光声光谱技术应用于环境监测和电力系统的研究

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基于光声光谱技术的痕量气体传感器,以其探测灵敏度高、气体选择性好、结构简单紧凑、体积小和成本低等优势,在大气环境监测、工业过程控制、无创医疗诊断等领域有重要的应用价值。本文利用光声光谱技术所拥有的零背景噪声、无波长选择性和光声信号幅值正比于激励光功率等特性,并围绕大气环境污染气体的探测和电力系统中电气设备的安全监测,设计研究了多款高性能的光声气体传感器。并结合共振式光声池和音叉式石英晶振作为声学传感器,获得了如下创新型研究成果:1、根据声学谐振腔理论知识,设计了双通道的差分结构光声池。使用两个形状体积完全一致的光声共振腔配合差分电路,消除了由气体流速、窗口吸收以及外部电磁干扰引起的噪声干扰,提高了光声传感器的探测信噪比。可以在不增加气体流速噪声的情况下,将光声传感器工作在高气体流速的状态下,以消除在高功率激励光源下可能存在的饱和吸收效应,减弱NH3和SO2等气体的粘性效应,同时提高传感器的响应时间;2、基于设计的差分结构光声池,利用光声光谱技术无波长选择性的特点,分别采用从紫外到可见光、近红外以及中红外等多种波长的激励光源,实现了对大气中二氧化氮、一氧化氮和二氧化硫污染气体的长时间在线监测,满足了监测大气污染物的应用需要;并实现了在六氟化硫载气下,对硫化氢、一氧化碳和二氧化硫等气体分子在线同步探测,满足了电力系统的应用需要;3、建立了在高功率激励光源下的分子激发退激发模型,并通过实验验证了高气体流速有助于减弱气体饱和吸收效应的推断。在未达到光声信号饱和的情况下,使用价格低廉的高功率LD激光器来探测NO2,还使用商业化的光纤放大器将近红外光源功率泵浦到瓦特量级,弥补了近红外吸收线强较弱的缺点,获得了与使用中红外光源相比拟的探测灵敏度,减低了光声传感器的制造成本。4、根据SF6气体的物理特性,设计了高Q值的差分气体光声池探测模块。通过使用傅立叶红外光谱仪获得了高浓度的SF6分子在3.3-10μm的吸收光谱图。基于此选用了波长为紫外或近红外波段的激励光源,避免了在使用中红外光源时遇到的高背景信号幅值中检测微弱信号幅值的缺点。另外利用时分复用的方法,巧妙地设计了多组分SF6气体分解物探测装置,实现了ppb量级的硫化氢、一氧化碳和二氧化硫气体的同时在线测量,满足电力系统中小于1 ppm的气体衍生物探测灵敏度需求。5、研究了石英增强光声光谱中不同结构的光声探测模块,搭配电学调制相消法,将高功率激励光源下产生的高背景噪声幅值压制到音叉的热噪声量级,并利用音叉式石英晶振作为光声传感器,实验获得了CO分子的在干燥氮气和加入水汽下的弛豫时间。
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