新型共振石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)研究.pdf

1、石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)(Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)是一種最近幾年新發(fā)展起來的吸收光譜技術(shù)。相比于傳統(tǒng)基于微音器的共振光聲光譜技術(shù)而言，它具有高靈敏度、高選擇性、結(jié)構(gòu)簡單、體積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制過程和醫(yī)療診斷等高精度痕量氣體檢測場合。
　　目前的QEPAS技術(shù)主要包括同軸聲波增強(qiáng)和離軸聲波增強(qiáng)兩種增強(qiáng)方式。同軸QEPAS技術(shù)具有

2、較高的靈敏度，但系統(tǒng)對(duì)激光光束質(zhì)量要求高;離軸QEPAS降低了對(duì)激光光束的質(zhì)量要求，但其靈敏度相對(duì)較低。這些因素都一定程度上限制了QEPAS的廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)不同應(yīng)用場合提出的新型共振QEPAS技術(shù)在離軸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了聲波的多次共振，在降低激光光束質(zhì)量要求的同時(shí)提高了檢測靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中有著更好的發(fā)展前景。
　　論文以光聲光譜技術(shù)的理論分析為基礎(chǔ)，詳細(xì)講述了新型共振QEPAS中測聲器(Spectrophone)的模型建立

3、和設(shè)計(jì)優(yōu)化;以測聲器為基礎(chǔ)搭建了QEPAS系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行了研究;針對(duì)搭建的QEPAS系統(tǒng)受環(huán)境的影響做了詳細(xì)分析和研究;最后研究了新型QEPAS系統(tǒng)在痕量氣體檢測場合的應(yīng)用。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下:
　　(1)光聲光譜技術(shù)理論分析。從紅外吸收光譜理論出發(fā)，研究了光聲效應(yīng)的產(chǎn)生過程和光聲信號(hào)的檢測方式。以二能級(jí)分子系統(tǒng)為例，深入分析了氣體分子的光-熱轉(zhuǎn)換和熱-聲激發(fā)的物理過程。通過對(duì)聲波波動(dòng)方程的邊界條件進(jìn)行約束求解，

4、得到光聲共振增強(qiáng)后聲壓模式和振幅的表達(dá)式。最后對(duì)波長調(diào)制和解調(diào)進(jìn)行了理論介紹。
　　(2)新型共振石英增強(qiáng)光聲光譜測聲器設(shè)計(jì)和優(yōu)化。根據(jù)石英增強(qiáng)光聲光譜原理，簡要介紹了傳統(tǒng)QEPAS的優(yōu)缺點(diǎn);對(duì)傳統(tǒng)的QEPAS光聲測聲器各部分進(jìn)行建模，通過仿真分析了其存在的能量泄露問題;提出了雙管同側(cè)離軸測聲器、雙管異側(cè)離軸測聲器、雙管支側(cè)離軸測聲器、橢圓腔共振測聲器和石英諧波增強(qiáng)測聲器五種構(gòu)型用于不同的應(yīng)用場合。對(duì)每種構(gòu)型進(jìn)行了理論計(jì)算、有限元

5、分析和參數(shù)優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證了理論和仿真的正確性。
　　(3)新型共振QEPAS系統(tǒng)搭建與特性研究。針對(duì)上述提出的前四種光聲測聲器，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)系統(tǒng)的各模塊設(shè)計(jì)、工作模式進(jìn)行了詳細(xì)介紹;分析了系統(tǒng)中調(diào)制深度、光功率以及頻率分辨率對(duì)系統(tǒng)的影響。
　　(4)新型共振QEPAS系統(tǒng)的影響因素分析。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究了外界環(huán)境包括溫度、壓力和濕度對(duì)QEPAS系統(tǒng)的影響。對(duì)音叉的背景光噪聲進(jìn)行了分析計(jì)算并介紹

6、了兩種噪聲抑制方法。提高了系統(tǒng)對(duì)外界抗干擾性，提高了實(shí)際應(yīng)用可靠性。
　　(5)新型共振QEPAS用于痕量氣體檢測應(yīng)用。針對(duì)變電站絕緣氣體SF6分解產(chǎn)物檢測，以近紅外激光器為激發(fā)光源，分別采用提出的四種測聲器組成新型共振QEPAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)痕量H2S氣體的高精度檢測。針對(duì)多組分氣體檢測場合，采用雙激光器實(shí)現(xiàn)激光雙通道QEPAS，完成對(duì)NH3、H2S和CO氣體的高精度實(shí)時(shí)在線檢測。
　　該研究為實(shí)現(xiàn)低成本、小體積、高靈敏度氣