气体探测在医疗、食品产业、检测环境污染、火灾警示以及电气设备安全等方面应用都极其重要。微量气体探测技术，例如可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)的发展使得这些领域在十几年来取得了很重大的突破。但是，随着科技水平的不断发展，传统气体探测技术在精度和准确度上越发不能满足人们的要求。因此，对高性能气体探测系统的研究越来越迫切。

光声光谱技术在微量气体探测方面有着高灵敏度、高选择性的优势，因此得到了许多研究人员的重视。自1880年贝尔发现固体中的光声效应以后，随后也很快就发现了液体和气体中有着同样的效应。但是由于当时缺乏合适的检测设备，光声光谱技术一直未得到发展。直到20世纪八十年代，由于激光器和高灵敏度麦克风的应用，光声光谱技术得到了充分的发展，在气体探测灵敏度精度上可以达到ppb量级。随着半导体激光器的发展以及现代领域实用性的要求，光声光谱气体探测系统向着小型化方向不断发展，以实现便携式高性能的气体探测系统。

光声光谱技术检测气体的原理为：通过对单色光源进行调制，产生具有声学调制特征的激发光并耦合至光声池中；光声池内特定气体分子吸收光能以后受激发跃迁到振动能级的高能态，进而通过无辐射跃迁以热能的形式释放出来，引起温度升高，而温度的变化会引起压力的变化，在光声池内形成压力波，利用传声器检测压力波的强度，则根据光声信号幅度与入射光强、气体吸收系数和含量的正比关系能够确定光声池内受光激发气体分子的含量。光声光谱技术可以完全避免光背景的干扰，由于其中被探测的信号强度只与被吸收的激光能量有关，无需对剩余的激光进行解析，避免了对高性能光电探测器的依赖。同时，相对于其他的激光吸收光谱传感技术，光声光谱技术具有如下技术特点：

1) 探测得到的声波与透射光无关，因此与激光器相关的散粒噪声、闪烁噪声以及相对强度噪声对信号的影响被显著地降低；另外，在传统激光吸收光谱气体传感器中普遍存在的干涉噪声的影响也将被显著抑制。

2) 光声信号的探测由声传感器完成，不需要使用任何光电探测器，解除了探测模块对激光波长的选择限制。同一探测模块可将气体传感的探测区域拓展到紫外、可见光、近红外，甚至是光电探测器性能不佳的中远红外、太赫兹波段。

3) 在非饱和吸收的情况下，光声光谱声波的强度与激发光源的强度成正比。

国内外在光声光谱气体探测技术方面进展迅速，在激光光源，光声腔以及微音器的设计方面都有着长足进展。在激光器方面采用CO、CO2等气体激光器作为光源的光声光谱检测装置理论上可以检测ppt量级的微量气体并且在实验中证明有效。光声池的设计也发展出诸多类型，除了常规的一维纵向式谐振光声池外，还发展出了赫姆霍兹谐振腔、空穴式谐振腔等，在设计方面也加入了缓冲室、内壁镀膜设计以及布鲁斯特角入射等优化设计，在微音器方面，现在除了电容和电压式微音器，还有正在研究的F-P式微音器，以及悬臂梁增强型微音器等结构。在具体设备的研发上面，芬兰的Garesa公司以及美国GE公司实现得较为成熟，已经初步实现了设备的小型化。

通过本设计工作，将深入了解光声光谱气体检测原理，对气体吸收的光声效应理论进行分析和数学推算，设计出光声光谱中光声池等核心部件，探讨光声光谱仪器系统的优化方法，在电力系统变压器油中气的检测等领域有突出的应用价值。

基本内容：了解光声光谱技术的原理以及应用，深入调研国内外现状以及研究发展趋势，设计几种可行的非谐振式光声池结构，建立仿真模型，通过有限元算法分析仿真内部声场分布、声压强度与气体浓度、光声池结构以及光源参数之间的关系并对光声池的结构设计进行优化。根据仿真结果择优选择较好的方案设计制作出相对应的光声池，初步进行气体实验，验证仿真结构，整理实验数据，得出最后的实验结论。

目标：设计非谐振式光声池结构并进行软件仿真；制作实物进行气体实验，验证仿真结果。

拟采用的技术方案及措施：依照光声光谱方法来实现气体的浓度检测，首先要充分了解光声光谱的原理，进行相关的理论推导。在完成此部分的工作之后，后续内容主要分成两个部分：声场模型仿真和气体实验。

在声场模型仿真方面，使用Comsol Multiphysics5.3a作为主要的仿真工具，利用matlab进行数据处理。采用comsol模型库中的热粘性声学模型，构建光声池模型，对边界条件以及光源参数进行设定，完成非谐振式光声池的仿真。同时通过探究气体浓度与物质参数的关系。模拟光声池腔内部的声场分布，并对声压强度与气体浓度、光声池结构以及光源参数之间的关系进行分析。通过控制变量改变光声池的结构参数如内径、长度等，取得最优解，对光声池结构进行优化。

在气体实验方面，首先根据几种光声池的效果，选择合适的一种作为对象，并根据实际需要进行参数设置，完成光声池的设计制作。光声池的机械设计需要预留输入输出透镜接口，气体流通孔洞，电磁阀控制接口，基座固定接口以及微音器置放口等。注意到几种常见的降噪措施也可以运用在光声池的制作中，例如在光声池内壁镀膜、加透镜、以布鲁斯特角入射等，同时也可以优化光信号的入射效率。针对方案设计合适的电路图并采购相关芯片材料等完成焊接，选择合适的光源以及微音器，进行气体实验。整理实验数据，对仿真结果进行验证。整理模型仿真和气体实验的数据结果，撰写并完成论文。

[1] Y. Cao , W. Jin , H. L. Ho , et al. Miniaturefiber-tip photoacoustic spectrometer for trace gasdetection[J]. Optics Letters, 2013, 38(4):434-436.

[2] C.Wang , W. Jin , J. Ma , et al. Suspended core photonic microcells for sensingand device applications.[J]. Optics Letters, 2013, 38(11):1881-1883.

[3] K. Liu , Y. Cao , G. Wang , et al. A novel photoacoustic spectroscopy gas sensorusing a low cost polyvinylidene fluoride film[J]. Sensors amp; Actuators:B. Chemical, 2018,277(2018):571-575.

[4] J. Peltola , T. Hieta , M.Vainio . Parts-per-trillion-level detection of nitrogen dioxide bycantilever-enhanced photo-acoustic spectroscopy[J]. Optics Letters, 2015,40(13):2933-2936.

[5] M. Lassen, D. B. Harder ,A. Brusch , et al. Photo-acoustic sensor for detection of oil contaminationin compressed air systems[J]. Optics Express, 2017, 25(3):1806-1814.

[6] 云玉新，陈伟根，孙才新，潘翀. 变压器油中甲烷气体的光声光谱检测方法[J]. 中国电机工程学报，2008，28(34): 40-46.

[7] 裘吟君，唐炬，范敏，刘岩，袁静帆. SF6局部放电分解产生SOF2特征组分的光声光谱检测[J]. 高电压技术，2013，39(5): 1163-1169.

[8] 姜萌，冯巧玲，魏宇峰，王聪颖，梁同利. 小型化光声光谱气体传感器的研究进展[J]. 激光与光电子学进展，2015，52(02): 68-78.

[9] 陈颖，高光珍，蔡廷栋. 基于光声光谱的乙烯探测技术[J]. 中国激光，2017，44(5): 261-267.

[10] 查申龙，刘锟，朱公栋，谈图，汪磊. 基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度[J]. 光谱学与光谱分析，2017，37(9): 2673-2678.

[11] 李莉，谢文明，李晖. 光声光谱技术在现代生物医学领域的应用[J]. 激光与光电子学进展，2012，49(10): 69-76.

[12] 史明坤，胡兵，应花山，邹非，纪明阔. 激光检测乙烯浓度的光声光谱效应研究[J]. 激光技术，2016，40(3): 426-431.

[13] 王建业，纪新明，吴飞蝶，等．光声光谱法探测微量气体［Ｊ］．传感器技术学报，2006，19(4)：1206-1211

[14] 马欲飞,于光,张静波, 等. 基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究[J] . 光谱学与光谱分析, 2015,35(11):3003-3006.

[15] 吕权息, 龙梅丹, 刘龙为. 基于光声光谱技术的氟化氢气体检测仪的研究[J]. 环境科学与技术，2016，39(4)：83-87.

[16] 张英, 余鹏程, 李军卫，张晓星. 基于光声光谱的SF6分解组份在线监测装置[J]. 武汉大学学报（工学报），2016，49(1)：105-109.