高靈敏光聲光譜檢測技術及系統研究
發(fā)布時間：2021-11-19 16:05
隨著科學技術的發(fā)展以及社會進步的需求,對電力系統變壓器油中溶解氣體檢測以及軍事上的有毒氣體檢測等應用場合對傳統的氣體檢測技術提出了更高的要求,快速即時,小型高靈敏,微量多成份檢測成為氣體檢測系統的一個發(fā)展趨勢。光聲光譜檢測技術（PAS）是一種傳統的高靈敏光學檢測技術,該方法主要基于樣品的光聲效應間接反映樣品特性,如樣品濃度以及成分組成。其系統檢測靈敏度主要依賴于聲傳感器的自身的探測靈敏度和對系統主要噪聲的抑制能力。早期的光聲光譜系統主要是由膜片式麥克風檢測光聲信號,因此而帶來的電學噪聲和信號的非線性使系統整體檢測靈敏度受到一定的限制。近期有學者提出一種新型的光學懸臂梁麥克風,這種聲傳感器的應用使光聲光譜檢測系統的靈敏度大幅提高,但懸臂梁麥克風的抑噪能力卻很少有討論�；诖�,我們提出一種基于差分式扭力梁結合亥姆霍茲光聲池的高靈敏光聲光譜檢測系統。本文主要工作與內容將從以下部分進行介紹:（1）首先深入研究與分析了光聲光譜檢測技術的理論部分,其中研究了光聲光譜檢測技術聲信號產生原理,以及傳統的Helmholtz光聲池和差分式扭力梁的基礎理論;（2）接著通過Comsol仿真軟件利用有限元的分析...
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：72 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
光聲光譜檢測技術原理圖
電子科技大學碩士學位論文6其中光聲池的信噪比（SNR）是其池體本身性能良好的一種體現，同樣也是系統信噪比重要的組成部分。池體的SNR可以通過高的調制頻率（在1kHz以上，可降低1/f噪聲帶來的影響）得到提高。但低頻噪聲帶來的影響卻不及光聲池本身帶來的本底噪聲，這是光聲池信噪比較低的一個重要原因。主要來源是由光窗以及腔體池壁的吸收帶來的相干噪聲，并且這種噪聲與光聲信號混合在一起并不容易將其分開，這不僅限制了光聲池的信噪比，同時也限制了光聲光譜檢測技術的檢測靈敏度。為了降低窗口及池壁帶來的本底噪聲，各國學者紛紛都提出一些新的技術對光聲池進行優(yōu)化。A.Miklós學者于1989提出一種無窗式的開放式的光聲池[29]，這種結構主要是為了抑制作為光聲光譜系統檢測最大的噪聲源之一的窗口噪聲。2008年StareckiT學者提出了一種無窗式的亥姆霍茲光聲池，如圖1-3（a）所示，為了消除窗口的吸收，使用如下圖這種方法，光源須從氣體進出口通過且不能與池壁有所接觸，雖然抑制了部分噪聲，但是這種結構對光源的準直性提出較高的要求，并不容易實現[30]。為了抑制氣體流動及窗口吸收帶來的噪聲，KapitanovVA與RouxelJ等學者提出一種雙管道差分式Helmholtz光聲池[31,32],如圖1-3（b）所示，這種光聲池針對于流動氣體進行檢測。國內眾多學者同樣通過有限元仿真分析與實驗相結合的方式來優(yōu)化設計亥姆霍茲光聲池[33,34]，研究了幾何結構與壓力溫度等環(huán)境因素對池體特征參數的影響，為設計更高靈敏的光聲池提供了重要的參考內容。（a）（b）圖1-3光聲池類型：（a）無窗式亥姆霍茲光聲池[30]；（b）差分式Helmholtz光聲池[32]。1.2.2.3聲傳感器的研究背景聲學傳感器的檢測靈敏度對光聲光譜檢測系統的檢測靈敏度起到至關重要的
第二章光聲光譜檢測技術原理及理論研究13光源調制為正弦波時，池內的壓力變化p則可用“歸一聲模jp的傅里葉變換，則可表述為（2-10）：2222(1)()p(r,)iH(r,)+=（2-10）(,)()()jjjpr=Apr（2-11）式（2-11）可理解為當對于某一角頻率，池內的聲場p(r,)是由多種聲壓分布狀態(tài)的疊加。式中的()jprè為聲振動的簡正模式，它有光聲池的幾何結構決定，它表示光聲池內可以存在的駐波形式，其振幅()jA是與頻率有關。其中()jprè是下述波動方程式（2-12）的解：(22/2)()0jj+pr=（2-12）當求解不規(guī)則形狀的光聲池時，其簡正模式()jpr要使用數值方法來解答，但是對于如圓柱形、球形光聲池規(guī)則形狀的光聲池時，()jprè可表述為十分簡單的形式，因為其聲波截面分布比較規(guī)則，則聲波的聚集區(qū)和空缺區(qū)也是十分規(guī)則。所以大多數諧振腔都設計為方形，球形及圓柱形。一般方形光聲池的聲波衰減情況較其他兩種形狀的光聲池來說比較嚴重，所以研究較少。然而球形光聲池的Q值通常很高，但是加工復雜，且駐波分布形式單調，因此應用范圍較校而圓柱形光聲池是軸對稱結構，可以與準直光束進行匹配，激發(fā)聲場也是軸對稱結構便于分析，且易于加工。圖2-1圓柱形光聲池的理論模型所以以圓柱形光聲池為例，通過求解其內部的簡正模式，來分析圓柱形光聲池的激發(fā)聲場分布情況，可為后續(xù)系統光聲池的設計提供部分理論基矗為此，構建如下一個理論模型，假設圓柱形光聲池的長為cL、截面半徑為cR，分結構的理論
本文編號：3505387
【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：72 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
光聲光譜檢測技術原理圖
電子科技大學碩士學位論文6其中光聲池的信噪比（SNR）是其池體本身性能良好的一種體現，同樣也是系統信噪比重要的組成部分。池體的SNR可以通過高的調制頻率（在1kHz以上，可降低1/f噪聲帶來的影響）得到提高。但低頻噪聲帶來的影響卻不及光聲池本身帶來的本底噪聲，這是光聲池信噪比較低的一個重要原因。主要來源是由光窗以及腔體池壁的吸收帶來的相干噪聲，并且這種噪聲與光聲信號混合在一起并不容易將其分開，這不僅限制了光聲池的信噪比，同時也限制了光聲光譜檢測技術的檢測靈敏度。為了降低窗口及池壁帶來的本底噪聲，各國學者紛紛都提出一些新的技術對光聲池進行優(yōu)化。A.Miklós學者于1989提出一種無窗式的開放式的光聲池[29]，這種結構主要是為了抑制作為光聲光譜系統檢測最大的噪聲源之一的窗口噪聲。2008年StareckiT學者提出了一種無窗式的亥姆霍茲光聲池，如圖1-3（a）所示，為了消除窗口的吸收，使用如下圖這種方法，光源須從氣體進出口通過且不能與池壁有所接觸，雖然抑制了部分噪聲，但是這種結構對光源的準直性提出較高的要求，并不容易實現[30]。為了抑制氣體流動及窗口吸收帶來的噪聲，KapitanovVA與RouxelJ等學者提出一種雙管道差分式Helmholtz光聲池[31,32],如圖1-3（b）所示，這種光聲池針對于流動氣體進行檢測。國內眾多學者同樣通過有限元仿真分析與實驗相結合的方式來優(yōu)化設計亥姆霍茲光聲池[33,34]，研究了幾何結構與壓力溫度等環(huán)境因素對池體特征參數的影響，為設計更高靈敏的光聲池提供了重要的參考內容。（a）（b）圖1-3光聲池類型：（a）無窗式亥姆霍茲光聲池[30]；（b）差分式Helmholtz光聲池[32]。1.2.2.3聲傳感器的研究背景聲學傳感器的檢測靈敏度對光聲光譜檢測系統的檢測靈敏度起到至關重要的
第二章光聲光譜檢測技術原理及理論研究13光源調制為正弦波時，池內的壓力變化p則可用“歸一聲模jp的傅里葉變換，則可表述為（2-10）：2222(1)()p(r,)iH(r,)+=（2-10）(,)()()jjjpr=Apr（2-11）式（2-11）可理解為當對于某一角頻率，池內的聲場p(r,)是由多種聲壓分布狀態(tài)的疊加。式中的()jprè為聲振動的簡正模式，它有光聲池的幾何結構決定，它表示光聲池內可以存在的駐波形式，其振幅()jA是與頻率有關。其中()jprè是下述波動方程式（2-12）的解：(22/2)()0jj+pr=（2-12）當求解不規(guī)則形狀的光聲池時，其簡正模式()jpr要使用數值方法來解答，但是對于如圓柱形、球形光聲池規(guī)則形狀的光聲池時，()jprè可表述為十分簡單的形式，因為其聲波截面分布比較規(guī)則，則聲波的聚集區(qū)和空缺區(qū)也是十分規(guī)則。所以大多數諧振腔都設計為方形，球形及圓柱形。一般方形光聲池的聲波衰減情況較其他兩種形狀的光聲池來說比較嚴重，所以研究較少。然而球形光聲池的Q值通常很高，但是加工復雜，且駐波分布形式單調，因此應用范圍較校而圓柱形光聲池是軸對稱結構，可以與準直光束進行匹配，激發(fā)聲場也是軸對稱結構便于分析，且易于加工。圖2-1圓柱形光聲池的理論模型所以以圓柱形光聲池為例，通過求解其內部的簡正模式，來分析圓柱形光聲池的激發(fā)聲場分布情況，可為后續(xù)系統光聲池的設計提供部分理論基矗為此，構建如下一個理論模型，假設圓柱形光聲池的長為cL、截面半徑為cR，分結構的理論
本文編號：3505387
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/huaxue/3505387.html
教材專著
