摘 要

光声光谱技术是一种以光声效应为基础原理的微量气体检测技术。由于其不消耗气体、对声信号的探测、直接检测吸收光能等特性，避免了对高性能光电探测器的需求，具有高灵敏度、高选择性，响应速度快与实地检测等优势，在石化产业、电力行业与环境检测等方面都有着越来越多的应用。

为研究不同工作方式下光声池内声信号的分布情形，本论文采用多物理场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics针对谐振式与非谐振式光声池进行仿真，探究了几种不同类型的谐振式光声池的声压分布，并改变光声池的结构参数，分析其谐振频率随光声池长度直径变化的关系。同时对现有非谐振式光声池建立三维模型，仿真其声场分布,分析改变光声腔参数对腔内声压值的影响。最后，本文对光声池内噪声的种类与来源进行了分析，并针对性地提出了解决方法。

本文的研究结果将对光声池的结构设计与降噪处理有指导性意义。

关键词：气体检测；光声池；多物理场仿真

Abstract

Photoacoustic spectroscopy is a micro gas detection technology based on the principle of photoacoustic effect. Because it does not consume gas, detects sound signals, directly detects absorbed light energy, etc., it avoids the demand for high-performance photodetectors, and has the advantages of high sensitivity, high selectivity and fast response and on-site detection. There are more and more applications in the industry, power industry and environmental testing.

In order to study the distribution of acoustic signals in photoacoustic pools under different working modes, this thesis uses multi-physics coupled finite element analysis software COMSOL Multiphysics to simulate resonant and non-resonant photoacoustic cells, and explores several different types of resonant modes. The sound pressure distribution of the photoacoustic cell changes the structural parameters of the photoacoustic cell, and analyzes the relationship between the resonant frequency and the diameter of the photoacoustic cell. At the same time, a three-dimensional model is established for the existing non-resonant photoacoustic cell, the sound field distribution is simulated, and the influence of the parameters of the photoacoustic cavity on the sound pressure value in the cavity is analyzed. Finally, this paper analyzes the types and sources of noise in the photoacoustic pool, and proposes solutions in a targeted manner.

The research in this paper will be of guiding significance for the structural design and noise reduction of photoacoustic cells.

Key words: gas detection; photoacoustic cell; multiphysics simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容及章节安排 3

第2章 基本原理 4

2.1气体分子对光能的吸收 4

2.2 声的激发过程 6

第3章 光声光谱系统设计 8

3.1光源设计 9

3.2气体谱线设计 9

3.3光声池设计 10

3.4噪声分析 11

第4章 光声池仿真 13

4.1谐振式光声池仿真 13

4.1.1普通圆柱式光声池仿真 13

4.1.2双缓冲腔式光声池 15

4.1.3空心玻璃管式光声池 16

4.1.4结构参数对谐振式光声池声压分布的影响 17

4.1.5赫姆霍兹式光声池 18

4.2非谐振式光声池仿真 19

第5章 总结与展望 23

5.1总结 23

5.2展望 23

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

随着当今社会科技与工农产业的不断发展，人类在生产过程或生活环境中接触到的气体的种类不断增加，气体的组成结构等也变得更加复杂，对这些气体的观测不仅关系着生产的安全与质量，更与人类的身体健康与生命财产安全息息相关。对气体的组分、浓度的关注不仅可以提升工作人员对生产过程的把控，更能提高人们对环境污染的警觉，有效避免安全事故的发生。气体探测在医疗、食品产业、环境污染检测、火灾警示以及电气设备安全等方面都极其重要。在医疗行业，对病人的血液气体检测和肺功能检测可以通过分析病人身体内微量气体浓度的变化，为判断病人的健康状况以及疾病原因提供有效信息和佐证^[1]。在食品行业中，许多食品的加工工序中会用到各种气体如^[2],^[3]等气体，对这些气体的关注可以保证食品的新鲜与安全。在环境问题日益严重的当下，环境污染气体如、NO^[4]等愈发严重，对这些气体的检测也是人们生活的安全保障。而在火灾警示方面，在火情发生的时候，浓烟释放的气体会导致室内浓度异常，通过火灾报警器对气体进行检测，可以向住户发出警报，甚至通知消防安全部门^[5]。国家电力系统中变压器普遍使用绝缘油等材料，而当电力系统出故障或者长期运行的情况下，变压器中绝缘油会在局部放电或者过热的情况下发生裂解，产生，CO，，，等气体^[6]，根据国标GB/T 72 52-2001^[7]，对这些气体的组成与浓度的分析有助于分析变压器故障，也可以提前发现隐藏的问题，保障安全减少重大损失。

微量气体探测技术的不断发展使得这些领域在十几年来取得了很重大的突破，目前主要的几类气体传感器包括有半导体气体传感器和光学气体传感器等。半导体气体传感器的原理主要为通过半导体材料与气体发生反应时引起载流子运动，导致材料的电阻或者电压电流发生变化，通过对这些参量的检测可以实现对气体浓度的检测。但是此种气体检测的方法无法实现气体的选择，并且可能由于非目标气体的干扰导致对目标气体的探测出现错误，故在气体组分较多的情况下并不适用。光学气体传感器目前最普遍方法为吸收光谱法，例如可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)^[8]，是一种通过测量激光在气体中的吸收损耗来检测气体浓度的方法。当特定波长的光经调制后打入充满待测气体的气室，气体分子对光的吸收使出射光的能量比入射光减小。通过对入射与出射光的强度的测量，根据比尔朗伯定律，根据气体浓度与光强、吸收系数。吸收长度的关系，便可以求出气体的浓度。但是在气体浓度极低的条件下，光探测器的电噪声或者激光器的散粒噪声以及相对强度噪声会很大程度上影响检测极限。

光声光谱技术在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。其原理为被调制的激光射入待测气体的光声池，能量被气体分子吸收产生声波，检测到的声压强度与气体浓度成正比，经后续信号处理即可得到气体浓度的值。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，设计出光声光谱系统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以及环境污染的检测等领域有突出的应用价值。

1.2国内外研究现状

光声光谱技术可以追溯到1880年发现的在固体中的光声效应。美国科学家Bell使用薄膜片接收阳光的间断照射，发现可以产生声波，于是他将此现象称为光声效应^[9]。在随后的一年里，液体和气体的光声现象也相继被Bell和他的同事们发现^[10,11]。但是由于当时的整体科技水平落后，研究人员还不能制造出高功率的光源和高性能的声波检测器，光声光谱技术在50多年的时间里几乎处于停滞状态。而在1938年，苏联科学家Viengrov才首次将光声效应引入到气体探测中来：将电热丝作为红外光源,通过测量传声器膜片间的电压值，实现了对和的浓度的探测^[12]。随后的几十年里，激光器得到了迅速的发展，各种高功率的激光器层出不穷，并且高性能的微音器的发展也为光声光谱技术的变革提供了土壤。研究人员逐步将目光放到这一长久沉寂的技术上来。1968年，Kerr与Atwood一起以脉冲红宝石激光器作为激励光源^[13]，采用光声光谱方法，测量了气体分子的吸收光谱。1971年，Kreuzer通过理论分析计算得到气体光声光谱的检测极限可达0.1ppt量级^[14]。

21世纪以来，更多的高性能光源例如差频激光器、可调谐半导体激光器、量子阱激光器、量子级联激光器等被相继研发。这些激光器各自都有着功率高或波长范围宽的优势，可通过光声光谱法测量的气体种类也增多。光声池的设计也发展出了诸多类型。除了常规的一维纵向式谐振腔以外，还发展出了赫姆霍兹谐振腔。空穴式谐振腔等，在设计方面加入了缓冲室、内壁镀膜以及布鲁斯特角入射等手段优化激光入射效率，降低噪声。在微音器方面，现在除了电容和电压式微音器，还有正在研发的F-P式微音器，石英音叉，以及悬臂梁增强型微音器等结构。芬兰的Jari Peltola等人基于悬臂梁增强型原理，研制出一种光声传感器，检测NO₂精度可达50ppt^[15]。安徽光学精密研究所的刘锟提出了一种基于PVDF薄膜的光声信号传感器^[16]。在具体的设备研发上面，小型化、便携化是光声光谱技术的发展趋势。荷兰的Mikael Lassen等人研发了一种用于压缩空气系统的油污染在线传感器，检测精度达到0.3ppb。芬兰的Garesa公司^[18]以及美国的GE公司在产品研发方面做得比较成熟，已经初步实现了设备的小型化^[17]。

1.3本文研究内容及章节安排

本文从光声光谱技术在气体探测方面高灵敏度，高选择性的优势出发，对谐振式与非谐振式这两种应用于不同场景的光声池技术进行分析和探讨。首先，理论分析光声光谱技术应用于气体检测的实现原理；然后通过软件仿真实现多种光声池内部声场结构分析，选择最合适的方案用于实验，对仿真结果进行验证，并测试实际的测量精度。

论文章节安排如下：

第1章，首先分析气体探测的意义，再通过对比其他气体探测技术体现光声光谱技术的优势，对光声光谱技术应用于气体探测的背景和本论文研究课题的目的及意义进行简单介绍，其次对该技术的国内外研究现状进行介绍；最后说明论文的研究内容以及每个章节的工作安排。

第2章，首先介绍光声光谱技术的基本原理，对光声池内部的能量转换过程进行理论分析，主要为光热转换，热声转换两部分。并对光声池内部光声转换的过程进行理论分析。

第3章，首先对光声光谱进行整体介绍，分析其系统构成与整体实施思路。其次，分别从光源，气体分析、光声池和噪声分析四个角度对光声光谱系统进行分析。从适用波段、可调谐范围、以及光源功率等角度分析，选择最合适的激光器作为实验光源。对谐振式与非谐振式两种不同结构光声池的声场特征分别进行讨论，就其适用范围进行分析。对光声池可能出现的噪声情况进行分析，了解其特性与来源，并根据其特点提出相对应的解决措施或手段，为进一步实施方案进行试验提供参考。

第4章，针对谐振式和非谐振式两种类型的光声池的声场模式进行分析，采用Comsol Multiphysics软件进行三维模型的仿真工作，设定光源能量密度，束腰半径等参数，对光声池模型的直径，腔长等参数设定，通过有限元物理场仿真模型，仿真其腔内声压分布与压强典型值。并对不同气体种类对光声信号声压之间的关系进行了讨论分析。

第5章，对论文进行总结和展望。

第2章 基本原理

气体的光声效应是指，通过使光按一定的频率断续射入密闭容器中的气体时，由于气体分子周期性吸收光能产生无辐射跃迁释放能量，则会导致释放热量和体积膨胀的周期性变化，由此导致压力波产生。对光声信号的检测原理主要由以下框图表示：首先，对光源的出射光进行强度和波长的调制并入射到光声池内；第二，光声池内气体吸收调制光，基态分子吸收能量跃迁至激发态；第三，由于分子间碰撞和激发态分子的无辐射跃迁将所吸收的光能转化为分子的动能。此时气体分子在宏观层面上温度升高，由于气体体积恒定，温度的升高会使得气体的压强增大；四，在密闭空间中对光源周期性的调制，气体温度也会随光源的调制产生周期性变化，从而导致周期性的压强变化，即为声波。

图2.1 光声光谱技术检测原理图

2.1气体分子对光能的吸收

气体分子由于在其构成原子种类数目的不同，以及成键方式不同导致的键强度、键角度方面的差异，形成了其在物理化学性质方面上的差别，最终会导致气体分子对红外辐射的吸收上的不同。对于每一种气体，由于其内部振动和转动能级跃迁所需能量不同，各自需要不同波长的光激发能量，于是对应形成了在不同波长处的谱线吸收。以波数(cm^-1)或者波长(nm)为横坐标，气体的吸收系数(cm^-1)或者吸收线强度(cm^-1/(mol*cm^-2))等吸收特性为纵坐标，绘制得到的曲线图即为气体的红外吸收光谱。

当用红外辐射光照射气体的时候，辐射会在被气体吸收一部分后出射，此过程遵循朗伯比尔定律，出射光的强度满足为：

(2.1)

其中，为入射光频率，是入射光强度，为气体吸收系数，为气体浓度，为气体层厚度。其中气体的吸收系数与气体本身的性质有关，而与气体的浓度，吸收气体层的厚度无关。绘出气体的吸收系数随波长变化关系的谱线图后，就可以根据此结果对气体吸收波长进行选择，以得到最佳的光声信号结果。

在本章中，采用能级粒子数密度的分析方法来讨论气体光吸收过程，并进一步推导由于无辐射所产生的热能表达式。对于简单的情形，分子数密度为N的气体可以用包含基态分子数密度和激发态分子数密度的双能级系统表示，激发态分子数密度速率方程为^[19]：

(2.2)

其中，Nacute;为激发态分子数密度，而表示基态分子数密度，t为时间，是波数为，通量为的入射光激发速率，是激发态的弛豫时间，对吸收截面为的分子，激发速率由下式决定^[20]：

(2.3)

激发态的弛豫时间的倒数为无辐射跃迁寿命和辐射跃迁寿命的倒数之和。

(2.4)

气体分子在吸收红外辐射后，基态分子跃迁至激发态。在激发态下，分子以无辐射跃迁和辐射跃迁两种形式跃迁至基态。标准气压条件下，辐射跃迁寿命在~s之间，而无辐射跃迁的寿命在~s之间。由于无辐射跃迁时间远远短于辐射跃迁时间，激发态的分子绝大部分以无辐射跃迁的形式回到基态，故和近似相等。在此过程中将释放出热能。一般气体的激发速率极小，因此远小于，而激发态分子的受激辐射一般可以忽略不计，则此时式(2.2)可以化简为^[21]：

(2.5)

对于复合谐波调制的入射光通量可表示为：

(2.6)

在光信号的产生过程中，只有与相关的时间因子起作用，因此，可解得

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