用于痕量气体检测的光声池的缓冲结构优化外文翻译资料

用于痕量气体检测的光声池的缓冲结构优化

等效四端网络模型用于模拟不同缓冲区直径和长度的一维纵向声共振腔，其目的是在达到能够估计最优缓冲区几何结构的理论模型。在实验中，通过将不同内径和长度的一组铝环填充到缓冲液中，以逐渐减小缓冲体积来获得所需的尺寸。实验结果表明，当缓冲区长度为30 mm时，实验结果和理论模拟得到的平均误差为1.1％。实验表明，当缓冲器长度等于声波长（lambda;/ 4）的四分之一时，发生最小背景信号。当d_bufgt; 3d_res时，光声信号的幅度几乎不受影响。考虑到光电池的尺寸过大需要更多的测量气体和更多的材料，缓冲区直径可以推断出来d_bufasymp;3d_res。因此，较小的光声单元是理想的。

用于痕量气体检测技术的光声光谱（PAS）在许多领域得到应用，包括环境污染物监测，药物诊断，电力系统等。基于由具有对应于气体种类的吸收线的波长的调制二极管激光器激发的气体中的声波的产生，并且用固定在光声单元上的高灵敏度麦克风进行检测 ，PAS在痕量气体检测中具有非常高的灵敏度，达到每兆兆分之一（ppt）。

光声信号在很大程度上取决于光声单元的几何形状。声学共振使得能够进行低灵敏度的分析极限，因此大多数已发表的论文使用谐振电池进行PAS实验。光声单元的优化设计在实现高光声响应方面起着至关重要的作用。作为光电池的重要组成部分，缓冲液对灵敏度和信噪比有显着的影响。尽管以前已经比较了不同几何光声单元的形态，但在缓冲器的优化中很少被发现讨论。L.C.Aamodt 主要介绍了谐振电池的尺寸考虑，而不是缓冲器。 Simona Cris-tescu 强调了不同缓冲半径对灵敏度的影响，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 试图修改其中一个缓冲区的维度以达到最佳结论。 Mohammed A. Gondal测试了光声单元，缓冲液和低温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提出了一种具有不规则缓冲几何形状的“沙漏电池”，与现有的难于投入量产H电池相比，实现稳定的信号从32％提高到36％。

在本文中，我们致力于达到一种理论模型，该模型能够使用称为等效四端网络模型的电路类比来估计最优缓冲区几何。我们设计了一个可调节的光电池，其缓冲区尺寸可以被修改，并且证明了仿真结果的有效性。给出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，以实现光电池的高灵敏度和信噪比。

在气室中的光声信号产生期间，发生几种类型的能量转换，例如光能转换成热能和动能。这些光声过程和参数可以通过气体单元的每个元素的一系列离散的复杂声学波动和导纳来描述。已经建立了一种简单的电路模型，传输线模型，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用作光声过程的类比概念在电力系统中。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总是描述的吸收光功率。Bernegger S.和Sigrist M. W.报道了基于分布式阻抗和源的等效四端网络模型的模拟，对一维光声单元进行了更好的修改。

根据电路原理，将电阻R和i的产生与电感omega;L的乘积相加可以定义为以Kg/m4为单位的单位长度的阻抗Z₁，即Z = R_a iomega;L_a，并且i倍的电容omega;Ca可以被定义为以m4s/kg为单位的单位长度的导纳Z₂，即1/Z2 =omega;C_a。传输线方程中的电压V（x）和电流I（x）可分别用于描述光声单元的压力放大和流体通量。因此，通过测量气体描述每单位长度的吸收光源的等效四端网络模型的电压源可以描述为：

其中电流源为，传播常数为。 A和B可以从U（x）导出，可以通过迭代获得在电脑中。最后传播矩阵的结果可以用于表示光声过程和整个光声系统的性质。

对于痕量气体检测的情况，乙炔在室温和大气压下的常数为在表1中给出，它显示了参数的值在光声单元的模拟中考虑使用等效的四端网络模型。L_res代表谐振长度，d_res是谐振直径，L_buf是缓冲区长度，d_buf是缓冲区直径。 c是声速，是气体的密度，C_p是气体每单位质量恒定压力下的比热容，= Cp / Cv是比热容的常数比压力和体积，是气体的粘度，是气体的导热系数。用这些代替值进入MATLAB程序，光声响应与共振频率和轴向位置的光声单元如图1所示。

如图1所示，给出了在定位麦克风的最佳位置的中心处获得光声信号的最大幅度。 由于激光束通过输入和输出窗口导致的加热效应，乙炔（C₂H₂）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，由于麦克风的位置远远会使接收的光声信号降低。

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。 从图3（a）可以看出，缓冲长度约25 mm。 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.b相反，当缓冲器长度大于25mm时，频率共振减小。 由于末端校正Delta;asymp;I_r 0.6（对于开放端），f = c /（1 Delta;l），缓冲区长度小的小直径产生高谐振频率。共振频率的变化是非常小的，其缓冲长度约为25mm，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PA信号长度较大，缓冲器宽度较大。 最佳缓冲长度为25mm，其等于声波长（lambda;/ 4）的四分之一，即L_res = 2L_buf（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。 考虑到光声单元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;3d_res。

痕量气体检测实验系统的示意图如图4所示。使用在1533nm波长下工作的单模分布反馈（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。使用温度控制器（TED200C，ThorsLabs）和激光二极管电流控制器（LDC250，ThorsLabs）来保持输出稳定性并控制激光器的调制频率。由不锈钢制成的光声单元用于哑铃形的实验。连接在两个缓冲器（由铝制成）之间的谐振器用作声学滤波器。激光器的输入功率为10 mW，发射到光纤准直仪中，沿着光电池的轴线传播，C₂H₂的浓度为100 ppm。将驻极体麦克风（WP-23502，Knowles Inc）放置在单元的中心以收集声信号，然后将其转换为电压。电压由数据采集系统（DAQ）收集，最后发送到个人计算机（PC）进行分析。

图5给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。 谐振电池的每端用铝定位固定。 通过调节活塞的相对位置，缓冲体积可以通过将其长度从15mm增加到35mm，以5mm的步长改变，同时直径从8mm变化到16mm。 在实验中，当激光束沿着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。

通过将活塞盖沿着长度轴滑动，两端的缓冲器长度变化。 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。 然而，在这种情况下，谐振频率不受缓冲器长度太大的影响。

从图7可以看出，从8mm到12mm的缓冲直径增加了共振频率。 在一定直径处，缓冲器更接近谐振器的尺寸。 基于f = c / 2l_res，频率与谐振器长度成反比。 因此，小缓冲器直径具有低谐振频率。 然而，当缓冲器直径大于14mm时，谐振频率几乎恒定，如图7的插图所示。 说明在缓冲直径为16 mm时出现的实验共振频率与仿真结果之间的最大偏差为1.8％，缓冲直径为10mm时最小偏差为0.46％，平均偏差为plusmn;1.1％。

根据图8，当应用较大的缓冲器直径时，背景信号减小，而光声信号同时增加。 在这种情况下，较大的缓冲器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，光电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，因此最佳尺寸对于痕量气体检测是实用的。

图9描绘了可以与模拟分析相匹配的实验结果。 实验和仿真结果的平均偏差为1.1％，缓冲区长度为30 mm，缓冲区长度为25 mm时为0.46％，缓冲区长度为20 mm时的缓冲区长度为0.96％。

进行理论模型来估计最优缓冲区几何。基于理论模型分析和光声单元缓冲几何的实验结果，我们可以看到缓冲长度和直径对光声信号，背景信号和共振频率的影响。应进一步调查通过引入EDFA和改进电路，以测试气体的最低浓度。

声谐振器在光声气体分析和计量学中的应用

在光声中应用不同类型的声谐振器被广泛讨论，例如管，气缸和球体。 这包括对这些谐振腔的基本性能指标讨论。其中包括讨论声模的调制和脉冲激光激发。详细介绍了高Q谐振器和低Q谐振器的理论和实践方面，并将其与完整的光声检测系统集成在痕量气体监测和计量学中。 讨论了可用激光源的特性和光声谐振器的性能，如信号放大。 详细考虑了设置属性和噪声特征。 该评论旨在为新手提供设计和构建最先进的光声检测器所需的信息，用于特定的目的，如痕量气体分析，光谱学和计量学。

1 介绍

贝尔在1880年发现固体l中的光声（PA）效应。很快就意识到液体和气体中存在相同的效应。 同样在这些第一个实验中，发现光信噪声信号的谐振放大，使用空腔作为信号的声学放大器的可能性对于解释有效性非常重要。 然而，由于每个仪器（如光源，麦克风和电子设备）缺乏合适的工具，PA效应几乎被完全遗忘超过了半个世纪。

最后，在1938年，Viengerov推出了基于黑体红外源和麦克风的PA系统，用于气体混合物的分析。二十世纪六十年代，PA气体检测中首次使用激光光源实现了重大突破。与传统光源相比，激光器具有优异的光束质量和光谱纯度，可提供高功率辐射。痕量气体分析首先是通过Kreuzer的开创性工作。目前，Dewey等人和Kamm介绍了一种通过将激光调制频率调谐到圆柱形气体单元的声共振之中的共振模式运行的PA单元。

在20世纪70年代和80年代，光声气体检测蓬勃发展。通过使用CO₂、CO激光器等微量红外气体激光器的PA系统实现了高灵敏度。由于其功率范围内的高输出功率及其线路可调性能达到强烈的基本振动转换，所以这些激光器成为理想的光源，以将PA气体检测的灵敏度推入ppb V（十亿分之几体积）浓度范围为0 1甚至低于使用线性可调的CO ₂和CO气体激光器，具有约1W的适度功率的初始结果早在1972年被报告。通过将PA单元放置在激光谐振器的光腔中可以使信号增强，其中可以达到约100W的激光功率（腔内光声波光谱）。虽然线可调CO 2和CO气体激光器是相对较大，复杂，昂贵的系统，它们已经在移动站中用于原位环境气体检测。

PA电池的突出特点，重要的是它的体积小，简单性和坚固性，只能当与合适的激光器组合时，它们将被充分利用资源。所以最近在发展中取得的进展的二极管激光器对应用的影响越来越大，紧凑的PA气体分析的阳离子。在近乎1Oom的温度下运行的近似的（NIR）二极管灯的目前可用功率比CO 2和CO激光器的功率小，而在灵敏度主要限制在ppm，某些气体到亚ppm范围。然而，他们可能会提供一个替代解决方案，其中需要小尺寸，可靠性，低成本和长寿命。二极管激光器的一个特别优点是可以进行强度和波长调制两种。二极管激光器是连续可调谐的，但是它们的可调范围很受限（通常小于一个波数），可以通过外腔二极管激光（ECDL）系统获得更大的可调范围（20-50nm）。

从1970年开始的光声复兴开始，这一领域的进步始终与激光技术的发展密切相关。 可以预期，在基本的lR光谱区域工作的新的广泛可调谐的固态激光系统对于痕量气体检测的白色的主要影响。在这种观点下，最近对周期性极化的铌酸锂光学参量振荡器的实现和进一步改进， 量子级联二极管激光器可能是光电子能谱（PAS）在电磁波监测中的重要作用。 这些激光器将连续波（cw）提供为具有合理功率和带宽的Vvell作为脉冲宽可调谐。

PA气体检测装置的关键点是产生和检测P A信号的单元。第一个“气体麦克风单元”是具有透明窗口的小圆柱形空腔。麦克风通过在单元的一个侧壁中的薄孔连接到空腔。这些PA传感器可以生产;当我们使用miniatu1e驻极体麦克风时，我们会很便宜。由于P A信号与单元体积和调制f1成反比，因此可以通过取小单元体积（lt;10cm 3）和低调制频率（lt;100Hz）来获得等效，高PA信号电平。然而，噪声源（麦克风的固有噪声，放大器噪声，外部声学噪声）显示出一个“1”频率相关性，并且这种气体的信噪比（SNR）麦克风单元通常相当小。然而，在窗户和墙壁材料中吸收的光产生一个相干的背景信号，这是不可能与气体吸收本身的PA信号基因分离的。因此，我们仍然是最适合PA检测器的固体和液体样品的小气

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