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1、光声光谱技术在气体检测中的应用回双双6121203002主要内容光声光谱气体检测原理一种基于光声光谱法的光纤气体传感器基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测光声光谱技术对乙烯等果蔬气体检测的研究前景光声光谱气体检测原理光声光谱气体检测原理是利用气体吸收一强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。激光光束经斩波器调制后，入射到装有样品气体的密封光声池中。根据分子光谱理论，每种气体有着自己特定的吸收波谱，通过选择调制光源的波长，从而使得只有某种特定气体产生较大吸收光声光谱气体检测原理当气体吸收频率为ν的光子后,部分气体分子会从基态E0跃迁到激发态E1。处于激发态的分子与处
2、于基态的同类分子相碰撞,吸收的能量经无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能,即加热。如果气体密闭于光声腔中,激励光源受到谐振频率ω的调制,那么加热过程将周期地变化。根据气体热力学定律,周期性的温度变化将产生同周期的压力信号。假设这种跃迁-弛豫过程处于非饱和状态,光声腔为圆柱形结构,光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频率ωj,则光声信号可以表示为光声信号Aj(ωj)和气体的浓度成唯一确定的关系，通过检测Aj(ωj)就可以测量气体的分子浓度N。（1）一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器激励光源选用染料激光器光声腔选用White型结构，图2
3、所示三个凹面反光镜M1,M2和M3的曲率半径都等于镜间距,即腔长L。多次反射的光束分布在两个平面上,这两个平面在M1,M2上相交,在M3上略微分开。光束对称于轴线且相互靠近,在腔内反射几十次。反射镜镀金,反射率达到95%,腔内有效光强是入射光的20倍传感光源用激光二极管一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器光波的相位变化主要由于光声腔的直径变化使缠绕在其上的光纤产生径向应变。光声腔和光纤的受力是轴对称的,所以可以在垂直光声腔轴线的截面上取出一圆环,圆环高度为光纤的直径,如图3所示。一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器其中内圆为光声腔，直径为2d，厚度为t；外圆为光纤，直径为2a。
4、设光声腔的应力分布为正应力σ’r和环应力σ’θ,径向位移u’r；光纤的应力分布为正应力σr和环应力σθ,径向位移ur。它们满足的边界条件为：根据这些边界条件可以求出光纤的应力表达式（2）一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器r的取值范围为：分别为光声腔材料和光纤材料的弹性系数和泊松比在平面应变条件下（4）（3）联立方程1~4即可得到相位差与光声信号的关系一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器实验选择SO2为实验气体（Ar气为缓冲气体），在光声腔中得到不同浓度的SO2气体染料激光器的输出波长选为302nm（SO2对此波长的光谱有极大的吸收），光束被斩波器调制为光声腔的第一谐振频率ω1
5、一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器结果一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器影响检测灵敏度的因素主要有（1）光声腔中光功率吸收情况。实验表明,光声腔中的有效吸收长度越长越好,但光束的传输方向还应该和光声信号的简正模式保持垂直;（2）传感光纤的长度。光纤缠绕在光声腔上,可以增长光纤的有效长度,有效地提高检测灵敏度。结论：理论分析和实验结果表明,光纤光声方法对气体浓度进行测量具有灵敏度高,抗干扰能力强,线性好的特点。尤其是在光吸收非常弱,透射信号几乎不衰减时,这种方法更是有效的检测手段。基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测该实验基于分布反馈（DBF）半导体激光器建构了气体光声光谱
6、检测装置研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系；并借助DFB激光器的波长调制特性，研究了乙炔分子在近红外区第一泛音带1.5μm附近的光声光谱。光声池纵剖图基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测近红外区第一泛音带1.5μm附近乙炔分子的光声光谱图6室温26oC、压强0.1MPa：（a）——激光注入电流60mA激光器工作温度20~31.5oC范围内，以0.05oC为步长扫描得到浓度为997.8μL/L的乙炔气体光声光谱，两条吸收谱线的相应的激光辐射波长为1520.58nm、1520.08nm。（b）——它与根据HITRAN2004数据库计算得到，吸收谱线中心波数分别为15
7、20.57nm、1520.09nm光声信号与激光频率和乙炔浓度之间的关系将标准浓度为810μL/L的C2H2标准气体，缓慢流过光声池；调节并保持斩波器的斩波频率为一阶纵向共振频率实测值1442Hz；调节DFB激光器的输出功率，并记录激光器不同功率下的光声信号，得到图7所示光声信号与激光功率的关系曲线。需要注意的是，在调节输出功率时会使激光器的辐射波长偏离C2H2的特征吸收谱线1520.09nm，因此，必须对激光器的辐射波长进行校正：将输出功率设为期望值后，微调激光器的工作温度，当光声信号出现
