1、光声光谱技术在气体检测中的应用回双双6121203002主要内容l 光声光谱气体检测原理l 一种基于光声光谱法的光纤气体传感器l 基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测l 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l 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光声光谱气体检测原理l 当气体吸收频率为的光子后,部分气体分子会从基态E0跃迁到激发态E1。处于激发态的分
2、子与处于基态的同类分子相碰撞,吸收的能量经无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能,即加热。如果气体密闭于光声腔中,激励光源受到谐振频率的调制,那么加热过程将周期地变化。根据气体热力学定律,周期性的温度变化将产生同周期的压力信号。假设这种跃迁-弛豫过程处于非饱和状态,光声腔为圆柱形结构,光强度的调制频率等于光声腔的某一阶谐振频率j,则光声信号可以表示为 *1,nrjjjjjjjVNA EQAPr I rdVV光声信号Aj(j)和气体的浓度成唯一确定的关系，通过检测Aj(j)就可以测量气体的分子浓度N。（1）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l 激励光源选
3、用染料激光器l 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l 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l 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l 其中内圆为光声腔，
4、直径为2d，厚度为t；外圆为光纤，直径为2a。设光声腔的应力分布为正应力r和环应力,径向位移 ur；光纤的应力分布为正应力r和环应力,径向位移ur。它们满足的边界条件为：根据这些边界条件可以求出光纤的应力表达式,rrrrrdd td td td tpuu22222 111 21rjjdtnrAdtnnd（2）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：,dt dta1,1KnKKK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211rK2012111112nk lnpplaa2122211,14214mmaaama（4）（3）联立方程14即可得到相位差与光声信号的关系一
5、种基于光声光谱技术的光纤气体传感器l 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302 nm（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1一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器l 结果一种基于光声光谱技术的光纤气体传感器l 影响检测灵敏度的因素主要有（1）光声腔中光功率吸收情况。实验表明,光声腔中的有效吸收长度越长越好,但光束的传输方向还应该和光声信号的简正模式保持垂直;（2）传感光纤的长度。光纤缠绕在光声腔上,可以增长光纤的有效长度,有效地提高检测灵敏度。结论：理论分析和实验结果表明,光纤光声
6、方法对气体浓度进行测量具有灵敏度高,抗干扰能力强,线性好的特点。尤其是在光吸收非常弱,透射信号几乎不衰减时,这种方法更是有效的检测手段。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1.5m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l 近红外区第一泛音带1.5m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2031.5oC 范围内，以0.05o
7、C为步长扫描得到浓度为997.8L/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、1520.09nml 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810 L/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1442 Hz；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
8、线1520.09 nm，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1520.09 nm。基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测l 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 由图7 可见，当激光器输出功率为314 mW时，光声信号随激光功率以线性规律变化，用一元线性回归方法拟和实验结果，拟和优度 R2=0.9987。由于光声效应的产生是因为气体分子无辐射弛豫将吸收的光能转变为热能，气体浓度一定时，可被激发的气体分子数有限，因此，当激光输出功率增大到一定数值时，光声信号的
9、变化将不再随功率线性增大，而是呈现饱和。l 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45.30 mA，功率为13.7mW，并调节激光器温控电阻，使其辐射波长为1520.09 nm;调节并保持斩波器的斩波频率为1442 Hz；大气压0.1 MPa；设置锁相放大器的积分时间为1 s；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
10、体激光器的乙炔气体光声光谱检测l 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0.1 MPa下近红外第一泛音带1.5m 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l 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
11、气体检测的研究在国内外还未完全展开。l 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，而且也是提高果品质量、增进作物采收效率和改善采后技术的一个关键。考虑到现有果蔬检测方法的缺陷，比如：检测设备差、检测灵敏度低、检测步骤繁琐等，一种快速、安全、可靠、有效的检测手段的提出颇为重要。光声光谱技术对乙烯等果蔬气体检测的研究前景l 结合以上我们对光声光谱技术的了解，不难发现，鉴于光声光谱技术对多种微量气体具有极高的检测灵敏度，使得对单个植物或水果中释放的乙烯等微量气体进行无侵入地、连续的检测成为可能，具有非常乐观的应用前景。光声光谱技术对果蔬散发微量气体的检测不仅能提供大量植物采后胜利和胁迫胜利学方面的重要信息，还可进一步为果实或植物的储存和成长提供实验依据，具有重要的科学意义。
