光声池的结构优化及微量气体检测外文翻译资料

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光声池的结构优化及微量气体检测

CAI Yang (蔡洋)¹, Norhana Arsad², LI Min (黎敏), and WANG Yao (王尧)¹

1物理系，武汉理工大学，武汉430070，中国

2 电子与电子系统工程系，工程与建筑环境学院，马来西亚国民大学，雪兰莪州，43600，马来西亚

（收到2013年1月25日）

copy;天津理工大学和柏林柏林海德堡版权所有，2013

摘要-为了能够获得最优缓冲几何形状的理论模型，采用等效四极网络模型模拟具有不同缓冲池直径和长度的一维纵光声谐振腔。在实验中，利用不同内径和长度的一组铝环填充缓冲池，以根据实验需要连续改变缓冲池体积。实验结果显示，缓冲池长度为30 mm的理论结果与实验的平均偏差为1.1％；当缓冲池长度等于声波长的四分之一（lambda;/ 4）时，背景信号最低；当d_bufgt; 3d_res时，光声信号的幅度几乎不受影响。考虑到光声池的尺寸过大则消耗更多的的气体和材料，因而缓冲区直径取d_bufasymp;3d_res。较小的光声单元是理想的。

文件编号: A 文章ID: 1673-1905(2013)03-0233-5

DOI 10.1007/s11801-013-3017-3

用于微量气体检测技术的光声光谱（PAS）技术在许多领域得到应用，包括环境污染物监测^[1]，医学诊断^[2]，电力系统^[3,4]等方面。光声光谱技术基于气体中被二极管激发的声波的产生伴随着气体种类的吸收线的波长^[5]，并且用固定在光声单元上的高灵敏度麦克风进行检测^[6] 等机理，在微量气体检测中具有非常高的灵敏度，能够达到每兆兆分之一（ppt）的^[7]。

光声信号在很大程度上取决于光声单元的几何形状。声学共振具有低检测限度的高灵敏度分析特点，因此大多数已发表的论文使用共振池进行PAS实验。光声单元的优化设计在实现光声响应方面起着至关重要的作用。作为光声池的重要组成部分，缓冲液对灵敏度和信噪比有显著的影响。虽然以前已经比较了不同几何光声单元的性能，但在缓冲区的优化中很少进行过讨论。 L.C.Aamodt ^[8]主要介绍了谐振电池的尺寸考虑，而不是缓冲器。 Simona Cris-tescu ^[9]强调了不同缓冲半径的影响灵敏度，但实验结果不足以支持理论结果。为了获得缓冲区体积的最佳大小，F. G. C. Bijnen ^[10] 试图修改其中一个缓冲区的维度以达到最佳结论。 Mohammed A. Gondal ^[11] 测试了光声池，缓冲液和缓冲气体的不同几何形状，以实现低检测浓度的NO，但没有给出缓冲液几何的定量估计模型。 M.Wolff ^[12]提出了一种具有不规则缓冲几何形状的“沙漏电池”，与建立良好的H电池相比，该电池可以达到稳定的信号从32％提高到36％，太难于投入量产。

在本文中，我们希望能设计成一种理论模型，该模型能够使用等效四极网络模型的电路类比来估计最优缓冲区几何。论文中设计了一个可调节的光声池，其缓冲区尺寸可以被修改，并且证明了仿真结果的有效性。本文给出了实验结果和实验结果与仿真结果的偏差，提出了最佳缓冲体积的讨论和结论，以实现光声池的高灵敏度和信噪比。

在气室中的光声信号产生期间，发生了几种类型的能量转换，光子能量转化为热能和动能。这些光声过程和参数可以通过气体单元的每个小单元的一系列离散的复杂声波和导纳来描述^[13]。本论文已经建立了一种简单的电路模型—传输线模型^[13]，以简化计算，其中电元件如电阻，电容，电感，电导和电流或电压源可以用作光声过程的类比在电力系统中。例如，电阻R，电感L和电容C分别表示粘性损失，存储的动能和势能，源意味着电流或电压源的吸收光功率。Bernegger S.和Sigrist M. W. ^[14] 报道了基于分布式模拟阻抗和源的等效四极网络模型，对一维光声单元进行了更好的修改。

根据电路原理，电阻R和i（i = -1）和电感omega;L的乘积的总和可以定义为单位长度的阻抗Z₁，单位为kg / m⁴s，即Z = R_a iomega;L_a，并且i倍的电容omega;C_a可以被定义为以m⁴s / kg为单位的单位长度的导纳Z₂，即1 / Z₂ =iomega;C_a。

传输中的电压V（x）和电流I（x）线方程可用于描述压力放大光声池的流体通量

其中电流源I⁰ =（gamma;-1）Palpha;/（rho;c²）l /pi;，传播常数为beta;=（Z₁ / Z₂）^1/2。 A和B可以从U_i（x）导出，可以通过计算机中的迭代获得。最后，得到的、传播矩阵可用于表示整个光声系统的光声过程和性能。

对于微量气体检测的情况，室温和大气压下乙烯的常数见表1，其中显示了使用等效四极网络模型的光声单元仿真中考虑的参数值。 l_res表示谐振长度，d_res是谐振直径，l_buf是缓冲区长度，d_buf是缓冲区直径。 c是声音的速度，rho;是气体的密度，C_p是单位质量恒定压力下的气体比热容，gamma;= C_p / C_v是恒定压力和体积的比热容比，mu;是气体的粘度，kappa;是气体的导热系数。通过将这些值代入MATLAB程序，光声幅值随调制频率及气室轴向位置变化仿真分析结果见图1所示。

表一：模拟参数

图1.在光声单元的不同频率和轴向位置的光声信号

图1显示了在中心处获得光声信号的最大幅度，该中心是定位麦克风的最佳位置。 由于激光束通过输入和输出窗口产生的加热效应，乙烯（C ₂ H ₂）的吸收在两端增加。

图2显示了光声信号长度较大，缓冲区宽度较大。当缓冲器的直径减小时，驻波延伸到缓冲腔中，由于麦克风的位置较远，接收的光电信号降低。

图2不同缓冲长度和直径处的光声振幅

图3显示了缓冲直径和长度对光声信号和共振频率的影响。 我们可以从图3（a）中观察到，在大约25mm的缓冲长度处有交点。 可以注意到，在直径25mm的长度之前，谐振频率随着缓冲器直径的减小而增加。 当缓冲器长度大于25mm时，频率共振减小。 由于结束修正Delta;lasymp;0.6r（开放端），f = c /（l Delta;l）^[15]，缓冲区长度小的小直径产生高谐振频率。 谐振频率的变化非常大缓冲长度为25 mm。 也就是说，25 mm的缓冲长度对共振频率的影响最小。

图3（b）显示共振腔直径的增大，光声幅值越来越小。 最佳缓冲长度为25mm，等于声波长（lambda;/ 4）的四分之一，即l_res = 2_lbuf（l_res gt;gt; d_res）。 在这种情况下，实现了最佳的背景信号抑制。 结果表明，当d_bufge;3d_res时，谐振频率变化几乎恒定，光声信号的幅度几乎不受影响。考虑到光声池的尺寸过大需要更多的测量气体和更多的材料，缓冲区直径可以推导到d_bufasymp;3_dres。

图3光声单元的缓冲直径和长度对（a）共振频率和（b）光声信号的影响

微量气体检测实验系统示意图如图4所示。使用在1533nm波长下工作的单模式分布反馈（DFB）可调谐二极管激光器（LC96AH74，Accelink Technology）作为光源。当调谐频率根据谐振器尺寸与声谐振频率一致时，实现光声检测的更好的灵敏度。温度控制器（TED200C，ThorsLabs）和激光二极管电流控制器（LDC250，ThorsLabs）用于维持输出

LDC：激光二极管电流控制器; TED：温度控制器 数据采集系统 PA：光声

图4.实验系统示意图

图5示出了整个光声单元的结构，其在可调导轨上并且支撑在中心的谐振腔。 通过使用铝环的各种内径来改变缓冲体积。 谐振电池的每个端部都用铝活塞固定。 通过调整活塞的相对位置，可以通过将其长度从15 mm增加到35 mm，步长为5 mm来改变缓冲体积，而直径从8 mm变化到16 mm。 在实验中，当激光束沿轴线完全通过光声单元时，实现更好的光声响应，缓冲器必须用活塞密封以保持气密性。

图5光声池结构

将活塞盖沿着长度轴滑动，两端的缓冲器出现长度变化。从图6可以看出，当缓冲器长度等于波长（lambda;/ 4）为25 mm的四分之一波长时，出现最小背景信号，这是压力振幅对缓冲器的破坏性干扰的最佳长度。 但是在这种情况下，共振频率不受缓冲区长度的影响。

图6 d_res = 5 mm，l_res = 50 mm，d_buf = 16 mm的各种缓冲长度的光声信号和背景信号的实验结果

图7示出了从8mm到12mm的缓冲直径增加了共振频率。 在一定的直径处，共振腔直径接近于较长的分辨器的大小。 基于f = c / 2_lres，频率与谐振器长度成反比。 因此，共振腔直径具有低谐振频率。 然而，当共振腔直径大于14mm时，谐振频率几乎恒定，如图7的插图所示。 说明在直径为16 mm时出现的实验共振频率与模拟结果之间的最大偏差为1.8％，直径为10mm时最小偏差为0.46％，平均偏差为1.1％。

在d_res = 5 mm，l_res = 50 mm和l_buf = 30 mm时，具有几种缓冲直径的共振频率的实验和仿真结果

根据图8，当应用较大的共振腔直径时，背景信号减小，而光声信号同时增加。 在这种情况下，较大的共振腔直径可以获得较高的光声信号，这对提高灵敏度是有利的。 然而，光声池的尺寸过大需要更多的气体用于测量，并且需要更多的时间来充气，因此最佳尺寸对于微量气体检测是实用的。

图8共振腔直径对光声信号和背景信号的影响，d_res = 5 mm，l_res = 50 mm，l_buf = 30 mm

图9描绘了可以与模拟分析相匹配的实验结果。 实验和模拟结果之间的平均偏差为1.1％，共振腔长度为30 mm，共振腔长度为25 mm时为0.46％，长度为20 mm时为0.96％，因为光声池不完全密封。

图9不同共振腔直径和长度的共振频率的实验和模拟结果比较

基于理论模型分析和光声单元缓冲几何的实验结果，我们可以看到共振腔长度和直径对光声信号，背景信号和共振频率的影响。 应进一步调查以引入EDFA和改进电路，以测试气体的最低浓度。

致谢

作者要感谢马来西亚大学（UKM）为我们的访问学者提供2012年度青年研究员奖学金赠款。

参考文献

• [1] C. G. Teodoro, D. U. S. Schramm, M. S. Sthel, G. R. Lima, M. V. Rocha, J. R. Tavares and H. Vargas, Journal of Physics: Conference Series 214, 012040 (2010). 

• [2] J. Laufer, C. Elwell, D. Delpy and P. Beard, Physics in Medicine and Biology 50, 4409 (2005). 

• [3] W. Chen, B. Liu, H. Zhou, Y. Wang and C. Wang, Euro- pean Transactions on Electrical Power 22, 226 (2012). 

• [4] X. Chen, Q. M. Sui, F. Miao, L. Jia and J. Wang, Journal of Optoelectronics·Laser 22, 1679 (

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