石英增强光声光谱技术研究与探索

论文摘要

痕量气体检测技术的发展对于大气环境监测,爆炸物的远距离探测及生物生理状态检测等都具有十分重要的意义。光声光谱由于具有灵敏度高,动态范围大,探测器响应与入射波长无关等特点,一直以来都是痕量气体检测技术最重要的发展方向之一。新近出现的石英增强光声光谱,代表了光声光谱技术发展的新方向。本文对石英增强光声光谱技术原理进行了研究,提出了光纤光路石英增强光声光谱系统方案。使用空气中的水汽为被探测微量气体,在开放的大气环境中完成了石英增强光声光谱实验,并对实验数据进行了分析。石英增强光声光谱的原理涉及到红外气体吸收,波长调制与解调,光热光声信号的产生和检测等多方面的内容。本文对红外气体吸收过程中涉及到谱线强度,线型函数,线宽等物理量的概念及其查找或计算方法进行了重点理解和把握。在傅立叶分析的基础上对波长调制和解调过程进行了理论分析。从周期性能量变化的角度出发简单的介绍了光声信号的产生。介绍了石英增强光声光谱与传统激光光声光谱的区别与联系,分析了其信号特点。在石英增强光声光谱中,石英音叉起到了累积光声能量和探测光声信号的双重功效。本文从石英晶体的正逆压电效应入手,分析了石英音叉作为能量累积器和声传感器的机理。设计完成了石英音叉特性测试电路,并进行了石英音叉的特性测试实验,获得了石英音叉的共振频率,品质因子和等效电阻值等特性参数值。只有让气体吸收发生在两叉股间隙的中央,才能让石英音叉产生有效的压电流。基于此点考虑,本文提出了光纤光路石英增强光声光谱方案,并搭建了相应的实验系统。另外还给出了准直会聚光路实验方案,并从声学角度出发,讨论了微共振管使用的限制条件,并给出实验条件下,不同内径尺寸微共振管的理论长度值。完成了激光器温度特性和电流特性测试实验。根据测定的激光器特性参数和吸收谱线的光谱参数最终确定调制信号的具体形式。使用空气中的水汽为被探测微量气体,完成了石英增强光声光谱实验,根据实验结果,得到光纤光路石英增强光声光谱系统的归一化噪声等效吸收系数是7.15×10-7cm-1·W/Hz1/2,准直会聚光路实验系统配合使用内径0.9mm和1.2mm的共振管,分别达到了2.40×10-6cm-1·W/Hz1/2和3.83×10-6cm-1·W/Hz1/2。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 痕量气体检测技术
• 1.3 光声光谱国内外研究现状及石英增强光声光谱技术特点
• 1.4 本课题的研究目的和论文的主要内容
• 2 石英增强光声光谱基础与原理
• 2.1 气体分子红外吸收基本原理
• 2.1.1 气体分子红外吸收光谱基础
• 2.1.2 吸收定律
• 2.2 波长调制技术
• 2.3 光声光谱技术
• 2.4 QEPAS 技术
• 2.5 本章小结
• 3 石英音叉
• 3.1 石英晶体及压电效应
• 3.2 石英音叉
• 3.3 石英音叉等效电路及特性测试电路
• 3.4 石英音叉特性测试
• 3.5 本章小结
• 4 QEPAS 气体检测实验系统构建
• 4.1 吸收物及吸收线的选择
• 4.2 激发光源的选择
• 4.2.1 激光器的分类及实验光源的选择
• 4.2.2 激光器控制单元
• 4.3 光学模块
• 4.3.1 光纤光路
• 4.3.2 准直会聚光路
• 4.4 共振管及其支架
• 4.5 本章小结
• 5 信号控制与光声信号处理解调
• 5.1 控制信号生成与数据采集
• 5.2 激光器的温度控制
• 5.3 锁相放大与光声信号解调
• 5.4 本章小结
• 6 实验与结果分析
• 6.1 激光器特性实验
• 6.1.1 内部监测二极管的功率显示校准
• 6.1.2 可调谐DFB 激光器温度特性测试
• 6.1.3 可调谐DFB 激光器电流特性测试
• 6.2 系统实验及结果分析
• 6.2.1 关于空气中水汽含量的计算
• 6.2.2 归一化噪声等效吸收系数
• 6.2.3 光纤光路石英增强光声光谱实验
• 6.2.4 准直会聚光路石英增强光声光谱实验
• 6.2.5 谐波线翼变形的理论分析及消除方法
• 6.3 本章小结
• 7 全文工作总结和未来工作展望
• 7.1 全文研究总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目