基于光声光谱法的光纤气体传感器研究
基于光声光谱技术的多组分气体检测方法研究的开题报告
基于光声光谱技术的多组分气体检测方法研究的开题报告一、研究背景和目的现代工业和生活中，许多化学气体在生产和排放过程中会对环境和人类健康造成危害。
因此，开发和应用高灵敏、高精度的气体检测技术对于实现环境保护和安全生产至关重要。
传统的气体检测方法如气相色谱法、红外光谱法等常常受到复杂气体组分、精度和成本等方面的限制。
而光声光谱技术具有高显色性、灵敏度高、实时响应等特点，被广泛应用于气体检测领域，并取得了很好的研究成果。
本文旨在研究基于光声光谱技术的多组分气体检测方法，通过对气体分子的振动吸收能谱进行识别和定量分析，实现对不同气体组分的准确检测和识别。
同时，通过优化和改进光声信号检测和数据处理方法，提高检测灵敏度和精度，并实现对复杂气体体系中单一成分及各种混合气体的检测。
二、研究内容和方法1. 气体分子振动吸收谱分析运用光声光谱技术对气体分子的振动吸收能谱进行分析，探究不同气体分子的吸收特点和规律，建立气体分子振动吸收谱库；2. 光声信号检测和数据处理方法研究基于脉冲光声信号检测系统，实现对各种气体分子振动吸收信号的高灵敏度和高精度检测，并建立相应的光声信号处理算法和数据分析模型；3. 气体多组分检测算法研究针对复杂气体体系中多种气体分子的相互影响和干扰，研究基于核磁共振和机器学习等方法的气体多组分检测算法，实现对混合气体中各组分的准确识别和定量分析；4. 实验验证和应用研究基于自主设计的光声光谱检测系统，利用研究所建立的气体分子振动吸收谱库和多组分检测算法，进行气体检测实验验证，并在环境污染和安全生产等领域进行应用研究。
三、预期成果本研究计划通过探究基于光声光谱技术的多组分气体检测方法，建立气体分子振动吸收谱库和多组分检测算法，提高气体检测的灵敏度和准确性，并实现对复杂气体体系中不同气体分子的准确检测和识别。
预期成果如下：1. 建立包括常见污染气体在内的气体分子振动吸收谱库；2. 开发可实现高灵敏度、高精度气体检测的光声光谱检测系统；3. 开发气体多组分检测算法，实现对气体组分的准确识别和定量分析；4. 实现对不同气体组分的准确检测和准确识别，并在环境保护和安全生产等领域进行应用。
基于光纤传感技术的气体检测方法研究
基于光纤传感技术的气体检测方法研究随着社会科技、工业生产和人口增长的发展，地球的环境问题已经引起我们的广泛关注。
其中，空气污染是现代生活中最普遍和最严重的问题之一。
为了保护环境和人类健康，我们需要准确、快速和可靠地监测大气污染物的浓度。
光纤传感技术是近年来应用于气体检测的一种新兴技术，它具有高灵敏度、高精度、高可靠性和高稳定性等优点，在大气污染监测、工业生产安全等方面具有广泛的应用前景。
一、光纤传感技术的原理和分类光纤传感技术是一种基于光学原理的传感技术。
它利用光纤传输光信号来实现物理、化学量的测量和监测。
光纤传感器分为有线光纤传感器和无线光纤传感器两类，其中有线光纤传感器分为两种基本类型：光纤波导型和光纤干涉型。
光纤波导型传感器基于光波在光纤波导中的传输进行测量。
当光纤波导中介质发生变化时，会改变光的传播速度和传播路径，从而改变传感器的光学性能。
光纤干涉型传感器则利用光干涉原理测量光纤信号，该传感器可以测量光强、相位、频率、波长等各种光学参数，具有极高的精度和灵敏度。
二、基于光纤传感技术的气体检测方法1. 光纤吸收传感技术这种技术利用大气污染物对光波长的吸收特性进行检测，通过测量光传输过程中的光强度变化，可以确定污染物的浓度。
该技术应用广泛，涵盖大气、水质、医学和工业等领域，目前已被用于监测NOx、SO2、O3等污染物。
2. 光纤拉曼散射传感技术该技术利用拉曼散射原理测量气体的浓度。
当激光照射到气体中时，气体分子的振动和旋转会使光子发生散射，生成拉曼光谱，其强度正比于气体浓度。
该技术精度高、响应速度快、可靠性强，已经广泛应用于空气质量监测、工业生产安全等领域。
3. 光纤偏振传感技术该技术利用光纤偏振器（Fiber Polirizer）检测气体浓度。
当气体分子与光线相互作用时，其偏振方向会发生改变，光纤的传输性能也会随之改变，通过检测光纤的透射强度和偏振方向的变化，可确定气体浓度。
三、光纤传感技术的应用前景光纤传感技术具有灵敏度高、精度高、响应速度快、环境适应性好等突出特点，在空气污染监测、工业生产安全、生物医学领域等方面都有广泛的应用前景。
基于光纤激光器和光声光谱的气体检测
基于光纤激光器和光声光谱的气体检测
利用激光光谱技术对气体浓度检测,在工业过程控制,环境污染监测,医疗诊断领域中近年来获得了关注。
能够匹配气体吸收线的激光光源是一个关键因素。
光纤激光器在激光吸收光谱领域越来越多的被使用,因为它们有很宽的可调波长范围能够覆盖很多种气体的吸收峰。
本文讨论了基于光纤激光器技术用于气体检测的三种方法。
利用压电陶瓷控制FBG的可调谐激光器,实现了波长调制技术。
同时利用气室和M-Z干涉仪的组合实现了主动滤波的功能,可以用于主动锁定气体吸收峰的光源的实现。
两种方法都用于了实际检测气体浓度值的测量中。
另外我们根据实验中观测到的波长漂移现象,利用气体作为带阻滤波器和一个带通滤波器组合得到了用于实现可调双波长的滤波器。
光声光谱技术正在广泛的应用于微量气体检测的领域,基于石英音叉的光声光谱技术有助于提高传统光声光谱技术的探测灵敏度和效率,因而受到越来越多的关注。
对于音叉谐振频率部分,通过具体实验测量,着重研究汞蒸气浓度与音叉谐振频率的相互作用。
光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇
光声光谱微量气体检测技术及其应用研究共3篇光声光谱微量气体检测技术及其应用研究1光声光谱微量气体检测技术及其应用研究在各种工业生产和科学研究中，微量气体检测技术变得越来越重要。
然而，传统的检测方法通常需要大型仪器和昂贵的操作费用，这极大地限制了其实际应用。
光声光谱技术因其快速，准确，非侵入性和高灵敏度而备受关注，尤其是在微量气体检测中的应用。
本文将阐述光声光谱技术的原理及其应用研究成果。
光声光谱技术简介光声光谱技术是一种新兴的检测技术，结合了光学和声学的优势，通过激光光束的吸收和散射声波的检测来实现气体分子的检测。
当一束激光穿过待测气体时，光子会和气体分子发生相互作用，产生吸收的效应，从而激发声波信号。
检测的声波信号可以被转化为数值信号分析和研究。
由于气体分子的吸收光谱与其分子构型和化学组成有关，因此，可以通过测量吸收光谱的波长和强度来鉴定待测气体分子，进而实现其检测。
光声光谱技术的应用大气环境监测：空气中存在的微量气体成分是影响大气环境质量的重要因素。
传统的大气环境监测方法通常需要收集样品后带回实验室进行分析，无法实现在线监测。
而光声光谱技术可以在现场对空气中的微量气体，如二氧化碳和甲醛等进行在线监测。
韩国科技大学研究发现，利用光声光谱技术可以在空气中检测到ppm级别的甲醛浓度，这与传统的红外吸收光谱相比具有更高的检测灵敏度。
生物医学检测：在生物医学领域，研究人员一直在寻找一种高灵敏度、快速、非侵入性检测微量分子的方法。
光声光谱技术可以通过检测人体呼出气体中携带的微量气体，如一氧化氮和碳氢化合物等，来辅助疾病诊断。
研究人员利用光声光谱技术检测呼出气体中的一氧化氮和乙醇等，可以实现对肝癌和乳腺癌的早期诊断。
食品安全检测：光声光谱技术也可以用于食品安全检测。
例如，在辣椒果实中，甲醛、乙醛和丙酮等有毒化学物质的含量可能会超过安全标准。
研究人员可以利用光声光谱技术检测出这些化学物质，以确保食品的安全性。
基于光纤传感器的气体检测技术研究
基于光纤传感器的气体检测技术研究近年来，气体检测技术在工业生产、环境保护和安全防护等领域发挥着重要作用。
随着光纤传感器技术的不断发展，基于光纤传感器的气体检测技术逐渐崭露头角。
本文将就基于光纤传感器的气体检测技术的原理、应用和发展趋势进行详细探讨。
一、基于光纤传感器的气体检测技术原理基于光纤传感器的气体检测技术是利用光纤作为传感器的感知元件，通过测量光的传输特性来检测气体浓度的一种技术。
其中，最常用且最简单的是基于吸附效应的光纤传感器。
这种传感器通过在光纤表面吸附目标气体，改变光纤的传输特性，从而实现对气体浓度的检测。
二、基于光纤传感器的气体检测技术应用1. 工业生产领域基于光纤传感器的气体检测技术在工业生产领域广泛应用，如化学工业、石油化工、电力等行业。
这种技术可以实时监测和控制空气中有害气体的浓度，提前发现潜在的危险，确保生产环境的安全。
2. 环境保护领域光纤传感器的气体检测技术也在环境保护领域起到重要作用。
例如，对于大气中的空气污染物，可以使用光纤传感器检测其浓度变化，实时监测环境质量，为环境治理和改善提供科学依据。
3. 安全防护领域基于光纤传感器的气体检测技术在安全防护领域应用广泛。
例如，在煤矿等有爆炸危险的地方，可以利用光纤传感器实时监测瓦斯等有害气体的浓度，及时预警并采取措施保障矿工的生命安全。
三、基于光纤传感器的气体检测技术的发展趋势1. 多元化检测未来，基于光纤传感器的气体检测技术将朝着多元化方向发展。
不仅可以检测单一气体的浓度，还可以同时检测多种气体的浓度，并实现对气体组分的精确分析。
2. 远程监测随着通信技术的进步，基于光纤传感器的气体检测技术将不再局限于局域网内的监测，而是可以实现远程监测。
通过互联网技术，可以远程接入光纤传感器，实时监测目标气体浓度，提高监测的灵活性和实用性。
3. 快速响应基于光纤传感器的气体检测技术在实时性上仍有提升空间。
未来，随着传感器技术的进步，传感器将变得更加灵敏，能够更快速地响应气体浓度的变化，提高检测的准确性和可靠性。
基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器的研究
基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器的研究光纤气体传感器是一种能够实时监测气体浓度的传感器，可以广泛应用于环境监测、工业安全等领域。
其中，基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器是一种专用于监测硫化氢气体浓度的传感器。
本文将介绍光纤硫化氢气体传感器的工作原理、特点以及当前的研究进展。
光纤硫化氢气体传感器的工作原理是利用硫化氢分子对特定波长的电磁波的吸收，从而实现对硫化氢浓度的测量。
该传感器主要由光源、光纤、样品室和光谱仪等组成。
光源发出特定波长的光，经过光纤传输到样品室中，与被测气体发生相互作用，然后通过光纤传回光谱仪进行光强度的测量，进而得到硫化氢气体的浓度信息。
光纤硫化氢气体传感器具有许多特点，包括高灵敏度、快速响应、低功耗、抗干扰能力强等。
首先，该传感器能够在较低的硫化氢浓度范围内实现高灵敏度的测量，可以检测到非常微弱的硫化氢气体信号。
其次，由于光纤传输速度快，传感器的响应速度也会更快，能够实时监测硫化氢气体的变化。
此外，光纤硫化氢气体传感器工作时功耗较低，适合长时间在线监测。
最后，该传感器还具有抗干扰能力强的特点，能够准确测量硫化氢浓度而不受其他气体的影响。
目前，光纤硫化氢气体传感器的研究已经取得了一些进展。
研究人员通过改变光纤的材料、结构以及光纤与样品室之间的相互作用方式，提高了传感器的灵敏度和稳定性。
例如，研究人员制备了一种多模光纤传感器，通过选择合适的纤芯直径来使其与硫化氢气体发生有效的相互作用，从而提高了传感器的灵敏度。
另外，一些研究还探索了基于光纤布拉格光栅结构的传感器，该结构能够增强光与硫化氢气体的相互作用，提高传感器的灵敏度和选择性。
总之，基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器是一种高灵敏度、快速响应、低功耗、抗干扰能力强的气体传感器。
随着研究的不断深入，光纤硫化氢气体传感器的性能将进一步提高，其在环境监测、工业安全等领域中的应用前景将更加广阔。
利用光声光谱技术检测痕量气体
光声光谱技术检测痕量气体具有较高的灵敏度和良好的选择性，选题方向适宜。
请尽快确定课题完成方式，完善相关技术路线，开展课题调研论证工作。
80利用光声光谱技术检测痕量气体0.绪论传统的气体检测技术通常是基于非光学的检测，如气相色谱法、化学催化法。
但这些都存在很多问题，为了解决这些问题，又提出了光学检测手段，首先提出的是光谱吸收法，但他对试样的浓度有很高的要求，而另一种检测方法则采用的是光声光谱技术。
该技术既不受电磁干扰，也不需要损耗替换检测物质，可以免疫外界背景噪声，并且具有较高的灵敏度和良好的选择性。
因此光声光谱技术可以在微型化，远程化和普及化的同时实现实时远程的精确探测，并且非常适合用在很多极端环境以及针对易燃易爆物质的监测的条件下。
特别是近些年在原本的研究基础上开始出现使用石英音叉代替原本的麦克风共振腔，令光声光谱技术在灵敏度和抗环境噪声干扰方面提升了一大步。
1.光声光谱技术的发展历史放在密闭容器里的试样，当用经过斩波器调制的强度以一定频率周期变化的光照射时，容器内能产生同与斩波器频率的声波。
这一现象称为光声效应。
1880年贝尔发现固体的光声效应，1881年他又和廷德尔和伦琴相继发现气体和液体的光声效应。
他们将气体密封于池子里，用阳光间断照射池中样品，通过接到池上的一个听筒听到了某种声响。
20世纪60年代以后,由于微信号检测技术的发展,高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的出现，强光源（激光器、氙灯等）的问世，光声效应及其应用的研究又重新活跃起来。
将光声效应和光谱技术结合起来，就形成了光声光谱技术。
光声光谱技术在不断发展，二氧化碳激光光源红外光声光谱仪适用于气体分析;氙灯紫外-可见光声光谱仪适用于固体和液体的分析；傅里叶变换光声光谱仪能对样品提供丰富的结构信息。
光声喇曼光谱法也在迅速发展。
2光声光谱光纤传感器基本原理2.1光声光谱技术原理传统的光声光谱技术是利用一个谐振腔，腔中充满一定压强的待测混合气体，采用调制的激光光源。
光声光谱式甲烷气体传感器的研究
Ｋｅ ｒ ｓ ｐ ｏ ｏ ｃ ｕ ｔ ｐ ｃｒ ｍ；ｍｅ ｈ ｎ ；ｐ ｏ ｏ ｅ ｕ ｔ ａ ｉ ；ｐ ｏｏ ｃ ｕ ｔ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｈ ｔａ ｏ ｓｉ ｓ ｅ ｔ ｃ ｕ ｔａ ｅ ｈ ｔａ ｏ ｓｉ ｃ ｖｔ ｃ ｙ ｈ ｔａ ｏ ｓｉ ｓｇ ａ ｃ ｌ
０ 引 言
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２２ Ｐ １ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ） ９０ ４ －３ ０ ０９ ８ （ ０ ０ ０ －０ ８０ － －
Ｓ ｕ ｎ ｍ ｅ ｈ ｎ ｅ ｏ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ａ ｏ ｔｃ ｓ ｅ ｔ ｕ ｔ ｄｙ ｏ ｔ ａ ｅ ｓ ｎｓ ｒ ｂａ ｅ ｎ ｐ ｏ ｏ ｃ ｕｓｉ ｐ ｃ ｒ ｍ
４ ８
传感 器与微 系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
２１ ０ ０年 第 ２ ９卷 第 ９期
光 声 光 谱 式 甲烷气 体 传 感器 的研 究
付 华 ，翟 波
（ 宁 工 程 技 术 大 学 电气 与控 制 工 程 学 院 ， 宁 葫 芦 岛 １５ ０ ） 辽 辽 ２ １５
１ 光 声 光 谱 技 术 的气 体 检 测 理 论
摘
要 ：根 ， 提出 了一种基 于光声光谱理 论的
甲烷气体检测 的方法 。根据 比尔一 朗伯定律 ， 经过调制的平行光束通过 不同体积 分数的 甲烷 气体时 ， 其光
强将会发生不同程度 的衰减 ， 若衰减后 的光束进入光声腔 ， 将会在光声 腔内产生光声信号 ， 通过测定 光声 信号的幅值来 达到检测 甲烷气体体积分数的 目的。此方 法相对于通常 的光 谱法 ， 增加 了把热能转换 为声 信号的过 程 ， 具有极 高的精确性 和可靠性 ， 为设计高灵敏度瓦斯传感器的研 究提供理论依据 。 关键词 ：光声光谱 ；甲烷 ； 光声腔 ； 光声信号
基于光纤传感技术的气体检测方法研究
基于光纤传感技术的气体检测方法研究光纤传感技术是一种基于光学原理的测量技术，通过将光纤传感器与气体检测结合起来，可以实现对气体的快速、精确的检测。
本文将从光纤传感技术的原理入手，介绍基于光纤传感技术的气体检测方法的研究。
光纤传感技术的原理是利用材料的光学特性实现测量，其中包括光波导、光栅和光纤的折射率等。
在光纤传感器中，抽取了一小段光纤作为传感器，通过将光信号输入光纤，并通过光纤中的折射率变化进行测量。
基于光纤吸附传感器的气体检测方法是通过将吸附剂固定在光纤表面，当目标气体与吸附剂接触时，吸附剂会发生吸附反应，改变光纤传感器的折射率或散射特性，从而实现对目标气体的检测。
该方法可以实现对多种气体的同时检测，并且具有较高的灵敏度和选择性。
例如，利用改性的气敏光纤传感器可以实现对环境中有毒气体的快速、准确检测，具有广泛的应用前景。
基于光纤光谱传感器的气体检测方法是通过光纤中的光波导和光栅结构，实现对目标气体的光谱分析。
光纤光谱传感器可以通过光纤的拉曼散射、布拉格光栅、腔内吸收和波导吸收等方式实现。
该方法具有高分辨率、高灵敏度和快速响应等特点，可以实现对气体成份和浓度的准确检测。
例如，利用光纤布拉格光栅传感器可以实现对甲烷气体的浓度检测，具有较高的灵敏度和选择性。
在光纤传感技术的气体检测方法研究中，还有一些其他的关键问题需要解决。
例如，如何提高光纤传感器的灵敏度和选择性，如何优化光纤传感器的结构和制备工艺，如何实现多参数的同时检测等。
这些问题的解决将进一步推动光纤传感技术在气体检测领域的应用。
综上所述，基于光纤传感技术的气体检测方法具有快速、精确、灵敏度高和选择性好等优点，可以广泛应用于环境监测、工业生产和生命科学等领域。
随着光纤传感技术和气体检测技术的不断发展，相信基于光纤传感技术的气体检测方法将在未来得到更加广泛的应用和研究。
基于光声光谱法气体探测传声器的研究进展
（ｃｏ ｌｆ ｈｓ ｓ ｎ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｈｎ ｚｏ ｎｖｒ ｔ Ｚ ｅｇｈ ｕ４ ０ ０ ，ｈ ａ Ｓｈ ｏ Ｐ ｙ ｉ ｄ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｚ ｅｇｈ ｕＵ ｉ ｓｙ ｈｎ ｚｏ ５ ０ １ ｉ ） ｏ ｃａ ｅ ｎ ｅ ｉ， Ｃ ｎ
Ａ ｓｒｃ： ｈ ｔａｏ ｓｃｓｅｔ ｓｏ ｙ （ＡＳ ａ ｔ ｆ ｄ ａｔｇ ｓ ｏ ｘ ｍｐｅ ｉ ｅ ｓ ｉｉ ，ｉｈ ｂ ｔａ ｔ Ｐ ｏｏ ｃｕｔ ｐ ｃ ｏｃｐ Ｐ ）ｈ ｓ ｌ ｖ ｎａ ｅ， ｒ ａ ｌ， ｇ ｓｎ ｉｖｔ ｈｇ ｉ ｒ ａｏ ｏ ａ ｆ ｅ ｈ ｈ ｔ ｙ
ｉｇｓｓ ｍ ．ｈ ａｉｐｉｃ ｌ ｆ ｃ ｐ ｏ ｅ ａｅ ｈ ｔａｏ ｓｃ ｐｃ ｏｃｐ （ＡＳ ｇ ｓ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｓ ｎｉ ｅ ｏ ｒ ｈ ｎ ｓｄ ｏｏｃｕｔ ｅｔ ｓｏ ｙ Ｐ ） ａ ｔ ｔ ｎａ ｙｅ ｂ ｃ ｒ ｐ ｓ ｍｉ ｏ ｂ ｐ ｉｓ ｒ ｄｅｉ ｎ
ｉ ｕｓｒ ｎ ｇ ｉｕ ｔ ｒ ，ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｌｍｏ ｔ ｒｎ ｂ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｔ ｅ ｅ ｄ ． ｅｐｅ ｐ ｅｈａ ｅ ｎ ａ － ｎｄ ｔｙ ａ ｄ ａ ｒｃ ｌｕ ｅ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎａ ｎｉ ｉｇ，ｉ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｎｄｏ ｈ ｒｆ ｌ ｓＴｈ ｏ ｌ ｓｂ ｅ ｃ ｏ ｉ
基 于 光声 光谱 法气 体 探 测 传声 器 研 究 进 展
刘小玲 ，罗荣辉 ，张 操 ，郭小伟
（ 州大学物理工程学院 ，郑州 ４ ０ ０ ） 郑 ｌ ５０ １
摘
要 ：光声 光谱法 气体探 测技 术具 有灵敏 度 高、 选择性 高、不消耗被 测量 气体 等优 点 ，在现代
工 农 业 、环 境 监 测 、 生 物技 术 等领 域 发挥 着 重 要 的 作 用 。 随 着 这 些 领 域 的 发展 ，人 们 对 气体 探 测
全光纤声光调制和声表面波气体传感器的研究的开题报告
全光纤声光调制和声表面波气体传感器的研究的开题报告标题：全光纤声光调制和声表面波气体传感器的研究一、项目背景声光调制器是在光纤通信系统中实现信号调制的一种关键器件，其将电信号转化成光信号，并对光信号进行调制，实现光信号的编解码和调制，以满足不同速率和格式的数据传输需求。
声表面波气体传感器则是一种基于声表面波传播特性的气体传感器，其具有接口简单、体积小、灵敏度和准确度高等优点，被广泛应用于环境监测、危险气体检测、医疗诊断和工业生产等领域。
然而，传统的声光调制器和声表面波气体传感器都存在一些问题，如压电晶体的频带受限、灵敏度不高等，限制了其在实际应用中的性能表现。
因此，全光纤声光调制器和声表面波气体传感器成为了近年来的研究热点。
全光纤声光调制器采用光纤材料作为传播介质，通过声光效应实现信号调制，具有高带宽、低损耗和抗电磁干扰等优点，是一种非常有潜力的新型声光调制器。
声表面波气体传感器则通过声表面波在气体中传播的变化来检测气体成分和浓度，与传统压电晶体相比，其具有更广的频带、更高的灵敏度，能够实现长距离高精度的气体检测。
二、研究目的本研究旨在研究全光纤声光调制器和声表面波气体传感器的基本原理、设计方法和性能评估方法，探讨其在实际应用中的潜力和发展前景，为相关领域的研究提供参考和借鉴。
三、研究内容和方法1. 全光纤声光调制器的原理和设计方法研究通过对声光调制器的原理和特性进行分析和研究，探讨全光纤声光调制器的基本结构和设计方法，优化器件的性能和指标。
2. 基于声表面波的气体传感器的原理和性能评估研究重点研究声表面波在气体中传播的特性和应变变化规律，探讨传感器的结构设计和信号处理方法，分析其灵敏度、选择性和稳定性等性能指标。
3. 实验验证和分析研究通过实验验证和性能测试，评估全光纤声光调制器和声表面波气体传感器的实际性能表现，分析其优势和不足之处，并提出优化建议。
四、预期成果和意义本研究将深入探讨全光纤声光调制器和声表面波气体传感器的基本原理和性能特点，研究其在实际应用中的潜力和发展前景，具有一定的理论和实践价值。
光声光谱气体传感技术研究进展
第４０卷第６期２０１９年１１月应㊀用㊀光㊀学J o u r n a l o fA p p l i e dO p t i c s V o l ．４０N o ．６N o v ２０１９文章编号:１００２Ｇ２０８２(２０１９)０６Ｇ１１５２Ｇ０８收稿日期:２０１９Ｇ０６Ｇ１７;㊀修回日期:２０１９Ｇ０７Ｇ１１基金项目:国家自然科学基金面上项目(４１４７５０２３,６１７７５２２１)作者简介:曹渊(１９９４－),男,博士研究生,主要从事光声光谱技术在痕量气体与气溶胶测量中的应用研究.E Ｇm a i l :c y０４１３＠m a i l ．u s t c ．e d u ．c n 通信作者:刘锟,E Ｇm a i l :l i u k u n ＠a i o f m．a c ．c n ;张为俊,E Ｇm a i l :w j z h a n g＠a i o f m．a c ．c n 光声光谱气体传感技术研究进展曹㊀渊,解颖超,王瑞峰,刘㊀锟,高晓明,张为俊(中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽合肥２３００３１)摘㊀要:光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分㊁浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支.光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性㊁高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景,信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点.在环境监测㊁工业过程控制与检测㊁医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势.除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱㊁石英音叉谐振增强型光声光谱㊁多通道光声光谱等各具特色的新技术.对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势.关键词:光声光谱;气体传感;激光;吸收;石英音叉;悬臂中图分类号:O ４３３．１;O ４２４㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀D O I :１０．５７６８/J A O ２０１９４０．０６０５００３R e c e n t a d v a n c e s o f p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e s f o r g a s e s s e n s i n gC A O Y u a n ,X I EY i n g c h a o ,WA N G R u i f e n g ,L I U K u n ,G A O X i a o m i n g ,Z H A N G W e i j u n (A n h u i I n s t i t u t e o fO p t i c s a n dF i n eM e c h a n i c s ,C h i n e s eA c a d e m y of S c i e n c e s ,H e f e i ２３００３１,C h i n a )A b s t r a c t :P h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y h a s b e e n a n i m p o r t a n t b r a n c h o f s p e c t r o s c o p y,w h i c h r e f e r s t o ak i n do f s p e c t r a l s e n s i n g t e c h n o l o g y t h a t c o n v e r t s s a m p l e a b s o r b e do p t i c a l e n e r g y i n t o a c o u s t i c d e t e c t i o nw a v et h r o u g h p h o t o a c o u s t i ce f f e c ta n dr e a l i z e sd e t e c t i o no fs a m p l ec o m po s i t i o na n d c o n c e n t r a t i o na n a l y s i sw i t h a c o u s t i c s e n s o r ．I n a d d i t i o n t o h i g h s e l e c t i v i t y a n d h i g h s e n s i t i v i t y o f t h e s p e c t r u ma b s o r p t i o n ,p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y of f e r s s e v e r a l i n t r i n s i c a t t r a c t i v e f e a t u r e s ,i n c l u d i ng s i g n a l o n l y r e l a t e d t os a m p l e l i gh t a b s o r p ti o n ,f r e e f r o ms c a t t e r e d l i g h t ,z e r ob a c k g r o u n d a n ds i g n a l p r o p o r t i o n a lt oo p t i c a l p o w e r ,a s w e l la s m e a s u r e d w i t h w a v e l e n g t h Ｇi n d e p e n d e n t a c o u s t i c t r a n s d u c e r s ．M o r e a n dm o r e a p p l i c a t i o n s h a v e b e e n f o u n d i n t h e f i e l d s o f e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g ,i n d u s t r i a l p r o c e s s c o n t r o l a n dd e t e c t i o n ,m e d i c a l d i a g n o s i s a n dh a z a r d o u s c h e m i c a l s d e t e c t i o ni n n a t i o n a l d e f e n s e ．B e s i d e s t h e t r a d i t i o n a lr e s o n a n t p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y t e c h n o l o g y ,t h e r e h a v eb e e nn e wt e c h n i q u e s s u c ha s c a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ,q u a r t z t u n i n g f o r k e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y a n d m u l t i Ｇc h a n n e l p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ．T h er e c e n ta d v a n c e so f p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y t e c h n i q u e s f o r g a s e ss e n s i n ga r e r e v i e w e d ,a n d t h e i r a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s a n d f u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d s a r e a n a l y z e d ．K e y wo r d s :p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y ;g a ss e n s i n g ;l a s e r ;a b s o r p t i o n ;q u a r t zt u n i n g f o r k ;c a n t i l e v e r应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展引言光声光谱是基于１８８０年A．G．B e l l发现的光声效应的一种光谱技术[１],当处于分子吸收波段的光源照射到样品上时,样品分子吸收光能量而跃迁到激发态,处于激发态的分子通过碰撞弛豫回到基态,同时吸收的光能量转化为分子的内能,并导致分子的局部温度升高.当调制照射到样品分子上的激光时,分子的局部温度就产生周期性的变化,从而产生周期性的压力变化,即声波.用麦克风等声传感器记录声信号随激光波长的关系,就得到了光声光谱信号.光声光谱信号S的数学表达式可简写为S(λ)＝A P(λ) α(λ)(１)式中:A为光声池常数,由所设计的光声池系统决定;P(λ)为激光功率;α(λ)为样品的吸收系数.从式中可以看出光声信号与激光功率和样品吸收系数成比例,与其他因素无关.因此,经过标定的光声系统,通过样品的光声信号即可得知样品的浓度信息.尽管光声效应在１８８０年就已经被发现,但是由于缺乏合适的光源以及声学探测模块,光声光谱技术在此后很长的一段时间发展缓慢,直到上世纪６０年代末才逐渐开始用于气体的分析检测[２Ｇ４],７０年代末开始用于气溶胶的光学吸收测量分析[５].上世纪９０年代开始,随着激光技术㊁弱信号检测技术的快速发展,光声光谱技术也得到了快速的发展.例如中红外波段㊁瓦量级C O,C O２激光器,分布反馈半导体激光器(D F B),量子级联激光器(Q C L),超连续光源,黑体,外腔式量子级联激光器(E CＧQ C L),带间级联激光器(I C L),光学参量振荡器(O P O),激光二极管(L D),T H z等光源均已逐渐应用于光声光谱中,并已开发出各种仪器用于痕量气体分析,气溶胶光学吸收测量,变压器油中溶解气体分析检测等.与其它吸收光谱技术相比,光声光谱有其自身独特的特点.光声光谱探测的是被样品吸收的光能量而不是透射光强,是一种不受光散射影响的零背景光谱技术.光声光谱探测灵敏度与光和样品相互作用程长关系不大,而是和激光功率和样品吸收系数成正比,使用高功率激光可大大提高系统的探测灵敏度,如采用瓦量级的激光光源可实现p p t量级的探测灵敏度.因此,基于光声光谱的传感系统很容易实现系统的便携性,尤其能够在很小的样品容积内实现p p b或p p m 量级的高灵敏度探测.受益于光声信号与光和样品相互作用程长关系不大的特点,光声光谱具有非常宽的线性动态范围,可达１０８.另外,光声光谱技术通过光声效应把样品吸收光谱信号转换成声波探测,探测器(声传感器)不受光波长的限制,同一个光声光谱系统可以实现整个光波段的测量.除此之外,光声光谱还具有可以对任意相(固相㊁气相㊁液相以及气溶胶)进行测量的特点[６Ｇ７],不受物质形态的影响,已广泛用于气相㊁液相㊁固相分析检测和生物组织成像等方面.本文仅限于介绍光声光谱气体检测技术方面的研究进展.１㊀光声光谱气体检测技术１．１㊀传统共振光声光谱技术最初的光声光谱是低频调制,工作于非共振状态,存在环境噪声和低频噪声影响大的问题,信噪比较低,探测灵敏度较低.１９７３年,D e wＧe y[８]等人首次采用声学谐振腔的方法把微弱光声信号在声学谐振腔内共振放大,通过这种声放大器,光声信号的放大因子超过了１００倍,光声光谱技术的探测灵敏度进一步提高,从此诞生了高灵敏的共振光声光谱技术,推动了共振光声光谱技术及其相关理论的发展[９Ｇ１２].目前光声光谱气体传感基本都采用共振光声光谱技术方案.图１是传统共振光声光谱所用的典型的共振光声池,声传感器通常放置在波腹处进行光声信号的探测.为了有效消除同频环境噪声㊁窗口吸收噪声的干扰,常常在声学谐振腔的两端设有缓冲腔.图１㊀典型的传统共振光声池结构F i g．１㊀T y p i c a l s t r u c t u r e o f c o n v e n t i o n a l r e s o n a n tp h o t o a c o u s t i c c e l lG a n g C h e n g等人利用共振光声光谱技术开展了C２H６探测的研究[１３],在１０m s的积分时间下,对C２H６探测的灵敏度为１０p p m,可用于地下天然气管网泄漏检测中天然气管道泄漏和沼气泄３５１１应用光学第４０卷第６期漏的鉴别.近年来,L e iD o n g等人利用传统共振型光声光谱技术开展了S F６分解产物(H２S,C O, S O２)探测研究,可用于S F６绝缘高压电气设备缺陷或故障诊断领域[１４Ｇ１６].当前,传统共振光声光谱技术的发展还呈现出多种技术交叉融合的发展趋势.２０１７年,查申龙等人采用３D打印的一体化小型光声池,结合近红外D F B激光器,开展了C２H２气体共振光声光谱探测,其探测灵敏度达到０．３p p m[１７].Y u f e iM a等人在共振光声光谱中,引入棱镜折返方法,增加了有效光功率,探测灵敏度得到了提升,长时间平均的情况下,对C２H２的探测灵敏度可达６００p p t[１８].Q i a n g W a n g等人利用光纤环形激光器,开展了内腔共振光声光谱技术研究[１９],对C２H２的探测灵敏度达到了３９０p p b.L u o H a n等人将光声池与H e r r i o t t型多通池结合以增加光声系统的灵敏度,其中激光光源在光声池中可折返１８次[２０].W e iR e n等人结合腔衰荡光谱的光学谐振腔技术,开展了高精细度光腔增强的共振光声光谱技术[２１],有效光功率提高了６３０倍,是当前所有光声光谱气体检测技术中所报道的最高探测灵敏度,其功率归一化的最小可探测等效噪声吸收系数为１．１ˑ１０－１１c m－１W H z－１/２.１．２㊀悬臂增强型光声光谱技术前面所述的传统共振光声光谱基本上都采用麦克风来探测光声信号,麦克风本身的灵敏度已成为限制光声光谱探测灵敏度的一个重要因素,因此研究新型光声信号传感器是光声光谱技术发展的另一个重要方向.２００３年芬兰的K．W i l c kＧe n等人报道了一种新颖的光声光谱技术[２２].他们利用一个悬臂来代替麦克风探测光声信号,从理论和实验上分别证明了这种方法可以得到更高的探测灵敏度,这种光声光谱技术被称为悬臂增强型光声光谱.悬臂增强型光声光谱系统结构如图２所示[２３].在悬臂增强型光声光谱中,光声效应产生的声波使悬臂产生位移,悬臂的位移量通过一个微型迈克尔逊干涉仪来测量,最后通过悬臂的位移量来表征光声信号.由于悬臂的一端固定而另一端悬空,因此其对声压的灵敏度远远高于四周固定的麦克风薄膜.悬臂增强型光声光谱的探测灵敏度高达１．４ˑ１０－１０c m－１W H z－１/２[２４].２０１８年,M i c h a lD o s t a l等人利用悬臂增强型光声光谱技术结合量子级联激光器,开展了对生物质燃烧产生的样品:H C O O H,C H３C N,C H３O H, C H３C O C H３,C O２和N２O的测量研究[２５].T o mＧm iM i k k o n e n等人报道了基于中红外超连续光源的悬臂增强光声光谱技术[２６].T e e m u T o m b e r g 等人结合高功率㊁窄线宽的中红外连续波O P O与悬臂增强型光声光谱对H F进行了探测,在３２m i n的时间内,噪声等效浓度可达到６５０p p q[２７]．芬兰的G A S E R A公司研发了基于悬臂光声光谱的分析仪,用于分析测量气体㊁有机挥发物等,仪器装置如图３所示.图２㊀悬臂增强型光声光谱探测原理图F i g．２㊀S c h e m a t i c o f c a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y d e t e c t i on图３㊀芬兰G A S E R A公司研发的悬臂增强光声光谱仪F i g．３㊀C a n t i l e v e r e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o m e t e rd e v e l o p e db y F i n n i s hG A S E R A近年来,悬臂光声光谱技术与光纤技术相结合,发展了光纤式悬臂光声光谱技术.２０１８年,K e C h e n等人设计了一种新型的法布里Ｇ珀罗(FＧP)悬臂式麦克风,其位移分辨率可以达到皮米量级[２８],其基本实验装置如图４所示.同时该悬臂式麦克风的信噪比比电容式麦克风高达１０倍以上.２０１９年,K eC h e n等人利用该悬臂式全光纤光声光谱实验装置,开展了对H２S气体探测的研究,其探测灵敏度在１０s的时间内达到３３p p b[２９].最近,K u n L i u等人报道基于压电薄膜的悬臂光声光谱新技术[３０],在这一技术方案中,探测的悬臂采用了具有压电特性的薄膜,光声信号激发悬臂振动时,薄膜悬臂的压电特性直接产生了电信号,不再需要光学干涉仪等设备对其振动进行测量,结构更加简单化,其基本装置如图５所示.１．３㊀石英音叉谐振增强光声光谱技术石英音叉谐振增强光声光谱是近年来迅速发４５１１应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展图４㊀光纤式悬臂传感结构示意图[２８]F i g ．４㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f f i b e r o p t i c c a n t i l e v e r s e n s i n g[２８]图５㊀基于压电薄膜的悬臂式光声光谱[３０]F i g ．５㊀C a n t i l e v e r p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y ba s e do n pi e z o e l e c t r i c f i l m [３０]展起来的一种新型光声光谱技术,２００２年由美国R i c e 大学的F r a n k T i t t e l 研究小组首次报道[３１].石英音叉谐振增强光声光谱(简写为:Q E P A S )采用具有压电特性的㊁高品质因数的石英音叉晶振来探测微弱的光声信号.通过将微弱光声信号的频率与石英音叉晶振谐振频率同频,使石英音叉晶振发生共振,实现微弱光声能量的积累与放大,并通过其压电特性把光声信号转化为电信号输出.Q E P A S 的基本原理如图６所示,对激光光源以一定频率进行调制(波长调制时为f /２,振幅调制时为f ),其中f 为石英音叉的共振频率,随后通过聚焦透镜对激光进行准直和聚焦,使其通过石英音叉两个臂之间的狭缝,样品吸收光后产生的声信号激发石英音叉共振从而产生压电电流,最后用锁相放大器进行信号解调即可得到光声信号.Q E P A S 最大的特点是体积小(石英音叉~Φ３m mˑ８m m )㊁品质因数Q 值高(常压下~１００００,真空下达~１０００００),可有效抑制环境噪声,因此图６㊀石英音叉谐振增强光声光谱原理图F i g ．６㊀S c h e m a t i c o f q u a r t z t u n i n gf o r k r e s o n a n c e e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y得到了快速的发展.为了进一步增强探测性能,常在Q E P A S 中增加微小型声学共振管,其中常用的一种方式是在光路上的石英音叉两侧各加一个内径约为~０．５m m 的声管,其基本结构如图７(a )所示.L e i D o n g 等人对管的尺寸参数进行详细的研究[３２],通过优化的管尺寸参数,信号能增强１０~３０倍.在这种技术基础上,L e iD o n g 等人还提出了多管Ｇ双光路Q E P A S 技术,其基本结构如图７(b )所示[３３].K u nL i u 等人创新性提出了离轴石英音叉谐振增强光声光谱技术[３４],在这种离轴技术中,光不再通过石英音叉两个臂间的狭缝,而是直接通过一个声学谐振腔,在声学谐振腔中间开一个狭缝,石英音叉安装在狭缝外探测声学谐振腔内的共振光声信号,其基本结构如图７(c )所示,同时通过音叉自身的共振,进一步增强光声信号,增强因子在２０左右.离轴方法的优势在于信号增强效果明显,同时不受狭小的石英音叉狭缝的限制,降低了对光束质量的要求,可根据光源光束质量,选择不同内径的声学谐振腔,对于光束质量差的宽带光源㊁中红外光源尤为适用[３５Ｇ４０].在此基础之上,C h u a n t a oZ h e n g 等人提出了双管增强离轴Q E P A S 技术[４１],如图７(d)所示,信号增强因子达到３０.S ．B o r r i 等人利用光声信号与光功率成正比的特性,开展了光腔增强Q E P A S 技术[４２],通过光腔增强有效光功率增强了~５００倍,探测性能提高一个数量级,功率归一化的最小可探测等效噪声吸收系数达到１０－１０c m －１W H z－１/２,实现了３００p p t 的C O ２探测灵敏度,其基本结构如图７(e )所示.基于Q E P A S 的高灵敏度和小巧的特点,Q E P A S 技术得到了快速的发展,应用的光源覆盖了可见光㊁近红外㊁中红外到太赫兹(T H z )波段[４３Ｇ４７],目前已有多篇综述性论文详细介绍了Q E P A S 技术,相关读者可参考文献[４８Ｇ４９]进行更详细了解.５５１１应用光学第４０卷第６期图７㊀典型的石英音叉增强型光声光谱结构图F i g．７㊀T y p i c a l s c h e m a t i c o f q u a r t z t u n i n g f o r k e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y１．４㊀多通道光声光谱技术一般的共振光声光谱中,只有一个声学共振腔,其对应只有一个最佳的工作频率f０,在采用多光源进行多组分同时探测时,无法区分㊁提取各光源所对应的光声信号,只能采用时分复用或单个光源对应单个光声池的方式,大大增加了光声光谱多组分探测系统的复杂性,体积以及成本.这限制了光声光谱同时探测多组分的能力,一定程度上也限制了光声光谱技术的应用与发展.虽然宽调谐范围的激光可以实现一个光声系统多组分探测,但这样的光源成本非常昂贵,不适合光声检测仪器的研发.因此,光声光谱仪器如何采用多光源实现多组分同时探测一直是一个有待解决的技术瓶颈.H．W u等人报道了基于石英音叉基频和泛频共振的双组分同时探测技术,实现了对C２H２和H２O的同时探测[５０].２０１７年,K u nL i u等人报道了开创性的多通道共振光声光谱技术[５１],这一技术中,单个光声池内设有３个不同共振频率的声学谐振腔,使各声学谐振腔的光声信号互不干扰,３个声学谐振腔的信号通过声导管汇聚到一起,这样仅用一个声传感器就实现了各个声学谐振腔中光声信号的同时探测,图８即为新型的多通道共振光声光谱机构示意图[５１].其中这一技术的可行性已通过同步测量水汽(H２O)㊁二氧化碳(C O２)和甲烷(C H４)得到了验证,获得的最小可探测系数达到了１０－９c m－１W H z－１/２,与传统光声光谱的器件性能基本一致.图８㊀多通道共振光声光谱结构示意图F i g．８㊀S c h e m a t i c o fm u l t i c h a n n e l r e s o n a n c e p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y２㊀结束语光声光谱技术因其结构简单,成本较低,体积较小,灵敏度较高等优势在气体传感领域中有着广泛的应用.本文对光声光谱技术在气体检测领域的优势及应用进行了分析,总结.其中重点介绍了传统共振光声光谱,悬臂增强型光声光谱技术,石英音叉谐振增强光声光谱技术以及多通道光声光谱技术的原理㊁发展进程,及其在当前环境监测,生物质燃烧,电气设备故障诊断等气体传感领域中最新的研究进展.多组分气体同时探测是当前气体传感领域的研究热点之一,目前已报道有多种基于吸收光谱(腔增强,光学多通池)的技术进行多组分气体传感.除了文中已提到多通道光声光谱技术可用于多组分气体同时探测外,可６５１１应用光学㊀２０１９,４０(６)㊀曹㊀渊,等:光声光谱气体传感技术研究进展以预见具有较宽光谱范围,高分辨率的光频梳未来将在光声光谱领域有着重要的应用,推动光声光谱技术的进一步发展.参考文献:[１]㊀B E L L A G．O nt h e p r o d u c t i o na n dr e p r o d u c t i o no f s o u n db y l i g h t[J]．A m e r i c a n J o u r n a l o f S c i e n c e,１８８０(１１８):３０５Ｇ３２４．[２]K E R R E L,A TWO O DJG．T h el a s e r i l l u m i n a t e da b s o r p t i v i t y s p e c t r o p h o n e:A m e t h o df o r m e a s u r eＧm e n to f w e a ka b s o r p t i v i t y i n g a s e sa tl a s e r w a v eＧl e n g t h s[J]．A p p l i e dO p t i c s,１９６８,７(５):９１５Ｇ９２１．[３]K R E U Z E RLB．U l t r a l o w g a s c o n c e n t r a t i o n i n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y[J]．J o u r n a l o f A p p l i e dP h y s i c 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a r e d q u a n t u mc a s c ade l a s e r[J]．A cＧt aP h y s．S i n．,２０１８,６７:０８４２０１Ｇ１Ｇ０８４２０１Ｇ７．[８]D E W E YCFJ r,K AMM RD,HA C K E T TCE．AＧc o u s t i ca m p l i f i e r f o rde t e c t i o no fa t m o s p h e r i c p o l l uＧt a n t s[J]．A p p l i e d P h y s i c sL e t t e r s,１９７３,２３(１１):６３３Ｇ６３５．[９]K AMM RD．D e t e c t i o n o fw e a k l y a b s o r b i n gg a s e s uＧs i n g ar e s o n a n to p t o a c o u s t i c m e t h o d[J]．J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s,１９７６,４７(８):３５５０Ｇ３５５８．[１０]G U P T AJP,S A C H D E V R N．T h e o r e t i c a lm o d e l o fa no p t o a c o u s t i cd e t e c t o r[J]．A p p l i e d P h y s i c s L e tＧt e r s,１９８０,３６(１２):９６０Ｇ９６２．[１１]B I J N E NFGC,R E U S SJ,HA R R E N FJ M．G e oＧm e t r i c a l o p t i m i z a t i o no f a l o n g i t u d i n a l r e s o n a n t p h oＧt o a c o u s t i c c e l l f o rs e n s i t i v ea n df a s t t r a c e g a sd e t e cＧt i o n[J]．R e v i e w o fS c i e n t i f i cI n s t r u m e n t s,１９９６,６７(８):２９１４Ｇ２９２３．[１２]M I K LÓSA,H E S SP,B O ZÓK I Z．A p p l i c a t i o n o f aＧc o u s t i c r e s o n a t o r s i n p h o t o a c o u s t i c t r a c e g a sa n a l y s i sa n dm e t r o l o g y[J]．R e v i e wo fS c i e n t i f i c I n s t r u m e n t s,２００１,７２(４):１９３７Ｇ１９５５．[１３]C H E N G G,C A O Y,L I U K,e ta l．P h o t o a c o u s t i c m e a s u r e m e n t o f e t h a n ew i t hn e a rＧi n f r a r e dD F Bd i o d e l a s e r[J]．J o u r n a l o f S p e c t r o s c o p y,２０１８,９７６５８０６:１Ｇ５．[１４]Y I N X K,D O N GL,WU HP,e t a l．P p bＧl e v e lH２Sd e t e c t i o n f o r S F６d e c o m p o s i t i o nb a s e do na f i b e rＧa mＧp l i f i e d t e l e c o m m u n i c a t i o n d i o d el a s e r a n d a b a c kＧg r o u n dＧg a sＧi n d u c e d h i g hＧQ p h o t o a c o u s t i c c e l l[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２０１７,１１１(３):０３１１０９．[１５]Y I N XK,WU HP,D O N GL,e t a l．P p bＧl e v e l p h oＧt o a c o u s t i cs e n s o rs y s t e mf o rs a t u r a t i o nＧf r e eC O d eＧt e c t i o no f S F６d e c o m p o s i t i o nb y u s eo f a１０Wf i b e rＧa m p l i f i e dn e a rＧi n f r a r e dd i o d el a s e r[J]．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１９,２８２:５６７Ｇ５７３．[１６]Y I N X K,D O N GL,WU H P,e t a l．H i g h l y s e n s iＧt i v eS O_２p h o t o a c o u s t i c s e n s o r f o rS F_６d e c o m p o s iＧt i o n d e t e c t i o n u s i n g a c o m p a c t mWＧl e v e l d i o d eＧp u m p e d s o l i dＧs t a t e l a s e r e m i t t i n g a t３０３n m[J]．O pＧt i c sE x p r e s s,２０１７,２５(２６):３２５８１．[１７]Z HASL,L I U K,Z HU G D,e t a l．A c e t y l e n ed eＧt e c t i o nb a s e d o n r e s o n a n t h i g h s e n s i t i v e p h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y[J]S p e c t r o s c．S p e c t r．A n a l．,２０１７,３７:２６７３Ｇ２６７８．[１８]MA YF,Q I A OSD,H EY,e t a l．H i g h l y s e n s i t i v ea c e t y l e n ed e t e c t i o nb a s e do n m u l t iＧp a s sr e t r oＧr e f l e cＧt i o nＧc a v i t yＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y a n da f ib e ra m p l i f i e d d i o d el a s e r[J]．O p t ic s E x p r e s s,２０１９,２７(１０):１４１６３．[１９]WA N G Q,WA N GZ,C HA N GJ,e t a l．F i b e rＧr i n g l a s e rＧb a s e d i n t r a c a v i t yp h o t o a c o u s t i c s p e c t r o s c o p y f o r t r a c e g a s s e n s i n g[J]．O p t i c s L e t t e r s,２０１７,４２(１１):２１１４．[２０]HA NL,C H E N XL,X I A H,e t a l．An o v e l p h o t oＧc o u s t i cs p e c t r o s c o p y s y s t e mf o r g a sde t e c t i o nb a s e do n t h em u l t iＧp a s s c e l l[J]．P r o c e e d i n g so f t h eS P I E,２０１６,１００２５:１００２５０NＧ１Ｇ１００２５０NＧ７．[２１]WA N GZ,WA N G Q,Z HA N G W P,e t a l．U l t r aＧs e n s i t i v e p h o t o a c o u s t i c d e t e c t i o n i n a h i g hＧf i n e s s ec a v i t y w i t h p o u n dＧd re v e rＧh a l l l o c k i n g[J]．O p t i c sL e tＧt e r s,２０１９,４４(８):１９２４．[２２]W I L C K E N K,K A U P P I N E N J．O p t i m i z a t i o no fa m i c r o p h o n e f o r p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．A pＧp l i e dS p e c t r o s c o p 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g as u p e r c o n t i n u u m[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１８,４３(２０):５０９４．[２７]T OM B E R GT,V A I N I O M,H I E T A T,e t a l．S u bＧp a r t sＧp e rＧt r i l l i o n l e v e l s e n s i t i v i t y i nt r a c e g a sd e t e cＧt i o nb y c a n t i l e v e rＧe n h a n c e d p h o t oＧa c o u s t i cs p e c t r o sＧc o p y[J]．S c i e n t i f i cR e p o r t s,２０１８,８:１８４８．[２８]C H E N K,Y UZH,Y U QX,e t a l．F a s tde m o d u l aＧt e dw h i t eＧl i g h t i n t e rf e r o m e t r yＧb a s e df i b e rＧo p t i cF a bＧr yＧP e r o t c a n t i l e v e r m i c r o p h o n e[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１８,４３(１４):３４１７Ｇ３４２０．[２９]C H E N K,Z HA N G B,L I U S,e t a l．P a r t sＧp e rＧb i lＧl i o nＧl e v e l d e t e c t i o n o f h y d r o g e n s u l f i d e b a s e d o nn e a rＧi n f r a r e da l lＧo p t i c a l p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１９,２８３:１Ｇ５．[３０]L I U K,C A O Y,WA N GGS,e t a l．An o v e l p h o t oＧa c o u s t i c s 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W．M i dＧi n f r a r e dm u l t i m o d e f iＧb e rＧc o u p l ed q u a n t u m c a s c a de l a s e rf o r o f fＧb e a mq u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cd e t e c t i o n[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１６,４１(１７):４０９５Ｇ４０９８．[３６]Y IH M,L I U K,C H E N W D,e t a l．A p p l i c a t i o no f ab r o a d b a n db l u e l a s e r d i o d e t o t r a c eN O_２d e t e c t i o n u s i n g o f fＧb e a m q u a r t zＧe n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e cＧt r o s c o p y[J]．O p t i c sL e t t e r s,２０１１,３６(４):４８１Ｇ４８３．[３７]Z H E N G H D,D O N GL,Y I N X K,e t a l．P p bＧl e v e l Q E P A SN O２s e n s o rb y u s eo fe l e c t r i c a lm o d u l a t i o nc a n c e l l a t i o nm e t h o dw i t hah i g h p o w e r b l u eL E D[J]．S e n s o r s a n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１５,２０８:１７３Ｇ１７９．[３８]RÜC K T,B I E R L R,MA T Y S I K F．N O２t r a c e g a s m o n i t o r i n g i n a i r u s i n g o f fＧb e a m q u a r t z e n h a n c e d p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c 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a t i o n o f q u a r t zt u n i n g f o r k[J]．A p p l．P h y s．L e t t．,２０１７,１１０:１２１１０４Ｇ１Ｇ１２１１０４Ｇ４．[５１]L I U K,M E IJX,Z HA N G W J,e ta l．M u l t iＧr eＧs o n a t o r p h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y[J]．S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB:C h e m i c a l,２０１７,２５１:６３２Ｇ６３６．９５１１。
基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器的研究
基于光谱吸收法的光纤硫化氢气体传感器的研究
光纤硫化氢气体传感器是一种基于光谱吸收法的传感器，用于检测环境中硫化氢气体的浓度。
光纤硫化氢气体传感器的研究主要包括传感器结构设计、光谱吸收法原理、硫化氢浓度检测算法等方面。
在传感器结构设计方面，光纤硫化氢气体传感器通常由光源、光纤、光谱仪和数据处理单元等组成。
其中光源提供光信号，经过光纤传输到被测气体中，被测气体中的硫化氢分子会吸收特定波长的光，光纤传回光谱仪进行光谱分析，最终通过数据处理单元计算出硫化氢气体的浓度。
光谱吸收法原理是光纤硫化氢气体传感器的核心原理。
该原理基于硫化氢分子对特定波长的光吸收的特性，当硫化氢气体浓度变化时，吸收光的强度也会发生变化。
通过测量吸收光的强度变化，可以间接推断出硫化氢气体的浓度。
在硫化氢浓度检测算法方面，可以采用不同的算法来计算硫化氢气体的浓度。
常见的算法包括线性回归法、多元线性回归法和基于模型的方法等。
这些算法根据测量数据和标定数据之间的关系，通过建立数学模型来估计硫化氢气体的浓度。
光纤硫化氢气体传感器的研究还需要考虑传感器的灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等指标。
灵敏度是指传感器对硫化氢气体浓度变化的响应能力，选择性是指传感器对其他气体的干扰能力，响应时间是指传感器检测到硫化氢气体浓度变化后的反应速度，稳定性是指传感器在长时间使用中的性能保持能力。
总而言之，光纤硫化氢气体传感器是一种基于光谱吸收法的传感器，通过光纤传输光信号进行硫化氢气体浓度检测。
该研究涉及传感器结构设计、光谱吸收法原理、硫化氢浓度检测算法等方面，同时还需要考虑传感器的灵敏度、选择性、响应时间和稳定性等指标。
4-3 光声光谱微量气体传感器
光声光谱微量气体传感器
波长调制型光纤传感器
《光纤传感技术》
气体的特征吸收谱线与检测
比尔-郎伯定律：I(l)=I0(l)exp(-KCL)
光声气室
LED/DFB
进气口
出气口锁相放大器
数据采集卡
麦克风温度电流控制调制
准直系统内置光声光谱检测系统结构
光声气室的理论分析模型
υ四端网络法
υ等效于电路网络
υ有限元法
υ适应不规则形状
应用—变压器健康监测•5
气室υ在线测量
υ
油中溶解气体的成分和比例υ大型变压器/高压设备—老化、局部放电υH2、CO 、 CH 4、 C 2H 4、C 2H 2、 C 2H 6、H 2O
2019年1月
18日•6多组份在线监测装置技术指标 单位uL/L
检测参量
最小可检量测量范围测量不确定度水H2O
0.50 ～ 50１(≤５) 或 30% (>5)乙炔C2H2
0.50 ～ 50１(≤５) 或 30% (>5)氢气H2
100 ～ 200010(≤５0) 或 30% (>50)甲烷CH4
20 ～ 10005(≤2５) 或 30% (>25)乙烷C2H6
20 ～ 10005(≤2５) 或 30% (>25)乙烯C2H4
20 ～ 10005(≤2５) 或 30% (>25)一氧化碳CO
500 ～ 200050(≤250) 或 30% (>250)二氧化碳CO2500 ～ 1000050(≤250) 或 30% (>250)
220KV 变压器应用现场。
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Study on Optical Fiber Gas Sensor Based on Photoacoustic Effect
WANG Shu-tao1 , CH E Ren-sheng1 , WANG Yu-tian2 , T IAN Qing-guo2
1 Department of Automatic Measurement and Control , Harbin Institute of Technology , Harbin , Heilongjiang 150001 , China 2 Department of Science Instrument and Engineering , Y anshan University , Qinhuangdao , Hebei 066004, China
1
车仁生
,
2
王玉田
,
2
田庆国
(1 哈尔滨工业大学自动化测试与控制系 , 黑龙江 哈尔滨 150001 ;2 燕山大学科学仪器与工程系 , 河北 秦皇岛 066004)
摘要 论述了光声光谱信号的产生 。 提出用光纤相位传感器代替传统的微音器检 测光声信号 , 讨论 了光纤中光 波 的相 位变化与光声信号的关系 。 设计了光学长程结构 , 有效增加了 对光功率 的吸收 。 用染料 激光器作 光源对 SO2 气体浓度进行 测量 。实 验表明 , 最低检测灵敏 度可达 1.2 ×10-10 。由 于采用 光谱技 术与光 纤技术 相结合 , 使研 制 的传 感器具有较高的灵敏度 , 信号的传输通道具有 强的抗 电磁干 扰及防 燃防爆 能力 。 气体 探头体 积小 , 响应速 度 较快 。信号处 理电路具有较强的抑制噪声干扰能力 。 该 传感器 及其系 统在灵敏 度 、精度 、响应时 间等性 能指标 上 达到了检测气体含量要求 。 关键词 集成光学 ;激光检测 ;光纤气体传感器 ;光声光谱 ;相位调制 中图分类号 T N 247 ;TP 212.14 文 献标识码 A
传感光源用激光二极管 。光束经耦合器分成两 束 , 一束作为信号 , 另一束作为参考 。 光纤用单模光 纤 , 由于光声腔的周期性变化 , 信号光纤中的光波相 对于参考光纤产生一光程差 , 即相位差 。
信号光纤和参考光纤重新耦合在一起 , 光电二 极管将光信号转变为电信号 。前置放大和滤波后用 锁相放大 器检 出相 位信号 并有 效地 滤除 噪声[ 6] 。 锁相 放 大 器 选 用 美 国 PARC 公 司生 产 的 PARC 124A 。
从式(1)可以看出 , 当入射光束的频率为 ν时 ,
对于特定的气体 , σ, τ, Anr , E′, γ都是确定值 。当光 声腔 工作在第 j 阶谐振模式下 , 并且 p(r※, t)和
I(r※, t)的 耦 合 方 式 给 定 , 则 Qj , Λj 和 定 积 分
p ＊j (r※)I(r※, ωj )d V 也 成为已 知 。这 样 , 光 声
材料的弹性系数和泊松比 。
为实验气体 。 将一定体积的高纯 度 SO2 气体缓慢 释放入光声腔 , 然后往光声腔中充以对光吸收不敏 感的 Ar 气体作为 缓冲介质 , 使光声腔 中的压力稳 定在一个标准大气压 , 从而在光声腔中得到不同浓 度的 SO 2 气体 。 因为 SO2 对波长为 302 nm 的光谱 有极大的吸 收 , 所以染 料激 光器的 输出 波长 选为 302 nm , 光束被斩波器调制为光声腔的第一谐振频 率 ω1 。
声腔 的某一阶谐振 频率 ωj , 则光声 信号可以表 示 为[ 4]
Aj
(ωj)
=N
στA
n
rE′Q Λj V
jω(j γ-1)×
p ＊j (r※)I(r※, ωj)d V (1)
V
式中 , N 为气体的分子浓度 ;σ为分子的吸 光截面
积 ;τ为激发态分子的寿命 , 它与激发态辐射跃迁几
率 Ar 和无辐射跃迁几率Anr 的关系为 :τ=1/ (Ar + Anr);E′= E1 -E0 = hν, 为两能级之间的能量差 ;
为光纤 , 直径为 2a 。设光声腔的应力分布为正应力
σ′r 和环应力 σ′θ, 径向位移 u′r ;光纤的应力分布为正
应力 σr 和环 应力 σθ, 径向位移 ur 。由 弹性力学 原 理[ 7] 分析可得 , 它们满足的边界条件为 :σ′r d = p , σ′r d +t =σr d +t , u′r d+t =ur d +t 。根据这些边界条
9 80
中 国 激 光 31 卷
点得到充分体现 。采用锁相放大器检出相位信号并 有效地滤除噪声 。
2 光声光谱气体检测原理
当气体吸收频率为 ν的光子后 , 部分气体分子
会从基态 E 0 跃迁到激发态 E 1 。处于激发态的分子 与处于基态的同类分子相碰撞 , 吸收的能量经无辐
三个凹面反光镜 M 1 , M2 和 M 3 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 M 1 , M 2 上相交 , 在 M 3 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 。
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 ω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
1 引 言
随着工业化的发展 , 污染气体给人类健康及农 作物生长造成极大的危害 。因此 , 对空气中污染气 体的浓度进行实时监测对于控制污染物的排放 , 改 善环境有着重要的现实意义 。
激光器的发明和高灵敏度的声波检测 器的出 现 , 使光声光谱方法[ 1 , 2] 得到重视 。 与传统的光谱
V
信号 Aj (ωj)就和气体的浓度成唯一确定的关系 , 通 过检测 Aj (ωj)就可以测量气体的分子浓度 N 。
3 实验装置
实验装置如图 1 所示 。 激励光源选用染料激光器 , 经过斩波器调制后
入射到光声腔 , 激发出声波信号 。光声腔的设计主 要考虑光的有效吸收长度 , 且要保证光束与径向声
图 1 实验装置示意图 1:信号光纤 ;2 :参考光纤 ;3 :光电管 Fig .1 Schematic of ex perimental equipment 1 :signal opt ical fiber ;2 :reference optical fiber ;
3 :phot oelect ric diode
Abstract T he theory of pho toacoustic spectrum is presented briefly in this paper .T he optical fiber phase sensor is used to replaces traditional micro pho ne , and the rela tio nship between lig ht phase and pho toacoustic signal is discussed .Multiplereflection system is used to enhance absorption effectively .T he dye laser is used as light source to measure SO2 g as concentration.It shows that the sensitivity o f 1 .2 ×10 -10 can be obtained.T he combination of spectrum technolog y and optical fiber technology provides higher sensitivity , stronger ability to resist electromag netic interference , avoiding fire and ex plosion.T he gas probe has small vo lume , relatively fast response speed .T he sig nal processing circuit has hig h ability to suppress noise interference .T he ex periments show that the sensor and its sy stem match the requests of sensitivity , accuracy , and response time in detecting the gas concentratio n. Key words integ rated optics;laser detection ;optical fiber gas sensor ;pho toacoustic spectrum ;phase modula tio n
第
31 卷 第 8 2004 年 8 月
期
中 国 激 光 CH INESE JOU RNAL OF LASERS
文章编号 :0258-7025(2004)08-0979-04
V ol.31 , A ugust ,
No .8 2 00 4
基于光声光谱法的光纤气体传感器研究
1
王书涛
,
Qj 为 光声 腔 在谐 振频 率 ωj 下 的 品质 因 子 ;γ =
Cp/ Cv 为 热 容 比 ;Λj 由 下 式 给 出 :Λj =
1 V
p 2j (r※)d V ;V 为光声腔 的体积 ;p ＊j (r※)为