新型共振石英增強光聲光譜技術研究.pdf

1、石英增強光聲光譜技術(Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)是一種最近幾年新發(fā)展起來的吸收光譜技術。相比于傳統(tǒng)基于微音器的共振光聲光譜技術而言，它具有高靈敏度、高選擇性、結構簡單、體積小和成本低等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制過程和醫(yī)療診斷等高精度痕量氣體檢測場合。
　　目前的QEPAS技術主要包括同軸聲波增強和離軸聲波增強兩種增強方式。同軸QEPAS技術具有

2、較高的靈敏度，但系統(tǒng)對激光光束質量要求高;離軸QEPAS降低了對激光光束的質量要求，但其靈敏度相對較低。這些因素都一定程度上限制了QEPAS的廣泛應用。本文針對不同應用場合提出的新型共振QEPAS技術在離軸結構的基礎上實現(xiàn)了聲波的多次共振，在降低激光光束質量要求的同時提高了檢測靈敏度，在實際應用中有著更好的發(fā)展前景。
　　論文以光聲光譜技術的理論分析為基礎，詳細講述了新型共振QEPAS中測聲器(Spectrophone)的模型建立

3、和設計優(yōu)化;以測聲器為基礎搭建了QEPAS系統(tǒng)并對系統(tǒng)特性進行了研究;針對搭建的QEPAS系統(tǒng)受環(huán)境的影響做了詳細分析和研究;最后研究了新型QEPAS系統(tǒng)在痕量氣體檢測場合的應用。主要的研究內容和創(chuàng)新點歸納如下:
　　(1)光聲光譜技術理論分析。從紅外吸收光譜理論出發(fā)，研究了光聲效應的產(chǎn)生過程和光聲信號的檢測方式。以二能級分子系統(tǒng)為例，深入分析了氣體分子的光-熱轉換和熱-聲激發(fā)的物理過程。通過對聲波波動方程的邊界條件進行約束求解，

4、得到光聲共振增強后聲壓模式和振幅的表達式。最后對波長調制和解調進行了理論介紹。
　　(2)新型共振石英增強光聲光譜測聲器設計和優(yōu)化。根據(jù)石英增強光聲光譜原理，簡要介紹了傳統(tǒng)QEPAS的優(yōu)缺點;對傳統(tǒng)的QEPAS光聲測聲器各部分進行建模，通過仿真分析了其存在的能量泄露問題;提出了雙管同側離軸測聲器、雙管異側離軸測聲器、雙管支側離軸測聲器、橢圓腔共振測聲器和石英諧波增強測聲器五種構型用于不同的應用場合。對每種構型進行了理論計算、有限元

5、分析和參數(shù)優(yōu)化，通過實驗方法進一步驗證了理論和仿真的正確性。
　　(3)新型共振QEPAS系統(tǒng)搭建與特性研究。針對上述提出的前四種光聲測聲器，搭建實驗系統(tǒng)進行實驗分析。對系統(tǒng)的各模塊設計、工作模式進行了詳細介紹;分析了系統(tǒng)中調制深度、光功率以及頻率分辨率對系統(tǒng)的影響。
　　(4)新型共振QEPAS系統(tǒng)的影響因素分析。結合理論和實驗研究了外界環(huán)境包括溫度、壓力和濕度對QEPAS系統(tǒng)的影響。對音叉的背景光噪聲進行了分析計算并介紹

6、了兩種噪聲抑制方法。提高了系統(tǒng)對外界抗干擾性，提高了實際應用可靠性。
　　(5)新型共振QEPAS用于痕量氣體檢測應用。針對變電站絕緣氣體SF6分解產(chǎn)物檢測，以近紅外激光器為激發(fā)光源，分別采用提出的四種測聲器組成新型共振QEPAS系統(tǒng)實現(xiàn)了對痕量H2S氣體的高精度檢測。針對多組分氣體檢測場合，采用雙激光器實現(xiàn)激光雙通道QEPAS，完成對NH3、H2S和CO氣體的高精度實時在線檢測。
　　該研究為實現(xiàn)低成本、小體積、高靈敏度氣