光声光谱测试原理

光声光谱测试原理

理论基础：光声效应

A.G. 贝尔于1880年最早发现了固体光声效应，1881年又与J. 庭德尔和W.K.伦琴相继发现气体和液体的光声效应。

气体光声效应是由气体分子吸收电磁辐射（如红外辐射等）所致。气体分子按其特征吸收频率吸收一定量电磁辐射后导致气体温度上升，部分能量随即以释放热能方式退激，并导致气体及周围介质产生压力波动。若将气体置于密闭容器内，气体的温度变化则产生成比例的压力波。

如采用脉冲光源，则密封气体产生的压力波与脉冲光源频率一致，可采用高灵敏微音传感器和压电陶瓷传声器检测到该周期性压力波动。虽然该现象可被重复验证，但仍需进行两方面调整才能使其真正用于实际检测。

首先是需要确定每种气体特定的分子吸收光谱，从而可对红外光源进行波长调制使其能够激发某一特定气体分子；其次则是确定气体吸收能量后退激产生的压力波强度与气体浓度间的比例关系。

因而，通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度，就不仅可验证各种气体的存在，并可进一步确定其浓度。甚至对某些混合物或化合物也可做出定性、定量分析，而这也正是应用光声光谱技术的特点。

从理论上讲，光声光谱仪可采用衍射光栅或干涉效应产生的具有连续波长的光脉冲对样品进行扫描。但对于油中溶解气体分析而言，由于仅需检测几种已知化合物，而采用一系列透射波长一定的滤光片进行分光则是一种有效的做法。

故障气体的分子红外吸收光谱（图1）虽然存在不同化合物分子特征谱线交叠重合的现象，但通过进一步研究，可选择相对独立的特征频谱区域以满足检测各类气体化合物的要求，从而也从根本上消除了检测过程中不同气体间发生干扰的问题。

图 1. 几种故障气体的分子红外吸收光谱图

光声光谱应用于油中溶解气体检测

对于光声光谱检测装置（见图2）来说，光源通过抛物面反射镜聚焦后成为入射光。以恒定速率转动的调制盘对入射光首先实现频率调制，随后由一组滤光片实现分光，各滤光片仅允许透过某一特定波长的红外线，其对应于光声室内某特定气体分子的吸收波长。

经波长调制的红外线进入光声室后以调制频率反复激发某特定气体分子，被激发的气体分子通过辐射或非辐射的方式回到基态。对于非辐射驰豫过程，体系能量转化为分子动能并引起气体温度局部升高，而导致密闭光声室内产生周期性机械压力波，并由微音器进行检测。由于压力波频率由调制频率决定，而其强度则仅与特征气体的体积份数有关。因而建立气体体积份数与压力波强度的定量关系，即可准确计量光声室中各气体组分的浓度。

图 2. 光声光谱检测装置原理简图

切换不同滤光片，重复以上过程则可检测出光声室内所有特征气体及其浓度。

由于光声光谱技术测量光声室内气体吸收光能的大小，故光的反射、散射等特性对测量干扰很小。尤其在对弱吸收样品以及低体积份数样品的测量中，尽管吸收很弱，但由于不需要与入射光强度进行比较，因而仍然可以获得很好的灵敏度