光声光谱技术的应用

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1、光声光谱技术的应用1610210518史柯楠主要内容（一）光声光谱技术原理简介（二）光声光谱技术的应用（三）国内外研究现状（四）光声光谱技术的展望原理简介当用经过斩波器以一定频率调制的光照射放在密闭容器里的样品时，容器内能产生与斩波器同频率的声波，这一现象称为光声效应。当样品时气体或液体时，样品本身就是压力介质；样品为固体时，与固体接触的气体成为固体的压力介质，由于调制光的频率一般位于声频范围内，因此压力涨落就转化成为声波。光声光谱技术是一种理想的无背景噪声信号技术，具有较高灵敏度和良好选择性。与传统光谱分析方法不同，光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式

2、表现出来的那部分能量，即使在高反射弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。与其它气体检测方法相比较，光声光谱技术的主要优点是：1）长期稳定性好、灵敏度高；2）不消耗气样，如载气、标气；3）检测时间短，便于现场检测；4）适于多种气体成分的检测；5）系统结构简单。固体分析1）无机样品由于有些无机样品的溶解度很低，难以获得可见光区和紫外光区的吸收光谱，而利用光声光谱技术则能方便的获取这类物质的吸光信息。2）表层分析用光声光谱技术可以研究晶体、金属、半导体甚至绝缘体表面的吸附机理、吸附类型及吸附化合物的结构。3）聚合物和半导体分析光声光谱技术还能用于高分子聚合物和半导体材料的研究

3、，如研究高分子聚合物的热解过程和热解产物；研究半导体材料在室温条件下直接带和间接带的跃迁，在低温条件下研究它们的精细结构，以及研究杂质和掺杂剂及其效应等。液体分析液体光声光谱法有很高的灵敏度，已成功地用于溶液中的痕量分析。Oda等用光声光谱法测定悬浮物，检测限和线性范围均优于浊度法，说明光声信号受悬浮物颗粒大小的影响较小。Kitamori等利用氩离子激光器作光源测定含聚苯乙烯粒子的悬浊水样，从理论和实验上证实，利用光声信号的位相解析可以测定水中微小粒子的粒径。用激光光声探针还可测定聚集态物质的溶液。气体分析光声光谱技术用于气体分析比较成熟。密闭在光声池中的气体分子吸收特定

4、频率ν的入射光后由基态E0跃迁至激发态E1，两能级间的能量差为E1-E0=hν。受激分子与周围气体分子相碰撞，由激发态返回至基态，并将吸收的光能通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子间的平移动能，具体表现为气体温度升高，即加热。当入射光强度受到频率ω的调制时，加热过程将产生周期性变化。根据气体热力学定律，周期性温度变化产生同周期压力波动，即声波，此声波可通过安装在光声池上的微音器或压电陶瓷传声器检测，并将其转换成电信号，即光声信号，该信号的产生过程称为光声效应。光声信号的大小与气体浓度成正比，通过检测该信号值便可得到被测气体的浓度。能级跃迁所需能量不同，故需不同波长电磁辐射使其

5、跃迁，即在不同光谱区出现吸收谱带。电子能级跃迁对应吸收光谱在紫外区和可见光区；原子振动能级跃迁对应于近红外区和中红外区；分子转动能级跃迁对应于远红外区和微波区。应用光声光谱法检测气体浓度主要利用分子红外光谱。红外光谱由原子振动和分子转动产生，故红外光谱又称为分子的振转光谱。气体光声检测系统原理图气体光声检测的基本原理是光声效应。光源发出特定频率ν的单色光，经角频率为ω的斩波器进行强度调制后，入射进入光声池。池内被测气体吸收光能后，发生光声效应，即产生与调制频率同周期的声波，由传声器接收到此信号并将其送至信号处理系统进行处理。光声池内激发的光声信号由安装在池壁的微音器检测到

6、，转化为相应的电信号，并将其送入信号处理系统进行信号处理。微音器的工作原理简图如下图所示:可知：光源功率强度、光声池结构、微音器共同决定了光声信号的检测灵敏度。光声光谱气体检测系统总体设计光声光谱气体检测系统结构简图数字信号处理器DSP(TMS320F2812)对红外光源进行脉冲调制，激发出周期性发射的红外光，后经凹面镜和透镜的汇聚作用，变为平行光出射。在与被测气体作用前，宽谱带的激发光需先经滤光片的选择，使得只有被测气体吸收峰波段的光透过。此时的出射光平分为A、B两束，其中光束A在入射至光声池前先通过样品池，池内待测气体吸收其中部分光能，剩余部分则继续入射至光声池，但仅

7、能进入第一节空穴内；而光束B自滤光片出射后直接入射至光声池，且可到达最后一节空穴。激发的光声信号由安装在光声池颈部的微音器测得，后经锁相放大器进行初步噪声抑制及放大作用，由TMS320F2812片上ADC进行信号的模数转换，采集到内核，通过其内部设定的算法等相关程序作用，最后将运算结果送入显示、声光报警、通讯等外部设备。灵敏度：2002年荷兰Nijmegen大学的光声光谱小组利用光参量振荡器搭建的光声光谱系统将乙烷的检测灵敏度提高到10×10-12水平。直到1995年，对NO2和CH4浓度进行光声检测，最低浓度极限分别达到37