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光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究
资料介绍
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。
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第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．１ ２７ ３１
ｐｐ
第
卷
３７
ꢀ
期
１
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
－
，
Ｊａｎｕａｒ ２０１７
ｙ
ꢀ
年
月
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ
２０１７
ꢀꢀꢀ
１
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ
ꢀｐ ꢀ
ｐｙ ｙ ꢀ
ꢀ
光声光谱与
技术在不同气压下的特性研究
ＴＤＬＡＳ
１
２
２
，
鞠
，
韩
陈奕钪
昱
立
ꢀ
ꢀ
，
中国南方电网超高压输电公司广州局 广东 广州
１．
５１０４０５
ꢀ
，
中国科学院电工研究所 北京
２．
１００１９０
ꢀ
， ，
的基本原理 讨论了两者之间的联系 推导了光声信号和
摘
要
基于
ꢀ
与
ＰＡＳ ＴＤＬＡＳ
信号与气压
ＴＤＬＡＳ
ꢀ
，
，
气体测量的对比装置 并对两者在不同气压条
的关系式 设计并构造了一个可以同时进行
与
ＰＡＳ ＴＤＬＡＳ
：
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
， ； ，
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
ＴＤＬＡＳ
； ，
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
。
； ； ；
气体检测 气压特性
ＴＤＬＡＳ
关键词 光声光谱
ꢀ
：
：
文献标识码
Ａ
： ／ （ ）
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０１００２７０５
ｊ
ꢀꢀꢀ － －
－
中图分类号
ＴＰ２１２．１
ꢀꢀ
（
ＰＡＳ
）
与
ＴＤＬＡＳ
光声光谱
内在联系
的基本原理与
１
ꢀ
引
言
ꢀ
，
随着人类社会的发展 人类对于气体检测技术要求不断
ꢀꢀ
［］
１
，
：
提升 从高空中低压条件下的有毒气体含量
，
气体分子的能级结构导致其在与光相互作用时 选择吸
到地面上常
ꢀꢀ
收特定能量的光子 从而跃迁到激发态
被测气体对激光的吸收导致激光强度产生衰减 气体含
［］
２
，
，
。
压下的各类大气污染检测
还有高压锅炉中保护气体的监
［］
３
等
，
在各种条件下对气体
。
测以及内燃机中燃烧过程的分析
。
， 。
量越大 吸收越强烈 入射光强和出射光强的关系可用
检测技术都有着不同的需求
Ｌａｍ
－
（ ）
技术是间接吸收光谱法中一种重要的检
ＰＡＳ
光声光谱
定律描述
ｂｅｒｔＢｅｅｒ
－
， 、 、
测手段 具有高灵敏度 宽动态范围 仪器实现简单以及快
（）
Ｉ
ν ＝
（）
ｅｘ
（
ｎｌ
ｐ － α
）
（）
１
Ｉ
０
ν
［
］
４６
。
－
，
速响应等优点 已 经 引 起 各 界 学 者 的 广 泛 关 注
（） （） ，
为出射光强
Ｉ
ν
０
（） ，
为入射光强 为气体吸收系
α
可 调 谐
式
中
１
Ｉ
ν
（ ）
技术是直接吸收光谱法
ＴＤＬＡＳ
，
ｌ
。 ，
为吸收长度 通过测量得到气体吸收前后的光强比 既
半导体激光光谱吸收光谱
数
， ，
中最为常用的一种 采用半导体激光器作为光源 具有成本
。
。
技术的理论基础
可得出所测气体浓度
这就是
ｎ
ＴＤＬＡＳ
、 、 。
寿命长 工作稳定等优点
，
气体分子在激发态停留极为短暂的时间后 通过辐射或
低
，
在国内 外 都 有 大 量 的 学 者 分 别 对 光 声 光 谱 与
。 ，
者无辐射跃迁至低能态 发生无辐射跃迁时 其能量转化为
ＴＤ
－
［
］
７９
技术进行研究 但目前仍 未 发 现 有 将 两 者 联 系 起 来
－
，
， 。 ，
分子内能 气体温度升高 此时 调制入射光的频率或者强
ＬＡＳ
。
， ，
度 气体温度将发生周期性的变化 变化频率与调制频率一
进行对比研究的
本文基于
，
的基本原理 讨论了两者之间
。 ，
由理想气体状态方程 可 知 在 气 体 体 积 一 定 的 情 况 下
，
与
ＰＡＳ ＴＤＬＡＳ
致
，
的联系 推导了光声信号和
，
，
气温的周期性变化将导致气压的周期性变化 从而产生声音
信号与气压的关 系 式
ＴＤＬＡＳ
。 、 、
信号 声音信号的强度与气体吸收系数 气体浓度 光源功
设计并构造了一 个 可 以 同 时 进 行
与
ＰＡＳ 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
。
率以及吸收光程等有关 用声传感器测量该声音信号便可以
，
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
。
间接测定吸收气体的浓度 光声信号 可以表示为
Ｓ
。
（ ）
（）
２
参考
Ｓ
Ｓ Ｆ ｎＰ
ω
ｓ
＝
α
ｗ
ｃ
ｅｌｌ
－１
，
Ｓｗ
，
Ｖ
·
；
ＦＣｅｌｌ
，
是 池 常 数
其中
是声 传 感 器 的 灵 敏 度
Ｐａ
－１
· ·
Ｐａ ｃｍ
；
（ ） ， 。
是激发光声信 号 的 光 源 功 率 根
Ｗ
ω
Ｗ
Ｐ
ｓ
：
，
：
修订日期
２０１５１２２４
收稿日期
２０１５０９２５
－ －
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（
）
资助
基金项目 国家重大科学仪器设备开发专项
２０１１ＹＱ０３０１１２
：
，
，
年生 中国科学院电工研究所博士研究生
：
ｅｍａｉｌ ｃｋ２２６８００ １６３．ｃｏｍ
－ ｙ ＠
作者简介 陈奕钪
１９８９
ꢀꢀ
光谱学与光谱分析
第
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
卷
３７
２８
， ，
据此式 若已知其他量 则通过测定声传感器收到的光声信
（ ）
１２
Ｐ
ＮｋＴ
＝
［
］
０
。
１
， 。
就可计算出待测气体的浓度 这就是光声光谱法
，
那么 联立式
（ ）
和式
１１
（ ），
１２
号
处气体的吸收系数 可以写
α
０
ｆ
。
ＴＤＬＡＳ
下面来阐述两者的内在联系
本质上测量的是
为
，
（）
被吸收光子的能量
光声光谱本质上测量的是气体吸收
ＥＴ
Ｎ
α＝ σ ＝
０
ＮＳ
０
＝
ｇＶ
ｓ
ｎ
Ｔ
，
光子后温度变化造成的体积周期性膨胀 通过光声池转化而
Ｐ
Ｐ
Ｔ
０
２ｋＴｌｎ２
ｆ０
＝
ｃ
γ
Ｌ
［
ｃ
＋
Ｄ
Ｌ０
（ ）
Ｐ０
ｋＴ
］
ｃ 槡ｍ
Ｔ
（ ）
。
释放出的声波能量
则有
ＥＰ
ＥＰ
（）
３
１
Ｐ
２ＥＴ
１
ＥＴ
＝
η
＝
０
ηηη
，
分别为无辐射跃迁 光声池以及声传感器
２
η
（ ）
１３
ｎ
ｋＴ
Ｔ
１
Ｔ
０
２ｋＴｌｎ２
ｆ０
（）
中
３
０
，
１
η
、
式
η
ｃ
γ
Ｌ
（
Ｐ
ｃ
＋
Ｄ
Ｌ０
（ ）
Ｐ
０
）
Ｔ
（ ）
ｃ 槡ｍ
，
。
为总的能量转换效率 在理想条件下
，
的能量转换效率
η
η
一阶纵向共振式光声池的品质因素主要由面损耗
ｆ决
Ｑｕ
ｓ
ꢀꢀ
，
则
１
。
ＥＴ
， ，
是释放 两者信
ＥＰ
为
与
ＥＴ ＥＰ
大小相等
是吸收
［ ］
１２
定
。
１８０°
号的相位差理论值为
Ｒ
ｃ
（ ）
１４
Ｑｕ
ｓｆ
＝
（
＋ γ－
） （ ／ ）
１ｄ １ ２Ｒ Ｌ
ｃ ｃ
ｄ
ｖ
＋
ｈ
（ ） ，
中
１４
，
Ｒ
ｃ
式
为气体热容比
和 分别为光声池的半径和
Ｌ
ｃ
γ
和光声信号与气压的关系推导
２ ＴＤＬＡＳ
ꢀ
。
长度
和
分别为粘滞性边界层的厚度和热边界层的厚
ｄ
ｈ
ｄ
ｖ
，
度
表达式为
，
即
理想的气体吸收截面 可以写作频率的 函数
σ δ
ｉｋ
ꢀꢀ
２ａ
η
２
κ
，
ｄ
＝
ｖ
（ ）
１５
ｄ
ｖ
（
－
ｆ ｆ０
）
（）
４
＝
Ｓ
σ
ｉｋ
＝
δ
ｓ
Ｃ
ω
ｐ
ω
槡
ρ
槡
ρ
（） ，
， 。
为谱线中心频率 但是实
ｆ０
式
中
为谱线吸收强度
Ｓ
ｓ
４
（ ） ，
中
１５
，
ρ
，
为气体密度
ａ
式
是光声池共振角频率
为气体
ω
η
， 。
际上 相对于激光的单色性 分子吸收谱中谱线并不是严格
，
κ
，
。
为气体定压摩尔热容 在
粘滞系数
为气体导热系数
Ｃ
ｐ
， 。
单色的 都会有一定的展宽 展宽体现在吸收谱线在频域上
［
］
３
。
１
，
温度 不变时 对于给定的气体
Ｔ
，
ａ
η
，
κ
和
均为常数
Ｃｐ
，
有一个强度分布 可用式
（）
描述
５
光声池共振频率 ｅｌｌ为
ｆＣ
（
Ｓ
－
ｓｇ ｆ ｆ０
）
（）
５
σ
ｉｋ
＝
ω
（ ）
１６
＝
ｆＣｅｌｌ
（） ，
中
５
，
ｆ０
，
为吸收谱线的中心频率 而
式
为光波频率
Ｓ
ｓ
ｆ
２
π
［ ］
１４
，
ｇ
。
为 谱 线 的 线 型 根 据 展 宽 机 制 的 不 同
，
为吸收谱线强 度
一阶共振光声池的池常数
理论计算公式为
ＦＣｅｌｌ
ꢀꢀ
、
气体吸收谱 线 的 线 型 函 数 可 分 为 洛 伦 兹 高 斯 和
线
Ｖｏｉｔ
ｇ
（
）
ｓｕｒ
２
１ Ｑ
γ－
（ ）
１７
ＦＣｅｌｌ
＝
２
ꢀ
２
Ｒ
ωπ
ｃ
。
型
洛伦兹线型考虑了自然展宽和碰撞展宽
，
又由理想气体定律 可知气压与气体密度的关系为
ꢀꢀ
／
γ π
Ｌ
（
ｆ
）
－
ｆ０
（）
６
＝
ｇＬ
２
）
＋γ
２
２
（
ｆ
－
ｆ０
Ｌ
ＲＬ ｍＰ
π
ｃ
ＰＶ
ｃ
（ ）
１８
ｍ
＝
＝
ρ
ｎ
Ｔ
ＲＴ
ＲＴ
Ｐ
Ｔ
０
（）
７
γ ＝γ
Ｌ
Ｌ０
（ ）
Ｐ０
（ ） ，
中
１８
，
。
为普适气体常数
Ｒ
Ｔ
（ ）
式
为单个气体分子质量
联
ｍ
（）
中
６
，
为洛伦兹线形的半高半宽 也即是碰撞和压力展
γ
Ｌ
式
（ ）— （ ），
式
１８
立式
整理可得
的表达式
ＦＣｅｌｌ
１４
。
式
（）
７
γ
Ｌ０
，
环境温度
Ｐ
０
宽的线宽
是在环境压力
下的半
Ｔ
０
（ ）
１
γ－
Ｌｍ
槡 ｃ
Ｐ
ＦＣｅｌｌ
＝
２
，
。
为温度系数
高半宽
ｎ
ｆＣｅｌｌ
槡
Ｔ
（
＋ γ－
）（ ／
１ １ ２Ｒ Ｌ
＋
） ／
κ
槡
π
Ｃ
ｐ
］
ｃ
ｃ
槡
［
η
高斯线型考虑的是多普勒展宽
（ ）
１９
２
（ ） （ ）
和 带入式
１３ １９
（ ），
整理可得到光声信号与气
２
将式
１
ｌｎ２
ｅｘ
ｆ－ｆ
０
ꢀꢀ
（ ）
＝
ｇＤ ｆ
（）
８
ｌｎ２
ｐ －
［
（
γ
Ｄ
）］
γ
Ｄ
π
槡
压的关系
（ ）
ＳｎＰ
α ω ＝
ｗ ｓ
２ｋＴｌｎ２
ｆ０
Ｓ
＝
（）
９
γ
Ｄ
＝
ｃ 槡ｍ
１
Ｐ
·
（）
中
８
。
式
（）
中
９
，
为气体分子质量
ｍ ｋ
ｎ
Ｔ
式
为高斯线型线宽
γ
Ｄ
ｋＴ
１
Ｔ
０
ｂ
ｆ０
２ｋＴｌｎ２
ｃ
γ
Ｌ
（
Ｐ
ｃ
＋
Ｄ
Ｌ０
（ ）
Ｐ
０
）
。
为玻尔兹曼常数
自然展宽很小 一般可以忽略 在温度较高或压强较大
Ｔ
（ ）
ｃ 槡ｍ
，
。
（ ）
１
γ－
Ｌｍ
槡 ｃ
Ｐ
（ ）
２０
２
， ， ；
碰撞展宽为主导 采用洛伦兹线型 温度较低或压强较
时
ｆＣｅｌｌ
槡
］
（
＋ γ－
）（
１ １ ２Ｒ Ｌ
＋
／
） ／
Ｃ
κ
槡
π
ｃ
ｃ
槡
［
η
ｐ
， ， ；
小时 多普勒展宽为主导 采用高斯线型 当气压在两者之
，
，
间时 由两者综合作用决定 此时采用
（ ） （ ） （ ）
ｇＤ ｆ
线型
Ｖｏｉｔ
ｇ
实验装置
３
ꢀ
（ ）
１０
＝
ｇＶ
ｆ
ｇＬ
ｆ
，
线型 可以近似化简为两者的
Ｖｏｉｔ
ｇ
对两者卷积得到的
，
的基本原理 构造了一个可以同时
ＰＡＳ ＴＤＬＡＳ
基于
与
ꢀꢀ
ꢀꢀ
［ ］
１１
，
的线性组合 这就是直和模型
。
测量的对比装置
进行气体
与
ＰＡＳ ＴＤＬＡＳ
（ ）
＝
ｆ
（ ）
＋
ｆ
（ ）
ｃ
ＤｇＤ ｆ
（ ）
１１
，
如图 所示 激光器发出与待测气体某一吸收峰波长相
１
ｃ
ＬｇＬ
ｇＶ
ꢀꢀ
（ ） ，
中
１１
，
，
与频率无关 只与各自的线型占
，
重合的激光 经过控制电路调制后成为在一定波长范围内的
式
线
Ｖｏｉｔ
ｇ
ｃ
ｃ
Ｌ
Ｄ
。
型的权重相关 又理想气体满足
。 ， ，
扫描光束 光束通过准直器 沿着光声池纵向轴线射入 然
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