光声光谱技术在气体检测中的应用课件

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ω1一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器结果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1520.57nm、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，当光声信号出现最大值时，可以断定激光器波长被调回至1520.09nm。基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测光声信号与激光频率和乙炔浓度之间的关系基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测实验室采用计算机自动配气系统，用高纯氮稀释，可实现对不同低浓度C2H2标准气体的制备。调节激光器电流为45.30mA，功率为13.7mW，并调节激光器温控电阻，使其辐射波长为1520.09nm;调节并保持斩波器的斩波频率为1442Hz；大气压0.1MPa；设置锁相放大器的积分时间为1s；然后对不同低浓度C2H2

气体的光声信号进行测量，实验结果如图8所示：光声信号与C2H2

浓度遵循线性关系，用一元线性回归方法拟和实验结果，拟和优度为R2=0.9971基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测结论（1）利用DFB半导体激光器的窄线宽及其波长调谐特性，研究了乙炔分子在室温26oC、压强0.1MPa下近红外第一泛音带1.5μm附近的光声光谱，它与根据HI-TRAN2004数据库计算得到的乙炔分子的红外光谱在廓线外形和中心波长上是一致的。（2）研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系，实验表明，在未发生气体吸收饱和效应下，光声信号与激光功率、气体浓度之间遵循线性关系，光声信号随激光功率和气体浓度增大而线性增大。光声光谱技术对乙烯等果蔬气体检测的研究前景随着人们对光声光谱技术的研究探索，研究领域和研究对象也在不断拓宽，但对果蔬散发的乙烯等微量气体检测的研究在国内外还未完全展开。然而，果蔬要达到优良食用品质必须具有一定的成熟度。比如乙烯可以用来催熟，通过抑制乙烯的生成，在贮藏运输中可以延缓果蔬的成熟。所以探讨果蔬成熟过程中散发气体生成和规律，进而进行调节控制，不仅对揭示果蔬生长发育、成熟衰老本质有重要意义，而且也是提