1. 研究目的与意义（文献综述）

光声光谱技术(photoacoustic spectrometry, pas)是基于光声效应，通过直接测量物质因吸收光能而产生的分子热运动的一种光谱量热技术。光声信号的产生是一个复杂的光、热、声有机结合的能量转换过程，当光声气室内样品受到一束调制或脉冲单色光照射时，以无辐射弛豫方式将吸收的光能部分或全部地转换成热，样品受热体积膨胀，会产生声压信号。对入射光强加以周期性的调制，则气体温度升高导致气体分子周期性运动碰击气壁，从而产生周期性变化的声压信号，用高灵敏度的声传感器便可接收到光声信号。气体光声光谱检测传感技术具有不消耗气样，无需分离气体可直接测量且灵敏度高，检测速度快，性能稳定等优点，在变压器绝缘油中气体检测、生物医学检测等领域具有良好的应用前景。

1880年bell首次发现固体中存在光声效应，次年bell以及tyndal和ronetgen各自独立实验并发现光声效应同样存在于液体和气体中。随后几十年受限于光源等的技术问题，光声效应没有实质进展。直到1938年，viengerov研制出世界上首台基于红外黑体光源及麦克风检测的光声光谱仪，为其走向应用奠定了基础。随后的红外光源的发展，以及麦克风（微音器）灵敏度的大幅度提高（在20世纪70年代），锁相放大器的出现，使高性能的的光声气室的制作得以实现，连带着光声光谱的检测精度以及效率也得以飞速提高，从而大大提高了光声光谱的检测极限。光声气室是光声光谱检测法中的核心部件，是气样和激光能正常产生作用的物理保证，结构包括缓冲室（带进出气孔）、谐振腔、微音器、窗口五大部分。在设计光声气室时，针对的待测目标气体不同，会对光声气室的几何尺寸有不同的要求。按照工作方式光声气室又分为谐振式光声气室和非谐振式光声气室，非谐振式光声气室具有结构简单、体积小等特点，但由于信噪比低且不可用于流动气体的检测，因此本次设计中采用的是谐振式光声气室这一结构。

关于光声气室的仿真模型的计算法则，比较成熟的有四端网络法和有限元法。一维光声气室的仿真模型一般使用基于声阻抗的传输线模型，而我们在处理时是使用类比的方法将其等效成lrc振荡电路，在处理后发现光声气室可以等效成一组含有电流源的四端子，而对这一组四端子进行迭代计算，就是四端网络法，相对的，这一组四端子将气室分的越细致，仿真结果越好，但计算量也越大；有限元法则是基于软件的计算能力，将气室分成很多的网格并对每一处进行计算，比起四端网络法，有限元法可以模拟任意形状的光声气室，应用更广一些，但是作为设计的基础，四端网络法是必须要掌握的，本次的设计也是基于四端网络法进行的。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1. 了解气体光声光谱法的检测原理，掌握一维谐振式光声气室的设计理论；

2. 基于四端网络法或有限元法等光声气室设计理论及Matlab/C/C 等设计软件，设计出光声气室仿真的交互界面，分析出各因素对光声气室性能的影响，设计出合理的谐振式光声气室尺寸；

3. 设计并搭建光声气室性能测试的实验平台，测量光声气室的各种性能，并分析光声气室实际性能与理论值不同的原因及改进方法；

4. 搭建气体检测平台，测量C₂H₂气体，实现相应气体浓度检测极限达到30ppm以下，分析实验中各种因素对检测极限的影响以及如何提高系统检测极限

2.2目标

完成仿真平台的搭建；

实现C2H2气体浓度检测极要求。

2.3拟采用的技术方案及措施

2.3.1一维光声气室仿真平台的搭建

利用MATLAB的GUI设计功能，查阅相关书籍，完成交互界面设计，完成光声气室仿真设计程序的编写。条件允许的话使用VC 实现对MATLAB的调用，以提高运行速度。

2.3.2光声光谱气体检测平台的搭建

图 1 光声池纵面剖图

光声池的基本结构如上图所示，通过布儒斯特窗口入射的周期型脉冲激光在谐振腔处和气体作用，借由光声效应产生周期性的声波并被高灵敏度的微音器接收，而缓冲室的存在，使谐振腔处的气体流速稳定且均匀，同时也避免进气孔进入的气体冲击气壁造成的涡流影响谐振腔出的作用。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献，明确研究内容。学习并理解光声光谱法的基本原理，理解光声气室的设计要求，搜索关于matlab的gui设计的资料；

第4周：开题报告修改与提交；

第5周：明确翻译文章并翻译；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 蔡阳. 绝缘油中微量乙烷乙炔气体检测[d]. 武汉：武汉理工大学，2014.

[2] 刘冰洁.一阶纵向光声池及多组分气体光声光谱检测特性研究[d]. 重庆：重庆大学，2011.

[3] 张英. 基于光声光谱法的sf_6气体分解组分在线监测技术[j]. 高压电技术，第42卷：2995-3002.

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