體分子數(shù)有限，因此，當(dāng)激光輸出功率增大到一定數(shù)值時(shí)，光聲信號(hào)的變化將不再隨功率線性增大，而是呈現(xiàn)飽和。,光聲信號(hào)與激光頻率和乙炔濃度之間的關(guān)系,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測(cè),實(shí)驗(yàn)室采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，用高純氮稀釋?zhuān)蓪?shí)現(xiàn)對(duì)不同低濃度C2H2 標(biāo)準(zhǔn)氣體的制

9、備。調(diào)節(jié)激光器電流為45.30 mA，功率為13.7mW，并調(diào)節(jié)激光器溫控電阻，使其輻射波長(zhǎng)為1520.09 nm;調(diào)節(jié)并保持?jǐn)夭ㄆ鞯臄夭l率為1442 Hz；,大氣壓0.1 MPa；設(shè)置鎖相放大器的積分時(shí)間為1 s；然后對(duì)不同低濃度 C2H2 氣體的光聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示：光聲信號(hào)與C2H2 濃度遵循線性關(guān)系，用一元線性回歸方法擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬和優(yōu)度為R2=0.9971,基于半導(dǎo)體激光器的乙炔氣體光聲光譜檢測(cè),結(jié)論,（1）利用DFB半導(dǎo)體激光器的窄線寬及其波長(zhǎng)調(diào)諧特性，研究了乙炔分子在室溫26oC、壓強(qiáng)0. 1 MPa下近紅外第一泛音帶1.5m 附近的光聲光譜，它與根據(jù)HI-

10、TRAN2004數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算得到的乙炔分子的紅外光譜在廓線外形和中心波長(zhǎng)上是一致的。 （2）研究了光聲信號(hào)與激光功率、乙炔氣體濃度之間的關(guān)系，實(shí)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、氣體濃度之間遵循線性關(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)對(duì)乙烯等果蔬氣體檢測(cè)的研究前景,隨著人們對(duì)光聲光譜技術(shù)的研究探索，研究領(lǐng)域和研究對(duì)象也在不斷拓寬，但對(duì)果蔬散發(fā)的乙烯等微量氣體檢測(cè)的研究在國(guó)內(nèi)外還未完全展開(kāi)。 然而，果蔬要達(dá)到優(yōu)良食用品質(zhì)必須具有一定的成熟度。比如乙烯可以用來(lái)催熟，通過(guò)抑制乙烯的生成，在貯藏運(yùn)輸中可以延緩果蔬的成熟。所以探討果蔬成熟過(guò)程中散發(fā)氣體生成和規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，不僅對(duì)揭示果蔬生長(zhǎng)發(fā)育、成熟衰老本質(zhì)有重要意義，而且也是提高果品質(zhì)量、增進(jìn)作物采收效率和改善采后技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵?？紤]到現(xiàn)有果蔬檢測(cè)方法的缺陷，比如：檢測(cè)設(shè)備差、檢測(cè)靈敏度低、檢測(cè)步驟繁瑣等，一種快速、安全、可靠、有效的檢測(cè)手段的提出頗為重要。,光聲光譜技術(shù)對(duì)乙烯等果蔬氣體檢測(cè)的研究前景,結(jié)合以上我們對(duì)光聲光譜技術(shù)的了解，不難發(fā)現(xiàn)，鑒于光聲光譜技術(shù)對(duì)多種微量氣體具有