毕业论文气体浓度检测系统设计.doc

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1、第 一 章 绪论1.1 引言随着工农业现代化经济的发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行监测预报和控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门急需解决的重要问题。同时随着人们生活水平的提高，人类对生态环境净化的要求也越来越高，迫切要求监测监控易燃易爆和有毒有害气体，减少环境污染，确保身心健康。因此研制气体传感系统是十分重要的，已成为当今传感技术发展领域的一个重要前沿课题。过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化石油气、天然气以及矿井中瓦斯气体的检测和报警，并取得了很大的成就，基本满足了市场的需要。进入90年代随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对气体传感器的需求已有

2、所不同。同时，随着近年酸雨、温室效应、氧层破坏及环境污染等的频繁发生，严重影响了人类的健康和生存。检测气体的种类由原来的还原性气体（如H2、CH4等）扩展到毒性气体(如CO、NO2、H2S、NH3等)以及食物相关的气体(如鱼、肉鲜度、醋酸乙脂等)。气体浓度的检测主要应用于以下几方面：1) 用于环境保护 工业应用会排放大量废气产生有毒有害气体。CO2的超标排放导致温室效应，使全球变暖，气候恶化，结果是冰川融化，陆地减少，山洪爆发造成洪涝灾害，农业病虫害更为严重；Flon(氟里昂) 制冷剂的泄漏对臭氧层破坏严重，致使人们暴露在太阳的强紫外线下，从而危害人们的健康；SO2、CO等氧化物则直接危机人民

3、的健康和生命财产安全。有毒有害气体检测的目的是为了帮助人们了解所处环境的安全状况，以便采取措施减少或消除这些气体的排放和泄漏。 (2) 防火防爆 在存在可燃气体源的很多场所，经常因可燃气体大量泄漏引起不幸事故，例如社会生活与生产中存在的天然气（CH4）、煤气（CO）泄漏事故，矿井中瓦斯（CH3）爆炸事故等，给国民经济、人民生命安全造成巨大损害。因此对这些气体检测的可靠性和实时性至关重要，一旦气体泄漏超过允许标准（爆炸下限）时，要及时报警，以便采取措施，防患于未然。由于甲烷气体（CH4）是普通的液体燃料的主要成分，既是易燃易爆又有毒有害，最近研究表明它还与温室效应有关，其吸收红外线能力是二氧化碳

4、的1520倍，据整个温室效应贡献量的15%，因此把甲烷气体作为本文实验研究中的样气。(3) 故障前兆气体的检测 “障前兆气体”是指所检测气体的出现或浓度发生变化兆示着某种事故将要发生，且浓度变化越大，预示着事故越严重。研究表明地球在形成过程中，其内部就贮存了一些气体，地球内部的活动会使其内部的气体沿其断层渗透出来。目前世界上很多国家都通过检测这些微量气体的浓度来推测地球内部的活动，从而预测地震发生的可能性，这些气体有氡（Rn）、氦（He）、氢（H2）、汞（Hg）、二氧化碳（CO2）等；在电力工业中，大型变压器或其它充油高压电气设备在运行过程中，由于绝缘材料的老化以及局部放电和电能热损耗对绝缘材

5、料的作用，变压器中就会产生多种气体，这些气体的各组分浓度与变压器等电气设备的运行状况以及它们的故障大小和位置具有明显的对应关系；另外警察通过监测司机口中乙醇（Alcohol）的浓度也属于一种前兆检测。要控制污染物的排放，满足人们对生存环境越来越高的要求，必须努力做到：(1)寻找污染小的能源；(2)实时监测污染物的浓度，作到有的放矢地控制污染物的排放。因此研制一种能够实时监测、高灵敏度、高分辨率的气体浓度传感器不仅具有理论意义，更有服务国民经济，改善人民生活的现实意义。1.2 气体检测方法概述气体浓度检测方法很多，如化学法、气相色谱法和光谱法等这些方法，有的已经形成产品，应用在工农业生产中；有的

6、还在科学研究和试验阶段。为了研究高性能、更先进的气体传感器，有必要对各种气体检测方法作一一概述。1.2.1 化学气敏传感器化学气敏传感器的机理是敏感体和环境中的某种物质发生特定的物质交换从而导致敏感体电学性质的变化。敏感体材料主要有电解质、半导体氧化物和高分子聚合物。电学性质主要指电导率、晶振频率和电容。敏感体和待测气体之间的作用主要是物理吸附和化学吸附，所谓物理吸附是指气体分子在敏感体表面因电负性引力亲和力而产生的吸附；化学吸附是指气体分子在敏感体表面产生一种氧化还原反应。化学气敏传感器具有结构简单、反应速度快、结构紧凑的特点。但是，这种传感器也存在很多缺点：(1)交叉敏感，即敏感体对气体的

7、选择性差；(2)输入输出之间呈现复杂的非线性关系，不利于数据处理；(3)稳定性差，化学传感器存在着温度适应性问题。1.2.2 气相色谱分析法气相色谱法是色谱法中的一种。它分析的对象是气体和可挥发的物质。气相色谱法实际上是一种物理分离的方法，基于不同物质物理化学性质的差异，在固体相(色谱柱)和流动相(载气)构成的两相体系中具有不同的分配系数(或吸附性能),当两相作相对运动时,被测物质随流动相一起迁移,并在两相间进行多次的分配,使得那些分配系数只有微小差别的物质,在迁移速度上产生了很大的差别,经过一段时间后,各组分之间达到了彼此的分离.被分离的物质顺序的通过检测装置.就可对其进行定性和定量分析。气

8、相色谱法的优点是分离效能高。另一个优点是选择性高，可以对同位素、空间异构体、光学异构体等进行有效的分离。第三个优点是灵敏度高，可高达。虽然气相色谱法可检测的灵敏度比较高，但是气相色谱法的局限性主要表现：首先，在对被分离组分的定性工作上，如果没有标准样品供对照，那么定性方面将存在很多的困难；另外，这种方法很难做到在线检测，实时性差。从取样到分析结果出来通常不能在同一天完成。因此气相色谱法不适合实时监测大气中的污染气体。1.2.3 光谱法光谱法可以分为荧光光谱法和光谱吸收法。1) 荧光检测法 一些气体分子吸收适当能量(光能、电能、化学能、生物能等)后，分子被激发到激发态。激发态很不稳定，将很快衰变

9、到基态。激发态在返回基态时常常伴随光子的辐射，这种现象称为发光。荧光属于分子的光致发光现象。荧光可以由被测物质本身产生，也可由与其相互作用的荧光染料产生。 被测气体的浓度与荧光辐射的强度成一定关系。检测气体浓度时，使光源的强度和波长保持不变，对荧光辐射进行扫描，测得荧光辐射的强度，进而求出气体浓度。另外，气体浓度和荧光寿命也有关系。因此，可以通过测量荧光寿命检测气体浓度。2) 光谱吸收检测法 光谱吸光谱吸收法通过检测样气透射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收谱，当光束照射气体时，与气体吸收谱重叠的部分将被气体吸收，使透射光强衰减。气体吸收的光谱范围可划分为红外光谱吸收、可见光

10、谱吸收和紫外光谱吸收。 1852年，Beer提出了透过气体的光强与气体浓度之间的关系，即I=I0 exp(LC ) (1-1)式中 I 光通过气体后的透射光强I0 入射到气体上的光强 气体的吸收系数C 气体浓度L 光通过气体的长度式(1-1)称为Lambert-Beer定律，表明吸收度与吸收路径和气体浓度之间的关系。光谱吸收法检测气体浓度具有灵敏度高的特点，但在一般情况下，测定的是透射光和入射光的比值，当测量非常弱的吸收时，透射信号几乎不衰减，可能造成相当大的误差。如果用光纤传感器，存在着光源和光纤的耦合问题，光源功率不可能太大。而且气体分子的吸收谱线和光纤低损耗传输窗口不可能完全重合，这不但

11、限制了光源的选择，也使光纤气体传感器可测气体的种类大大减少。所以，基于光谱吸收原理的光纤气体传感器在应用当中是有很多困难的。1.2.4 气体光声光谱检测技术作为光谱吸收法有益和必要的补充，光声光谱法是通过检测气体吸收光能后产生的声压信号的大小来测量气体的浓度。这种方法从发现到现在已经有一百多年的历史了，有很多自身的特点。光声学和光声技术的应用发展如此迅速的原因是由它本身的特点所决定的。光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声方法检测的光声信号是直接取决于物质吸收光能的大小，所以反射光、散射光等对光声检测的干扰很小。对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比。因此，它可以成功地用来检测

12、各种试样，透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶态等等。1.3 光声光谱技术的发展概况 光声效应是1880年美国著名科学家Bell在固体中首先发现的。光声光谱分析方法就是用一定频率的调制光照射密闭的物质组分，物质吸收光能后，有一部分能量转化为分子的平移动能，即分子热能，并以声压的形式表现出来，检测声压信号就可以对物质组分进行分析。 继发现固体的光声效应之后，Bell及其同事以及著名科学家Tyndall等在1881年各自独立地进行了气体和液体的光声试验，也都观察到了同样的效应。但是，在此之后对这种效应的研究出现了几十年的停顿。直到二十世纪四十年代，苏联学者Veingerov才开

13、始重新研究该效应，他用一个绕有电热丝的炉子所产生的热辐射作为红外波段的激发源，研制出世界上第一台测量气体浓度的光声光谱装置，成功的测定了混合气体各成分的浓度。到了60 年代，由于高灵敏度的微音器和压电陶瓷检测器出现以及各种激光器的问世，光声光谱技术的检测灵敏度实现了一个飞跃。1968 年Kerr和Atwood首次报道了利用激光光声光谱法测量气体的弱吸收。单色性好，强度高的激光光源的利用使得光声技术的发展向前跨进了一大步。1973年，美国Bell实验室的Robin等人受到Kreuzer工作的启示，将大功率氙灯作为光源，并与单色仪联用，测定了从紫外到可见光范围内的气体和固体的吸收光谱。在这一阶段，

14、美英日等国已先后有光声谱仪和热波显微镜产品问世。 1980年，Gerlach和Amer根据共振式光声腔光声信号声波模式和光强耦合的特点，设计了一种以布鲁斯特角入射或无窗片的角向谐振光声腔，该结构不仅达到了较高的Q值，而且可以对流动式样进行检测。1990年，F.J.M.Harren和J.Reuss等人设计了一套光声系统，该系统在以空气为载体的条件下，对凋谢的兰花产生的乙烯的检测灵敏度达到20ppt。1997年，M.A.Gondal设计了一套用于远距离和实时检测空气污染物的光声系统。该系统可以用来远距离检测汽车尾气中的污染物。在国内，光声技术也得到了飞速的发展。1977年，北京大学应用光声技术开展

15、了大气污染的检测工作；中国科学院长春应用化学研究所自1978年以来研制了两种用于气体和固体检测的光声谱仪；自从1979 年以来，中国科学院上海硅酸盐研究所、同济大学、南京大学、南开大学等二十多个单位相继开展了光声技术应用研究，研究对象包括半导体材料、无机极性材料、结构材料、有机物质、金属及医疗诊断等。中国科学技术大学化学物理系郝绿原等用光声光谱方法，测量了砷烷分子振动量子数为6的高分辨泛频谱。选用钛宝石激光器作为光源，输出功率约1W，频率调制范围为4Hz4kHz；光声腔直径为12cm，长为100cm，采用White腔结构以增加有效吸收长度，检测灵敏度达到。 总之，这些年来光声学和光声技术在我国

16、的发展是迅速的，应用面正在不断扩大，其发展应用前景令人鼓舞。1.4 光声光谱技术的特点及应用 光声学和光声技术的应用发展如此迅速的原因是由于它自身的特点所决定的。光声检测与通常的光谱技术的主要区别在于，光声检测的光信号是直接取决于物质吸收光能的大小。正因为这样，所以反射光、散射光等对光声检测的干扰很小。对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比。因此，它可以成功地用来检测各种试样，透明的或不透明的固体、液体、气体、粉末、胶体、晶体或非晶态等等。 在光声检测中试样本身既是被研究的对象，又是吸收光辐射的检测器，因此可以在一个很宽的光学和电磁学波长范围内进行研究而不必改变检测系统。最低检测极限

17、主要取决于光源强度，检测器和接收放大器的灵敏度以及窗口材料的吸收。而且光声信号是物质分子在吸收强度调制的外界入射能量后，由受激态通过非辐射过程跃迁到低能态时所产生的，因此，它与物质受激后的辐射过程、光化学过程是互补的。所以光声效应本身又是一种研究物质荧光、光电和光化学现象的极其灵敏又十分有效的的方法。光声效应不仅象光谱方法那样可以用来测定物质的吸收谱，而且还可以来研究弛豫过程，辐射过程的量子效率以及用于测定物质的热学性质，弹性性质，薄膜厚度等研究。 在红外波段，光声光谱具有其独特优点，我们知道红外光谱是分子同一电子态的不同振转能级之间的跃迁。因为分子振转能级的寿命较长，而处于振转激发态的分子与

18、其他分子，如本底气体的碰撞速率较大。这样绝大多数处于振动激发态的分子都以无辐射碰撞的形式返回基态。因而在红外波段采用通常的荧光光谱方法来研究将损失绝大部分能量，灵敏度很低。在检测低浓度，弱吸收物质方面，光声光谱技术较传统的吸收法优越得多，物质吸收遵循Beer定律: (1-2) 其中I0为入射光;I为出射光强;l为吸收长度;a为吸收系数。吸收光谱通常是利用测量I,I0来确定吸收系数和浓度的，对于低浓度，弱吸收的物质,I与I0相差很小，检测灵敏度很低，而光声光谱是直接检测物质所吸收的能量通过增大入射光光强:采用低噪声检测技术，就可以在某些痕量气体(如乙烯,甲烷)的检测方面达到较高的检测灵敏度。正是

19、基于以上这些特点，决定了光声光谱技术在煤炭、石油、环保检测、化工、冶金、气体浓度检测、生物工程等方面有着广泛的用途，有着巨大的潜在市场。1.5 课题的意义、目的和主要内容甲烷(CH4)是易燃易爆气体和多种液体燃料的主要部分,它在大气中爆炸的下限为5.3%V,上限为15%V。及时检测甲烷气体及浓度,对于工矿安全运行和人身安全有着至关重要的作用。因此对周围环境CH4气体进行早期安全监测是十分必要的。但现有CH4电子气敏传感器存在许多不足之处：传感器容易中毒；对气体的选择性差；易出现误报；而且系统需要频繁校准；此外在野外遥测时需要通过电缆连接，降低了系统的安全性。而采用光声光谱法来测量微量气体可以很

20、好的检测到甲烷气体的含量。光声光谱法是通过检测气体吸收光能后产生的声压信号的大小来测量气体的浓度。这种方法从发现到现在已经有一百多年的历史了，有很多自身的特点。例如：光声方法检测的光声信号是直接取决于物质吸收光能的大小，所以反射光，散射光等对光声检测的干扰很小；对于弱吸收试样则可增大入射光功率，从而提高信噪比。本课题的主要研究内容：(1) 研究甲烷气体中心吸收波长及确定中心波长附近的吸收谱精细结构参数，以选择合适的激光源及相应的驱动电路；(2) 设计能够检测微弱光声信号的电路系统，包括斩波电路设计，光声腔的设计以及锁相放大器设计等，以提高系统的信噪比。(3) 系统单元电路的测试。第 二 章 气

21、体光声检测的基本原理根据分子光谱理论，气体分子可以吸收特定频率的光子而使自己的平移动能，即热能增加。热能的增加在其它条件不变时和气体浓度成确定关系。若这种气体密封在气室中，将导致气室内的压力变化，测量气压的变化就可测得气体的浓度，这就是气体浓度光声检测理论。光声传感器可以将压力的变化转换成电信号的变化，这种传感器具有灵敏度高的优点，可以检测到极低的气体浓度。2.1 分子结构和分子光谱理论分子是由原子组成的，原子又由原子核和电子构成。分子处于无休止的运动当中，这些运动可以分为三种形式：电子围绕原子核分成若干层不停地转动；原子组成的原子对以不同频率不同方向振动；分子作为一个整体绕其内部若干轴线作转

22、动运动。这些运动使分子具有不同的能级，即电子能级、振动能级和转动能级。分子的能级是离散的而非连续的。当分子吸收一定频率的光子能量后，会从低能级激发到高能级，称为能级跃迁。以分子吸收光波的波长(或频率)为横坐标，吸收的能量(吸光度或透光度)为纵坐标绘制的图，称为吸收光谱图，简称谱图。分子吸收光子要满足一定条件的。首先，根据量子力学理论，分子吸收的光子能量必须恰好等于分子内某两个能级间的能量差E。即满足 E=E1-E2 =hu=hc/l (2-1) 只有频率或波长满足式(2-1)的那些光子才能被分子吸收。其次,分子能级跃迁的过程是分子和电磁波交换能量的过程。在分子内部存在着电偶极矩，电四极矩和磁偶

23、极矩。分子与光子的相互作用就是通过光子与分子内部的电矩和磁矩相互作用完成的。相互作用的结果是导致分子电矩和磁矩的变化。光子和分子相互作用而使分子内部的电矩和磁矩发生变化需要满足一定的条件，判断这些条件能否满足的依据称为选律。选律不仅决定信号强度还决定允许跃迁分子吸收能量的数目，即谱图吸收峰的数目。因为在应用光声光谱法检测气体浓度的系统中，一般利用分子的红外光谱，所以下面主要介绍分子的红外光谱理论。红外光谱是由原子振动和分子转动产生的，所以红外光谱又称为分子的振转光谱。分子的结构千差万别，其内部的运动形式和原子间的相互作用非常复杂。具有最简单的一类分子是一个分子轴的双原子分子，而由两个以上原子组

24、成的称为多原子分子。考虑到甲烷是个多原子分子，下面只对多原子分子的振动做阐述。2.1.1 多原子分子的简正振动多原子分子的振动远比双原子分子的振动复杂。原因是振动就是分子内原子核的相对运动，而任意两个核的相对位移也将同时涉及它们与所有其余核的相对位移，这表明多原子分子的振动将涉及所有核的相对位移。对多原子分子振动转动运动的分析，可以得出以下结论：1) 3n-6或3n-5规则 原子核的运动导致分子的平动,转动和振动。分析表明，n个原子核应有3n个独立的运动坐标。描述分子的平动需要3个运动坐标，对于分子的转动，直线型分子要2个独立坐标，非直线型分子需3个独立坐标。所以，用于振动的独立坐标数，非直线

25、型分子是3n-6个，直线型分子是3n-5。这通常就称为3n-6或3n-5规则。2) 简正坐标和简正振动 简正坐标是用质量加权的位移坐标的线性组合。沿不同简正坐标进行的振动称为简正振动，3n-6(或3n-5)个简正振动常被称为简正模式，所有实际振动都是它们的线形组合。每个简正模式都是简谐振动，它们有振幅Bk和频率uk。位相bk要求在简正振动中各个原子的位移都是同相的。简正振动是不可约的。3) 基频、倍频、组频 各种简正模式的基本跃迁，即u =0u =1跃迁所对应的频率称为基本频率或基频。如果考虑到分子振动的非谐性，振动也含有频率2u i 、3u i ，,这些频率称为倍频。此外还含有频率ui+uk

26、、ui-uk、2ui+uk，这些频率称为组合频率。在红外光谱中，除了基频以外，也会出现倍频和组频。不过，由于非谐性一般是很小的，倍频光谱与组合频率光谱跟基频光谱相比要弱得多。2.1.2 甲烷(CH4)气体分子的近红外吸收光谱 CH4分子具有4个固有的振动：， ，。每一个固有振动对应一个光谱吸收区，它们的波长分别是3.43m，6.53m，3.31m和7.66m。在近红外区，有许多泛频带和联合带。1933年，诺里斯和昂格尔首先发现了CH4分子的V2+2V3混合带；1983年，日本Tohoku大学利用InGaAsp LED和锗探测器对其进行了测量，结果表明：在1.33m附近的Q支带线是相当强的，其吸

27、收峰出现在1.3312m处，用0.3nm分辨率的滤光片测的吸收系数为。图2-1为甲烷气体1.33m附近的吸收谱线。 图2-1 甲烷气体1.33m附近的吸收谱线 Fig.2-1 Absorption line of methane gas at about 1.33m 1984年，该大学又对CH4分子的2V3谐波段进行了测量，发现在1.66m附近的Q支带线的光谱带宽约为3nm，最大吸收波长为1.6654m，分辨率为0.3nm的情况下，测的吸收系数为。图2-2为甲烷气体1.66m附近的吸收谱线。 图2-2 甲烷气体1.66m附近的吸收谱线 Fig.2-2 Absorption line of me

28、thane gas at about 1.66m对于光波波长的选择考虑了以下几点：1）：气体的标准吸收光谱位于2.525m的中红外区，因此需要红外光源。虽然铅盐激光器可以产生这一波段上的光，但光源和探测器都需要低温制冷，价格昂贵，使用不方便。此外，这一波段上石英光纤损耗太大，处于石英光纤的高衰减区，而红外光纤技术又不成熟，因而这一吸收带不适于光纤传感系统。但其结合带V2+2V3和泛频带2V3分别位于1.3m和1.6m附近，在石英光纤的低损耗区光源技术也比较成熟，是目前技术条件下的最佳选择。可以选用这两个波长的LD光源来设计光纤传感系统。 从甲烷气体的谱图还可以看出，甲烷气体在1.6m波段的吸收

29、强度远大于1.3m波段的吸收强度，应该选用该波长处的LD。但就目前来说，1.6m波段的LD造价较高，市场上也不容易买到，而 1.3m波段的光源处于通信波段，且更便宜，更适于将来的应用。 2）：考虑到CH4在此处有强吸收。3）：考虑到在此处，对其他气体如水蒸汽、二氧化碳无明显吸收。2.2 气体光声检测2.2.1 原理简介 气体光声光谱是利用光声效应来检测微量气体浓度的一种方法。图2-3展示了气体光声检测系统原理图。如下图所示，一束激光经过斩波器调制后被光声池内的待检测气体吸收，该气体分子吸收光能而被激发到激发态，激发态分子通过无辐射碰撞弛豫至基态时，将释放一定的能量转变为气体分子的平动动能。气体

30、分子的平动动能升高意味着温度的升高，当容器为密闭时就意味着压力的升高。当光束被一定频率的斩波器调制时，则压力会随斩波器频率周期性变化。光声池顶部的微音器将检测到该声压并把它转换成电信号。可见光声信号的产生和检测是一个光、热、声、电的能量转换过程。 图2-3 气体光声检测系统Fig.2-3 System of gas detection based on Photoacoustic Effect2.2.2 光的吸收 产生光声信号的第一步是被检测气体吸收一定调制频率的光能量，被吸收的能量在气体中形成一个周期性变化的热源，也即是声源。设H(r,t)为吸收光所产生的热源，I(r,t)为入射光强，则有：

31、 H(r,t)= aI(r,t) (2-2)式中 a吸收常数()，式(2-2)在下面两种条件同时满足时才能成立。1)入射光强足够小，以至于吸收跃迁是非饱和的。2)入射光强随时间的变化率要远远慢于吸收能到热能的转化率。将(2-2)式进行傅立叶变换有: H(r,w)= aI(r,w) (2-3)下面将根据速率方程来推导H(r,t)的表达式。光强为I(r,t)，频率为u 的光束，受频率w 调制后入射到密闭的装有某种气体的光声腔,将有一部分光能被气体吸收,从而使气体分子从基态E0 跃迁到激发态E1。设某一时刻气体分子浓度为N （分子数/）。处于激发态E1 的分子浓度为N1。dN1 表示N1 随时间的变

32、化率，则dN1 满足如下公式 dN1/dt=-N1(B10+ )+(N-N1)B10 (2-4)式中 B10 分子由E0 到E1 或E1 到E0 的受激辐射爱因斯坦系数，B10= ；式中：S E1 和E0 之间跃迁的谱线强度 u 跃迁的谱线宽度 tc 分子离开E1 的无辐射（或碰撞）跃迁驰豫时间，是激发态无辐射跃迁几率 A nr 的倒数。 tr 分子离开E1 的辐射跃迁驰豫时间，是激发态辐射跃迁几率A r 的倒数。式(2-4)忽略了在基态E0上分子通过碰撞而激发到E1 的几率，这在室温条件下是合理的。如果光强的调制频率w 满足 (2-5)则可以认为dN1/dt =0 由式(2-4)可以得到 (

33、2-6) 从(2-6)可看出：当入射光强I(r,t)满足2B10时，N1=0.5N，出现饱和吸收。我们不考虑饱和吸收的情况，而总是使入射光强度I(r,t)满足2B10，则式(2-6)可以表示为 (2-7)式(2-7)称为激发态的分子浓度方程。处于激发态E1 的分子将以几种方式返回到基态E0，其中无辐射(或碰撞)跃迁返回基态将使E1-E0=hu 变成平移动能，即导致碰撞分子的速度增加。这种平移动能在光声腔中形成一热功率密度源H(r,t)，可以表示为 H(r,t)=N1 （2-8）由（2-8）、（2-7）和B10 的表达式可以得到： （2-9） 令 则式（2-9）可以简写为 H(r,t)=NsI(

34、r,t)=bI(r,t) （2-10）式中 s 分子吸光截面积,对于确定的入射波长,s 是一常数。由式(2-9)或(2-10)可以看出：当光强I(r,t)受频率w调制后，热功率密度源H(r,t)也以同样的频率变化。当光源的强度和频率保持不变时，H(r,t)和气体分子浓度N 成正比关系。2.2.3 光声信号的激发由气体定律可知：在密闭光声腔内，周期性变化的热功率密度源H(r,t)将使腔内气体压力发生周期性变化，即声压P 。声压强可以表示为P=P-P0，其中P为总压强，P0为平均压强。若腔内气体近似为理想状态，则其波动方程为： （2-11）式中 n 腔内气体的声速g 气体的定压热容和定体积热容比,

35、 g =CP/CV式(2-11)中没有考虑热传导和粘滞等阻尼,对其进行傅立叶变换,得 （2-12）式中 P（r,t）=p(r,w)exp(-iwt)dw H（r,t）=h(r,w)exp(-iwt)dw式(2-12)为非齐次方程,而且H（r,t）的空间分布很难用数学表达式给出，用传统的求解偏微分方程的方法很难求解。所以我们可以寻找一个满足一定条件的函数系 Pj（r）（称为简正模式），然后将P (r,w) 在这个函数系中展开。 下面首先给出简正模式Pj（r）的解的表达式。简正模式Pj（r）是由边界条件决定的。如果光声腔是刚性的，垂直于腔壁的声速分量在腔壁上应等于零。设光声腔为圆柱型结构，则有 P

36、j（a）n=0 （2-13）式中 n 光声腔壁的内法线单位向量a 光声腔的半径另外，Pj（r）还应该满足 （2-14）式中 简正模式 Pj（r）的复数共轭 wj 第j 阶简正频率 Vc 光声腔的体积 在圆柱坐标下，式(2-14)中的第一式可以写成 （2-15） 式(2-14)的解的一般形式如下 (2-16) 式中 Jm，Nm 第一，第二类贝塞耳函数 考虑边界条件可以得到1） 当 r0时，Nm，则Br=0；2）Kz= k/ l， 其中 k 为非负整数，l 是光声腔的长度；3）Kr= amn/a， amn是方程dJm/drr=a=0第n个根。 这样，式(2-16)可以改写为 （2-17）简正频率w

37、j可以由下式计算 （2-18）式中，j=（mnk）， 其中m， n， k 分别为环向，径向和轴向模式数。Amnk 归一化参数通常当激励光源沿光声腔的中心轴入射而且气体的吸收很微弱时，在光声腔内不会激发出环向和轴向变化的模式，而只产生径向变化的高次激励模，所以可以认为k=m=0。此时Pj（r）的表达式可以写成： 现在P(r,w) 就可以在简正模式Pj（r）中展开 （2-19） 将式(2-19)代入式(2-12)，并考虑到热传导和粘滞等阻尼项的修正时可以求出An（w） （2-20） 式中 Qn 简正模式pn（r） 的声共振品质因子 将式(2-10)代入式(2-20)得 （2-21） 从式(2-21

38、)可以看出： 1)当调制频率w 低于光声腔的最低阶模式的简正频率时，光声腔工作在wn=0(n=0 )的平面波模式，这时 （2-22）式中 t 为平面波模式的阻尼系数，它是由气体到腔体壁面的热传导所决定的。若腔体是一半径为a的圆柱腔，t 可由下式估算 （2-23）在标准状况下，空气的热扩散率ag=0.3/s，r0，Cp，Kg 分别为腔内气体的密度,定压热容及热导率。式(2-22)给出了非谐振式光声腔的光声信号的表达式，它表明入射光功率越大，腔体体积越小，调制频率越低，光声信号就越大。2)当调制频率w 等于光声腔的第n 阶简正频率wn 时，光声信号幅值An（wn）将达到一个极大值，由式(2-21)

39、可以得到 （2-24）通常把工作在简正模式上的光声腔称为谐振式光声腔。比较式(2-22)和式(2-24)可以发现：1)由于驻波的放大作用，虽然谐振式光声腔工作在较高的频率下，An（wn）可能比A0（w）还要大；2)品质因子Q n 越高，An（wn）也就越大；3)谐振式光声腔的光声信号An（wn）的大小与入射光束I(r,t)和简正模式Pj（r）之间的耦合状况密切相关。2.2.4 微音器的电信号的输出 为了能接收到声压的变化，一般采用微音器来接受声压的变化。微音器的简单工作原理如图24所示 图24： 微音器的简单工作原理Fig.2-4 Working principle of sound pick

40、-up 微音器有一个接受声波的金属振膜作为力学振动系统。其振动方程为： （2-25）其中m为金属振膜质量，为阻尼，为弹性系数，为作用于金属振膜的外力。金属振膜与背极形成一静态电容，这个电容串联接到有直流电源Vb和负载电阻Rb的电路中，当金属振膜受声波的作用力作用时，就产生位移，从而使金属振膜与背极间已形成的电容发生变化。这一电容量的变化导致负载电阻中电流的相应的变化。由此在负载电阻上产生了与声波频率相应的交变电压的输出。由参考资料给出的计算结果： （2-26）式中为金属振膜的振动频率，为品质因数.为振膜的面积，d为静态时振膜与背极间的距离。一般，接近1，这样，输出电压与工作频率无关，可以在很宽

41、的工作范围内均匀的响应。第 三 章 气体光声检测系统的设计3.1 光声光谱式气体浓度传感器总体设计 光声光谱式气体浓度传感器总体设计的原理框图如图3-1所示，可以分为以下几个部分：1) 激励光源部分 功能是产生调制的激光光束，入射到光声腔以产生光声信号。主要包括激光光源，光源驱动和机械斩波器。 2) 信号发生和调制部分 这一部分是光声光谱式气体浓度传感器的主体部分，功能是产生光声信号，并通过拾音器转换成电信号。主要包括光声腔，拾音器等。 3) 信号处理部分 主要功能是将拾音器产生的电信号经过放大器、带通滤波器和锁相放大器的处理后，由A/D转换器转换成数字信号输入到微机系统，以计算和显示气体浓度

42、。 本章主要介绍系统硬件结构的设计，包括光源驱动电路的设计、机械斩波器的设计、光声腔的设计、锁相放大部分的设计等等。激光光源机械斩波光声腔光源驱动锁相放大A/D转换51单片机 图31 气体光声检测系统框图 Fig.3-1 Schem atic diagram of gas concentration detection system3.2 激光光源部分3.2.1 光源的选择及性能根据第二章分析可知，目前光声气体传感器的研究主要集中在近红外波段，考虑气体在泛频带或联合带的吸收情况，本系统所选甲烷气体吸收波长为1.33m。对光源的要求包括以下几个方面：输出中心频率与甲烷气体的吸收光谱特性相吻合；温

43、度特性良好；单模运行；输出功率足够大且在阀上范围内与注入电流存在良好的线形关系。激光器按工作物质不同，可分为气体激光器、液体激光器、固体激光器和半导体激光器。气体激光器通常用于高度相干的系统。最常用的气体激光源有：工作波长为0.633m或1.15m的氦氖激光器，工作波长为10.6m的二氧化碳激光器。气体激光器是用某种形式的放电来激励，即在受激发射前，激光媒质中原子的较高能级都被填满。这种放电使激光腔中的原子电离，形成离子体。半导体激光器和其它激光源有所区别。一般固体激光器和气体激光器的发光是能级之间跃迁产生的，而半导体激光器的发光是能带之间的电子空穴对复合产生的。激励过程是使半导体中的截流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。非平衡激发态的非平衡载流子回到较低的能量状态或基态而发出光子的过程，就是辐射复合过程。半导体激光器要产生激光，应满足以下条件：1）要产生足够的粒子数反转；2）要有谐振腔，能起到光反馈的作用，形成激光谐振；3）还需要满足阀值条件，即增益要大于总的损耗。由于同质结激光器的阀值电流很高，只能在脉冲状态下工作。在室温下连续工作是需采用双异质结激光器。在本次毕业设计中用的是波长为1.33m的分布式反馈抑制 （DFB）的LD，这种DFB LD的I一般比普通的LD的要小，而且中心波长也可以通过改变注入电流来调节，提高了精度。3.2.2 L