论文部分内容阅读
石英增强光声光谱技术（Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS）是一种最近几年新发展起来的吸收光谱技术。相比于传统基于微音器的共振光声光谱技术而言,它具有高灵敏度、高选择性、结构简单、体积小和成本低等优点,已经被广泛应用于环境监测、工业控制过程和医疗诊断等高精度痕量气体检测场合。目前的QEPAS技术主要包括同轴声波增强和离轴声波增强两种增强方式。同轴QEPAS技术具有较高的灵敏度,但系统对激光光束质量要求高;离轴QEPAS降低了对激光光束的质量要求,但其灵敏度相对较低。这些因素都一定程度上限制了 QEPAS的广泛应用。本文针对不同应用场合提出的新型共振QEPAS技术在离轴结构的基础上实现了声波的多次共振,在降低激光光束质量要求的同时提高了检测灵敏度,在实际应用中有着更好的发展前景。论文以光声光谱技术的理论分析为基础,详细讲述了新型共振QEPAS中测声器（Spectrophone）的模型建立和设计优化;以测声器为基础搭建了 QEPAS系统并对系统特性进行了研究;针对搭建的QEPAS系统受环境的影响做了详细分析和研究;最后研究了新型QEPAS系统在痕量气体检测场合的应用。主要的研究内容和创新点归纳如下:（1）光声光谱技术理论分析。从红外吸收光谱理论出发,研究了光声效应的产生过程和光声信号的检测方式。以二能级分子系统为例,深入分析了气体分子的光-热转换和热-声激发的物理过程。通过对声波波动方程的边界条件进行约束求解,得到光声共振增强后声压模式和振幅的表达式。最后对波长调制和解调进行了理论介绍。（2）新型共振石英增强光声光谱测声器设计和优化。根据石英增强光声光谱原理,简要介绍了传统QEPAS的优缺点;对传统的QEPAS光声测声器各部分进行建模,通过仿真分析了其存在的能量泄露问题;提出了双管同侧离轴测声器、双管异侧离轴测声器、双管支侧离轴测声器、椭圆腔共振测声器和石英谐波增强测声器五种构型用于不同的应用场合。对每种构型进行了理论计算、有限元分析和参数优化,通过实验方法进一步验证了理论和仿真的正确性。（3）新型共振QEPAS系统搭建与特性研究。针对上述提出的前四种光声测声器,搭建实验系统进行实验分析。对系统的各模块设计、工作模式进行了详细介绍;分析了系统中调制深度、光功率以及频率分辨率对系统的影响。（4）新型共振QEPAS系统的影响因素分析。结合理论和实验研究了外界环境包括温度、压力和湿度对QEPAS系统的影响。对音叉的背景光噪声进行了分析计算并介绍了两种噪声抑制方法。提高了系统对外界抗干扰性,提高了实际应用可靠性。（5）新型共振QEPAS用于痕量气体检测应用。针对变电站绝缘气体SF6分解产物检测,以近红外激光器为激发光源,分别采用提出的四种测声器组成新型共振QEPAS系统实现了对痕量H2S气体的高精度检测。针对多组分气体检测场合,采用双激光器实现激光双通道QEPAS,完成对NH3、H2S和CO气体的高精度实时在线检测。该研究为实现低成本、小体积、高灵敏度气体检测和气体多组分实时检测提供了新方法。