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光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究

更新时间：2019-12-30 03:21:14 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：光声光谱TDLAS技术 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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光声光谱与TDLAS技术在不同气压下的特性研究.pdf 1M

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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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