光聲光譜技術應用于環(huán)境監(jiān)測和電力系統(tǒng)的研究
發(fā)布時間：2021-01-21 17:55
基于光聲光譜技術的痕量氣體傳感器,以其探測靈敏度高、氣體選擇性好、結構簡單緊湊、體積小和成本低等優(yōu)勢,在大氣環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)過程控制、無創(chuàng)醫(yī)療診斷等領域有重要的應用價值。本文利用光聲光譜技術所擁有的零背景噪聲、無波長選擇性和光聲信號幅值正比于激勵光功率等特性,并圍繞大氣環(huán)境污染氣體的探測和電力系統(tǒng)中電氣設備的安全監(jiān)測,設計研究了多款高性能的光聲氣體傳感器。并結合共振式光聲池和音叉式石英晶振作為聲學傳感器,獲得了如下創(chuàng)新型研究成果:1、根據(jù)聲學諧振腔理論知識,設計了雙通道的差分結構光聲池。使用兩個形狀體積完全一致的光聲共振腔配合差分電路,消除了由氣體流速、窗口吸收以及外部電磁干擾引起的噪聲干擾,提高了光聲傳感器的探測信噪比�？梢栽诓辉黾託怏w流速噪聲的情況下,將光聲傳感器工作在高氣體流速的狀態(tài)下,以消除在高功率激勵光源下可能存在的飽和吸收效應,減弱NH3和SO2等氣體的粘性效應,同時提高傳感器的響應時間;2、基于設計的差分結構光聲池,利用光聲光譜技術無波長選擇性的特點,分別采用從紫外到可見光、近紅外以及中紅外等多種波長的激勵光源,實現(xiàn)了對大氣中二氧...
【文章來源】：山西大學山西省
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
波長調制技術的直接吸收光譜傳感器示意圖
光聲光譜技術應用于環(huán)境監(jiān)測和電力系統(tǒng)的研究12氣體中不包含目標氣體時，就不存在以上幾種能量信息，即測量的信號為零。這樣一旦氣室中存在微量的目標氣體就會產(chǎn)生信號，在一個無背景干擾的基礎上測量一個小信號就是間接吸收光譜技術的一個獨特優(yōu)勢。在實際的測量過程中，由于環(huán)境噪聲等多種因素的存在，該技術零背景噪聲的特性可能會受到影響。例如激光誘導熒光氣體傳感器是通過氣體產(chǎn)生的熒光來探測氣體濃度的，但是環(huán)境中雜散光的影響會干擾該技術的探測靈敏度。因此需要在傳感器的探測元器件等方面發(fā)展新型靈敏的技術來壓低背景噪聲，提高信號，從而獲取高靈敏度的氣體傳感器。光聲光譜是間接吸收光譜技術中一種很重要的氣體傳感器。如圖1.3所示，光聲光譜氣體傳感技術可以分為幾個重要步驟：待測的氣體分子或原子在吸收對應波長的激光能量后，會從分子的基態(tài)吸收能量躍遷到激發(fā)態(tài)；然后通過分子碰撞（無輻射躍遷）重新回到基態(tài)并將分子的內能耗散，這個過程中會使局部分空間內氣體的溫度升高，氣體的體積也會因此膨脹。圖1.3光聲光譜光聲效應產(chǎn)生步驟流程圖如果激光器的波長偏離了氣體的吸收線或者光線被遮擋，氣體的體積就停止膨脹。因此假如采用波長調制的形式，以一定的頻率調制激光的波長，會導致氣
第一章緒論13體的體積也以相同的頻率膨脹和收縮，氣體的壓強會以周期性的規(guī)律進行變化，從而形成了周期性的聲波。同樣地，若采用光學斬波器來對激光光束進行強度調制時，也會產(chǎn)生同樣頻率的聲波能量。聲波的能量與氣體的濃度、激光器的功率等相關因素成正比例關系，通過采用高靈敏度的麥克風來收取聲波的能量，就可以通過麥克風的電流大小來衡量聲波能量的大小，從而反推出氣體的濃度信息，這就是光聲光譜技術的基本原理。如圖1.4是一種常見的光聲光譜氣體傳感器原理圖，采用波長調制方法。從圖1.4可以看出，與圖1.2中直接吸收光譜技術最大的區(qū)別是，該技術不直接測量光強信息，而是采用間接檢測聲波信號。圖1.4基于波長調制技術的光聲光譜傳感器示意圖光聲光譜傳感器的靈敏度主要是由探測光聲信號的聲學傳聲器決定的。在光聲光譜技術中，一般采用麥克風（電容、電壓式和新型薄膜型），懸臂梁或音叉形狀式的石英晶振（以下簡稱為音叉）來將聲波信號轉變?yōu)殡娏餍盘柕摹５窃诓捎霉饴暪庾V技術時，由于氣體分子吸收激光能量后產(chǎn)生的聲波信號一般比較弱，因此若直接采用聲學傳聲器來探測聲波信號，其產(chǎn)生的電流信號也會很低，從而影響傳感器的探測靈敏度。因此，在聲波信號被探測時，通常會采用聲學諧振腔來對聲波信號進行放大。在傳統(tǒng)光聲光譜傳感器中，在聲學諧振腔內會通入待測氣體，并將一個高靈敏的麥克風放置在聲學腔中，一般麥克風的體積相對腔的體積比較小，這樣麥克風不會改變聲學腔的共振模式。因為聲學諧振腔也充當了氣室的作用，因此又稱為光聲池。隨著聲學領域的發(fā)展推動，針對不同的應用背景，通過理論模擬設計和實驗驗證，多種形狀體積等結構不同的光聲池已被報道。在
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于電學調制相消法和高功率藍光LD的離軸石英增強光聲光譜NO2傳感器設計和優(yōu)化[J]. 尹旭坤,鄭華丹,董磊,武紅鵬,劉小利,馬維光,張雷,尹王保,賈鎖堂. 物理學報. 2015(13)
本文編號：2991632
【文章來源】：山西大學山西省
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
波長調制技術的直接吸收光譜傳感器示意圖
光聲光譜技術應用于環(huán)境監(jiān)測和電力系統(tǒng)的研究12氣體中不包含目標氣體時，就不存在以上幾種能量信息，即測量的信號為零。這樣一旦氣室中存在微量的目標氣體就會產(chǎn)生信號，在一個無背景干擾的基礎上測量一個小信號就是間接吸收光譜技術的一個獨特優(yōu)勢。在實際的測量過程中，由于環(huán)境噪聲等多種因素的存在，該技術零背景噪聲的特性可能會受到影響。例如激光誘導熒光氣體傳感器是通過氣體產(chǎn)生的熒光來探測氣體濃度的，但是環(huán)境中雜散光的影響會干擾該技術的探測靈敏度。因此需要在傳感器的探測元器件等方面發(fā)展新型靈敏的技術來壓低背景噪聲，提高信號，從而獲取高靈敏度的氣體傳感器。光聲光譜是間接吸收光譜技術中一種很重要的氣體傳感器。如圖1.3所示，光聲光譜氣體傳感技術可以分為幾個重要步驟：待測的氣體分子或原子在吸收對應波長的激光能量后，會從分子的基態(tài)吸收能量躍遷到激發(fā)態(tài)；然后通過分子碰撞（無輻射躍遷）重新回到基態(tài)并將分子的內能耗散，這個過程中會使局部分空間內氣體的溫度升高，氣體的體積也會因此膨脹。圖1.3光聲光譜光聲效應產(chǎn)生步驟流程圖如果激光器的波長偏離了氣體的吸收線或者光線被遮擋，氣體的體積就停止膨脹。因此假如采用波長調制的形式，以一定的頻率調制激光的波長，會導致氣
第一章緒論13體的體積也以相同的頻率膨脹和收縮，氣體的壓強會以周期性的規(guī)律進行變化，從而形成了周期性的聲波。同樣地，若采用光學斬波器來對激光光束進行強度調制時，也會產(chǎn)生同樣頻率的聲波能量。聲波的能量與氣體的濃度、激光器的功率等相關因素成正比例關系，通過采用高靈敏度的麥克風來收取聲波的能量，就可以通過麥克風的電流大小來衡量聲波能量的大小，從而反推出氣體的濃度信息，這就是光聲光譜技術的基本原理。如圖1.4是一種常見的光聲光譜氣體傳感器原理圖，采用波長調制方法。從圖1.4可以看出，與圖1.2中直接吸收光譜技術最大的區(qū)別是，該技術不直接測量光強信息，而是采用間接檢測聲波信號。圖1.4基于波長調制技術的光聲光譜傳感器示意圖光聲光譜傳感器的靈敏度主要是由探測光聲信號的聲學傳聲器決定的。在光聲光譜技術中，一般采用麥克風（電容、電壓式和新型薄膜型），懸臂梁或音叉形狀式的石英晶振（以下簡稱為音叉）來將聲波信號轉變?yōu)殡娏餍盘柕摹５窃诓捎霉饴暪庾V技術時，由于氣體分子吸收激光能量后產(chǎn)生的聲波信號一般比較弱，因此若直接采用聲學傳聲器來探測聲波信號，其產(chǎn)生的電流信號也會很低，從而影響傳感器的探測靈敏度。因此，在聲波信號被探測時，通常會采用聲學諧振腔來對聲波信號進行放大。在傳統(tǒng)光聲光譜傳感器中，在聲學諧振腔內會通入待測氣體，并將一個高靈敏的麥克風放置在聲學腔中，一般麥克風的體積相對腔的體積比較小，這樣麥克風不會改變聲學腔的共振模式。因為聲學諧振腔也充當了氣室的作用，因此又稱為光聲池。隨著聲學領域的發(fā)展推動，針對不同的應用背景，通過理論模擬設計和實驗驗證，多種形狀體積等結構不同的光聲池已被報道。在
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于電學調制相消法和高功率藍光LD的離軸石英增強光聲光譜NO2傳感器設計和優(yōu)化[J]. 尹旭坤,鄭華丹,董磊,武紅鵬,劉小利,馬維光,張雷,尹王保,賈鎖堂. 物理學報. 2015(13)
本文編號：2991632
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