基于差分光声池结构的高灵敏度一氧化碳气体传感器(特邀)

搭建了一套高灵敏度的光声一氧化碳气体传感器。采用波长为1 566.3 nm的近红外分布式反馈激光器作为激励光源,并利用商用光纤放大器将激光功率泵浦到10 W量级,解决了由于近红外波长区域吸收线强较弱带来的探测灵敏度低等问题。设计了由两个结构完全相同的光声共振腔构成的双通道差分光声池,抑制了由高功率激光引入的窗口噪声。通过优化传感器的激励光功率和工作压强,在50 ppm的CO/N_2标准气中,获得的光声信号幅值为1.38 mV,1σ噪声为0.96μV,探测信噪比为1 437.5,探测灵敏度为34 ppb,归一化噪声等效系数为1.74×10~(-8)cm~(-1)W/Hz~(1/2)。     

新型高性能激光光声光谱球形光声池：理论和实验研究

从理论上讨论了球形光声池共振模式的声学特征，计算表明，与常用的圆柱形光声池比较，球形光声池具有更高的Ｑ值；利用球形光声池和钛宝石激光器的光声光谱仪，从实验上测量了球形光声池的共振模式，与理论计算结果一致；该球形光声池的声学Ｑ值达到５９０，明显高于圆柱形池的结果；利用该装置成功地记录了Ｃ２Ｈ２ １２７５０ｃｍ＾－１附近的一段弱谱带，与本实验室高灵敏的激光腔内吸收光谱仪（ＩＣＬＡＳ）得到的结果相比，具     

光声光谱检测系统中光声池模型的建立与优化

光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸.仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振...     

光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.     

薄板声谐振子扰动的声学特征检测研究

为进行快速ＮＤＴ，研究了薄板声谐振子扰动和声学特征变化的关系，用有限元方法分析在睡无缺陷薄板的振动频率和振型。利用数字信号处理技术，实验研究了样品中缺陷对声学特征的影响。实现和理论分析结果一致性很好。研究结果有助于正确利用样品声学特征进行无损检测。     

光声光谱气体检测系统中气体湿度的影响研究

工作环境是光声光谱气体检测系统在工业现场应用的重要影响因素.实验发现,待测气体湿度对电容式微音器灵敏度影响显著,导致现有光声光谱气体榆测系统测试结果漂移.文章提出一种气体湿度影响消除方法,在光声腔中安装扬声器,以扬声器信号幅值作为声感应器件灵敏度的自适应表征,对光声信号幅值作自行修正,有效克服电容式微音器声信号榆测中灵...     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

近周期超晶格中的声学声子及其光散射特性

利用转移矩阵方法计算了近周期超晶格体系（包括有限周期数的超晶格、耦合超晶格、层厚起伏和层厚渐变的超晶格）中声学声子的喇曼散射谱．结果表明上述近周期超晶格的光散射特性与理想严格周期的体系和完全无序的体系都不相同，呈现出许多独特的性质．对有限周期数的超晶格，由于边界的存在，喇曼谱中除了理想超晶格中存在的折叠声学声子峰（主峰）外，还会出现一系列等间距分布的卫星峰．对耦合超晶格体系，理想超晶格中存在的主峰将出现分裂．对层厚起伏变化的超晶格，主峰呈现非对称展宽，展宽主要出现在高波数端．计算结果和实验测得的谱线作了比 关键词：     

阶梯复合形光声池声-流特性计算与评估

为了提高光声池的检测性能,提出并分析了一种阶梯复合形光声池.以传统圆柱共振型光声池为基准模型,通过对比解析与模拟计算结果,验证了所采用模拟方法的可靠性,基于模拟方法求解并获得了阶梯腔半径、阶梯腔长度和阶梯腔数量对阶梯复合形光声池声-流特性的影响规律.结果表明:减小阶梯复合形光声池中阶梯腔半径,光声信号相对增强,阶梯腔长...     

光声池径向共振模式耦合系数理论分析

光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率,当它等于腔的某个共振频率时,在腔内形成声驻波,而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔的放大作用取决于当前被激活的共振模式、腔的品质因素、声传感器的状态以及电磁辐射与腔共振模式的耦合作用。值得关注的是,红外激光相对于声共振腔的入射方位不同则激励产生的光声信号幅值也不同。采用理论推导与数值计算相结合的方法,以圆柱形光声池为例,研究了径向共振模式下耦合系数受激光入射方位的影响。研究表明,激光入射角在0～π/2范围变化时耦合系数存在2个零点和2个极大值：入射角为0或tan-1(0.859 2×2R/L)时,耦合系数为零而径向共振失效;入射角为tan-1(0.556 8×2R/L)或tan-1(2R/L)时,耦合系数极大而径向共振最强。此处R为池径而L为池长。结果可用于指导光声池结构优化设计与安装调试,增强光声法检测微量气体的信号幅值,提高检测灵敏度。     

光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究

基于PAS与TDLAS的基本原理,讨论了两者之间的联系,推导了光声信号和TDLAS信号与气压的关系式,设计并构造了一个可以同时进行PAS与TDLAS气体测量的对比装置,并对两者在不同气压条件下的测量结果进行了分析和研究,为不同气压条件下的气体测量技术选择提供了参考。试验研究表明：随着气压上升,光声光谱与TDLAS信号均变大,极限检测灵敏度均提高;随着气压上升,气体吸收能量转化为光声信号的效率变低;在低压时,使用光声光谱进行气体检测具有更好的效果。     

Photoacoustic spectra of some laser dyes

Photoacoustic spectra of rhodamine 110, rhodamine 6 G, rhodamine B, rhodamine 101 and coumarin 102 laser dyes have been recorded at room temperature of 25°C in the spectral range of 350–750 nm. These samples were taken in powder as well as in solution forms. For this purpose the closed and the open photoacoustic cells have been used. It is hoped the present study would be useful for characterization of these dyes.     

Photoacoustic determination of energy band gap of semiconductors

Semiconducting materials are employed in the fabrication of a number of semiconductor devices and opto-electronic detectors etc depending on their properties, state of purity and perfection and energy band gap values. In the present study, a latest and novel photoacoustic spectroscopic technique has been employed for the determination of energy band gap of some semiconductors namely CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, Se and Si in the powder form. Values obtained have been compared with those reported by conventional methods.     

Effect of buffer gases on the performance of SO2 trace measurement based on photoacoustic spectroscopy

In this experimental work a laser photoacoustic spectrometer designed and fabricated. System sensitivity for detection of SO₂ and NO₂ was measured. Resonance frequency variation versus pressure increase of Nitrogen, Argon, Helium and Air buffer gases was studied. Results show that, sensitivity of system for SO₂ and NO₂ are 353 ppb and 963 ppb respectively. It was shown that resonance frequency for Nitrogen, Argon, and Air buffer gases was not noticeably varied by buffer gas pressure increasing, but for Helium, resonance frequency not only is not in range of three other gases, but also grows by pressure increasing. The system noises were damped preparing two buffer chambers.     

长光程共振式二氧化碳气体光声传感器研究

二氧化碳(CO₂)是植物光合作用的原材料,也是一种温室气体,其过量地排放会影响动植物的生态环境。在碳达峰、碳中和的背景下,研制高灵敏度的CO₂检测装置具有重要意义。为了监测大气环境中CO₂含量的变化,设计了一种长光程共振式CO₂气体光声传感器,并以此搭建了光声检测装置。以中心波长为2 004 nm的分布式反馈激光器(DFB)作为激发光源,激光射入由漫反射材料制成的球型吸收腔,在腔内多次反射以增加气体的吸收路径。吸收腔外部被两个高热传导率的铝制半球包裹,降低由池体吸收光能后产生的热噪声。吸收腔上耦合一根声学管,当其工作在一阶纵向共振模态时,光声信号被放大,在管子末端达到极大值。为了进一步增大光声信号,通过饱和加湿样品的方式来加快CO₂气体的弛豫速率,加湿后的样品产生的光声信号是干燥样品的2.1倍左右。使用一系列浓度的湿润CO₂样品标定光声检测装置,结果表明,光声信号与浓度之间呈现良好的线性关系。在此基础上,通过对标准气体的检测实验,验证了装置的准确性与稳定性...     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

光声光谱技术在多组分气体浓度探测中的应用

CO和CH_4气体作为判断变压器运行状态的故障气体,对其浓度的探测在变压器维护中具有重要意义.为了准确探测变压器运行过程中产生的CH_4和CO气体浓度,本文利用光声光谱技术,设计了一套基于宽带光源的多组分气体探测系统,和共振型光声系统相比,该系统中所用的非共振型光声池体积小,易加工,池内各处信号强度相同,降低了对声学信号探测器的安装要求.系统的性能通过对CO和CH_4气体的探测进行评估.首先,从理论上分析了信号强度与调制频率呈反比,然后根据宽带光声系统在不同调制频率下的响应,确定系统的最佳调制频率为22 Hz.在最佳调制频率下,根据温度与待测气体光声信号的关系,对光声信号进行温度补偿,消除温度变化对光声信号的影响,进一步提高了系统的稳定性.最后,通过不同浓度的CH_4和CO气体对系统进行标定.实验表明,温度补偿前后,光声信号随温度的漂移分别为0.023 23V/℃和8.383 48×10~(-5) V/℃,通过对不同浓度CH_4和CO气体的探测,系统的线性度分别达到0.995和0.998 4.在一个大气压下,积分时间为1s时,宽带光声探测系统对CO和CH_4气体的探测极限浓度能够达到1μL/L.该系统成本低,线性度好,探测灵敏度符合国标对变压器维护过程中CO和CH_4气体的探测要求.     

液体火箭发动机中声腔抑制不稳定燃烧的声学分析

发展了声腔的分析和数值模型,对液体火箭发动机不稳定燃烧的抑制作用进行了评定,通过迭代计算研究了二维流动和温度分布变化对声腔调 谐和稳定性能的影响,对不同的声腔几何尺寸和温度梯度的稳定性计算结果表明,燃烧带有较大开口面积的声腔会更大程度地改变振荡的空间分布,这种改变而且影响了驱动和抑制燃烧的机理,讨论了在声腔设计安排中正确选择声腔的几何尺寸,且比较了不同长度和不同直径声腔的阻尼特性,通过考察声吸收系统的方法来最优化系统的阻尼,得到了可供设计参考的结论。