摘 要

近年来光声光谱技术已经广泛渗透到各个学科领域，成为一种强有力的检测方法，尤其是微量气体检测方法。随着该技术在高精度测量上的应用，对光声池设计的要求也越来越高。传统的光声池无法克服麦克风低温下灵敏度降低的问题，因此研究和设计一种新型的能够将气体吸收和谐振功能分离的光声池势在必行。T型光声池即是为解决上述问题而提出的新型光声池设计方案。T型结构有效实现了吸收池和共振池的分离，麦克风安放在共振池顶部端口处，远离吸收池，成功地避免了因与吸收池同体而必须适应不同温度的苛刻要求，大大提高了系统的灵敏度。

论文工作从光声效应敏感气体的基本原理、不同类型光声池的几何结构及典型物理模型的基础理论出发，针对T型光声池建立了基于四端网络法的传感单元模型，通过对传感单元的理论分析和仿真计算，确定了T型光声池的几何参数对光声池主要性能的影响；讨论了温度对光声信号的影响；通过计算得到的仿真分析结果，确定了T型光声气室的结构和最优设计；最后优化T型光声池的几何结构参数，确定提高系统灵敏度的设计方案。

关键字：光声光谱；T型光声气室；四端网络

Abstract

In recent years, photoacoustic spectroscopy technology has been widely penetrated into various fields, has become a powerful detection method, especially the method of detection of trace gases. With the application of this technology in high precision measurement of the photoacoustic cell design requirements are also increasing. The traditional photoacoustic cell unable to overcome low temperature reducing microphone the sensitivity of the issue, so the research and design of a new type of gas absorption separation can be resonant photoacoustic cell function is imperative type.T photoacoustic cell is the separation design of photoacoustic cell model of.T type structure is proposed to solve the above problems the effective realization of the resonance absorption pool and the pool, a microphone placed in pool resonance at the top of the port, away from the absorption pool, successfully avoid the body and absorption pool must adapt to the demanding requirements of different temperature, greatly improve the sensitivity of the system.

Simulation and analysis of main photoacoustic gas sensitive from the photoacoustic effect of basic principle, different types of photoacoustic cell geometry and typical physical model based theory for T type pool is established based on four terminal network sensing unit model. Through the sensing unit of theory analysis and simulation calculation to determine the T type photoacoustic pool geometrical parameters of photoacoustic cell performance are discussed. The temperature of photoacoustic signal. The calculated results to determine the T type light blasts of the chamber structure and optimal design. Finally, the optimal T photoacoustic cell geometry parameters, determined to improve the sensitivity of the system design scheme.

Key Words：Photoacoustic spectroscopy；The T type light blast chamber；four-terminal network

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2光声池的类型、结构特性及国内外研究现状 1

1.2.1光声池的类型与结构特性 1

1.2.2光声池的研究现状 2

1.3论文主要研究工作和内容安排 3

第二章 T型光声池的传感机理和电路模型 4

2.1光声光谱技术 4

2.1.1光声信号产生机理 4

2.1.2声场理论处理 6

2.2 T型光声气室设计理论 9

2.3 T型光声气室的四端网络法 10

2.4本章小结 14

第三章 T型光声池仿真结果与结论 15

3.1四端网络法仿真结果 15

3.2本章小结 17

第四章 总结与展望 18

4.1总结 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

近年来，随着单色、准直、大功率及波长可调的新型激光器的发明和应用，以及高灵敏度微音器的问世，光声光谱技术已经广泛地应用到各个领域，现阶段已成为一种强有力的检测方法。光声光谱技术是一种无背景的检测技术，它具有以下优点^[25]：

1. 直接测量气体对光的吸收，因此光声检测具有极高的精确性和可靠性。
2. 气体不会吸收不在吸收谱线的频段的光信号，因此选择极好，可同时运 用不同光源在同一光声池内测不同气体，大大节省了成本和时间。
3. 不消耗载气，因此所需样品少，可以运用于一些对样品有破坏或者样品有限的测量。
4. 具有高灵敏度，因为利用高灵敏的微音器，保证了稳定性。

通常把安放吸收物质和检测声波的传声器的腔体称为光声腔。麦克风检测到的光声信号除了与吸收物质浓度、吸收物质在光波长的吸收系数与入射光功率成正比外，还与光声腔密切相关。所以寻求光声池的最佳设计在光声检测中非常重要。

随着光声光谱技术的应用，人们对光声池的应用范围和灵敏度要求也越来越高，传统的光声池已经无法满足人们在实际应用中的需求。T型光声池克服了在低温应用中灵敏度低的问题，并为光声池引导了新的设计方向。所以论文从T型光声池的几何形状出发，以仿真和理论为手段，对T型光声池的设计做出讨论，寻找提高其灵敏度的方法从而选出其几何结构的最优设计，这在实际应用中有重要意义。

1.2光声池的类型、结构特性及国内外研究现状

1.2.1光声池的类型与结构特性

光声池通常分为谐振式和非谐振式两大类。非谐振式光声腔由于把气体封装在光声池内，腔内声压分布和空间位置无关，同一时刻光声池内各个位置压力相同，此类光声池灵敏度较低。对于谐振式光声池，声波在腔内产生驻波，腔体不需要密封大大减少了检测难度，声波谐振就是对声信号的放大，更适合于气体检测。因此，在实际应用中一般采用共振式光声池。