利用光聲光譜技術(shù)檢測痕量氣體

1、光聲光譜技術(shù)檢測痕量氣體具有較高的靈敏度和良好的選擇性，選題方向適宜。請盡快確定課題完成方式，完善相關(guān)技術(shù)路線 ，開展課題調(diào)研論證工作。80利用光聲光譜技術(shù)檢測痕量氣體0結(jié)論傳統(tǒng)的氣體檢測技術(shù)通常是基于非光學(xué)的檢測，如氣相色譜法、化學(xué)催化法。 但這些都存在很多問題，為了解決這些問題，又提出了光學(xué)檢測手段，首先提出 的是光譜吸收法，但他對試樣的濃度有很高的要求，而另一種檢測方法則采用的 是光聲光譜技術(shù)。該技術(shù)既不受電磁干擾，也不需要損耗替換檢測物質(zhì)，可以免 疫外界背景噪聲，并且具有較高的靈敏度和良好的選擇性。 因此光聲光譜技術(shù)可 以在微型化，遠程化和普及化的同時實現(xiàn)實時遠程的精確探測，并且非常適

2、合用在很多極端環(huán)境以及針對易燃易爆物質(zhì)的監(jiān)測的條件下。特別是近些年在原本的研究基礎(chǔ)上開始出現(xiàn)使用石英音叉代替原本的麥克風(fēng)共振腔，令光聲光譜技術(shù)在靈敏度和抗環(huán)境噪聲干擾方面提升了一大步。1.光聲光譜技術(shù)的發(fā)展歷史放在密閉容器里的試樣，當用經(jīng)過斬波器調(diào)制的強度以一定頻率周期 變化的光照射時，容器內(nèi)能產(chǎn)生同與斬波器頻率的聲波。這一現(xiàn)象稱為光 聲效應(yīng)。1880年貝爾發(fā)現(xiàn)固體的光聲效應(yīng)，1881年他又和廷德爾和倫琴相繼發(fā)現(xiàn)氣體和液體的光聲效應(yīng)。他們將氣體密封于池子里，用陽光間斷照射 池中樣品，通過接到池上的一個聽筒聽到了某種聲響。20世紀60年代以后，由于微信號檢測技術(shù)的發(fā)展 ，高靈敏微音器和壓電 陶瓷

3、傳聲器的出現(xiàn)，強光源（激光器、氤燈等）的問世，光聲效應(yīng)及其應(yīng) 用的研究又重新活躍起來。將光聲效應(yīng)和光譜技術(shù)結(jié)合起來，就形成了光聲光 譜技術(shù)。光聲光譜技術(shù)在不斷發(fā)展，二氧化碳激光光源紅外光聲光譜儀適用于氣體分析；氤燈紫外-可見光聲光譜儀適用于固體和液體的分析；傅里葉變換光聲光譜儀能對樣品提供豐富的結(jié)構(gòu)信息。光聲喇曼光譜法也在迅速發(fā)展。2光聲光譜光纖傳感器基本原理2.1光聲光譜技術(shù)原理傳統(tǒng)的光聲光譜技術(shù)是利用一個諧振腔，腔中充滿一定壓強的待測混合氣體，采用調(diào)制的激光光源。其工作過程可總結(jié)為如圖2.1所示的四個階段1:1）對入射的激光進行頻率或者幅度調(diào)制，并且要求該激光的光譜范圍覆蓋 被測物理量的特

4、征光譜。2）用調(diào)制后的激光激勵被測氣體分子，使其吸收激光輻射處于激發(fā)態(tài)。3）處于激發(fā)態(tài)的分子之間相互碰撞，又回到基態(tài)，將吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成 周期性的局部升溫，其頻率與調(diào)制頻率相同。4）局部升溫會引發(fā)熱膨脹，使諧振腔振動而產(chǎn)生聲音信號，然后用麥克風(fēng) 監(jiān)測該聲波，并把聲波信號轉(zhuǎn)換成其他課處理的信號。1- absobtiotideactivationexpansion acousticlaser 1* excitation healing 川 micrphone contracion w elvu|_ 圖1光聲光譜作用示意圖2.2石英增強型光聲光譜技術(shù)原理美國奈斯大學(xué)anatoliy a. kost

5、erev教授于2002年提出用石英做音叉2,其 共振頻率通常為32.7khz。使用石英音叉，主要是由于石英音叉自身的壓電特性， 當音叉的兩叉朝相同方向振動時是不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)的，只有兩叉朝相反方向振動時，兩叉才會積累不同量的電荷從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。因此若外界噪聲從遠處傳來時可以認為對兩叉的影響是一樣大的，因此不會產(chǎn)生噪聲導(dǎo)致的壓電效應(yīng)，也就說明石英增強光聲光譜技術(shù)具有對外界噪聲免疫的特性。另外從其他方面來 看，外界環(huán)境噪聲的頻率遠遠低于石英音叉的共振頻率，且石英音叉只在共振頻率附近4hz左右的范圍內(nèi)才處于共振狀態(tài)，因此都可以認為外界噪聲不會影響 石英增強光聲光譜作用的靈敏度。石英增強光聲光譜的原

6、理是當光輻射到位于石英音叉之間的氣體腔中時，氣體會吸收光的輻射能并熱膨脹，從而激勵音叉振動發(fā)聲。若入射光是經(jīng)過調(diào)制的 激光，那么音叉發(fā)出的聲音也是受調(diào)制的。由于石英具有壓電效應(yīng)且損耗很低， 可將音叉的震動轉(zhuǎn)化為電流，通過前置放大電路轉(zhuǎn)化為電壓信號后，可根據(jù)其譜線反推得到吸收氣體的濃度。3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國奈斯大學(xué)a. a. kosterev等提出了基于石英增強型光聲光譜檢測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源，石英音叉作為共振增強器件，對ch4氣體濃度進行檢測，靈敏度達到1.2 10-7cm-1w/hz1/2。石英音叉的q值能 夠達到8000-20000,有利于降低周圍環(huán)境噪聲的

7、影響，是對傳統(tǒng)光聲池的一種突 破。芬蘭 v.koskinen 等3提出了一種基于懸臂梁增強型光聲光譜探測裝置，該系統(tǒng)使用分布反饋式激光二極管作為光源來檢測二氧化碳的濃度， 采用懸臂梁檢測光聲信號，由邁克爾遜干涉儀來檢測懸臂梁的位移量，得到的探測靈敏度為1.7 10-10cm-1w/hz1/2。美國橡樹嶺國家實驗室van neste等4在石英音叉增強型光聲光譜的研究基礎(chǔ)上， 提出了一種基于懸臂梁的光熱光譜遠距離爆炸物探測系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用紅外單色儀作為光源， 照射到位于1 米處的被測爆炸物樣品， 使用微懸臂梁來接收其反射光， 由于光熱效應(yīng)微懸臂梁發(fā)生振動， 通過位置靈敏探測系統(tǒng)拾取到懸臂梁的振動

8、信號，由此解調(diào)出被測爆炸物的吸收光譜。該研究小組分別對tnt 等三種爆炸物樣品進行了檢測，探測極限為 100ng/cm2。大連理工大學(xué)于清旭等5 提出了一種全光式的光聲光譜探測痕量氣體的裝置。 該系統(tǒng)運用可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)， 基于光纖法珀干涉原理制作出一種工作在常溫常壓下的光聲傳感器。 系統(tǒng)使用長光程技術(shù)， 增加吸收程， 從而增加系統(tǒng)的靈敏度， 他們用此裝置實現(xiàn)了在常溫常壓下， 連續(xù)、 實時的檢測乙炔氣體的濃度，在信噪比為 1 的情況下得到最小檢測極限能夠為1.56ppb。2007年華北電力大學(xué)物理系張貴銀等6采用強激光誘導(dǎo) no 分子的多光子的光聲光譜，以nd:yag 激光器抽運的光學(xué)參

9、量發(fā)生 放大器為激勵源，采用脈沖光聲光譜技術(shù)，獲得了 no分子在420.0470.0nm波長區(qū)間的激光誘導(dǎo)光聲光譜，得出光聲技術(shù)對no分子進行探測的最佳波長為452.4nm和429.6nm。2009 年重慶大學(xué)云玉新等7 提出了一種激光共振光聲光譜技術(shù)， 利用分布反饋半導(dǎo)體激光器的窄線寬和可調(diào)諧特性， 測得乙炔分子在近紅外區(qū)第一泛音帶的r(4)、r(5)支光聲光譜，搭建了光聲光譜氣體檢測裝置，利用該裝置對乙烘氣體進行檢測，得到最低體積分數(shù)檢測限約為1.4m0-6。2012 年陳偉根等人在基于光聲光譜檢測原理的基礎(chǔ)之上，利用分布反饋半導(dǎo)體激光器搭建了 co氣體光聲光譜檢測平臺,選才 1.567u

10、m的co分子譜線為研究對象， 實驗發(fā)現(xiàn)， 在氣體吸收未發(fā)生飽和效應(yīng)的條件下， 光聲信號與激光功率、氣體濃度均具有良好的線性關(guān)系。參考文獻1 m.b.pushkarsky, m.e.webber, etc. laser-based photoacoustic ammonia sensors forindustrial applications j.applied physics,2002,75:391-396.2 a.a. kosterev, yu.a. bakhirkin,r.f. curl, f.h.quartz-enhanced photoacousticspectroscopyj.opt

11、ics letters,2002,27(21):1902-19043 v . koskinen, j. fonsen, k. roth, j. kauppinen. cantilever enhanced photoacoustic detectionof carbon dioxide using a tunable diode laser sourcej. applied physics b: lasers and optics. 2007,86(3): 451-454.4 c. w. van neste, l. r. senesac , t. thundat. standoff photoacoustic spectroscopy j. applied physics letters. 2008, 92(23): 234102-1-3.5 qiaoyun wang, jianwei wang, liang li, qingxu y u. an all-optical photoacoustic spectrometer for trace gas detection j. sensors and actuators b: chemical. 2011,153(1): 214-218.6 張貴銀 , 關(guān)榮華 , 靳一東 . 強激光誘導(dǎo)no 分子的多光子