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基于正交试验的光声池气流性能模拟及参数优化

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光谱学与光谱分析 2023年第12期43卷 3899-3905页

作者：程刚曹亚南田兴曹渊刘锟安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气... 详细信息

基于光声光谱原理的气体浓度检测是光声技术最典型的应用。与其他光谱气体检测方法相比,光声气体检测技术主要具有结构简单、探测器不受波长限制、零背景噪声、成本低等优点。它在气体检测领域得到了广泛的认可和应用。作为光声光谱气体检测系统的核心部件,光声池的性能将直接影响系统的检测结果。因此,光声池的优化设计已成为该领域的研究热点。当前,针对光声池的优化主要是基于系统静态条件,关于光声池腔内气体流动性能及动态时间响应的研究报道较少。由于光声池在动态检测条件下的气体扰动及系统检测噪声具有一定影响,因而对于光声池的相关参数进行进一步的探索与优化,改善光声池腔内气体流场分布、动压特性及其气体浓度平衡时间对于提升光声光谱的气体检测性能具有重要意义。为此,以传统的圆柱形光声池为基础,基于三维流场数值模拟方法建立了光声池腔内流场的稳态和瞬态模拟模型,计算获得了光声池腔内气体流场分布及其气体浓度平衡响应规律,结果表明,减少光声池腔内气流流速及优化光声池中的过渡结构将会改善气流引发的动压波动以及缩短腔内气体浓度调节时间。以光声池的缓冲腔与谐振腔过渡处圆角、辅助孔数量、辅助孔半径、辅助孔中心圆半径以及进气速度5个参数为因素,以谐振腔轴线中点处动压值和气体浓度调节时间为考察指标,采用数值模拟和正交试验设计与熵权法相结合的方法,获得了光声池的相关参数对动压值影响的主次影响顺序为:辅助孔半径>辅助孔数>进气速度>过渡圆角>辅助孔中心圆半径;对调节时间影响的主次顺序依次为:进气速度>辅助孔半径>辅助孔数=辅助孔中心圆半径>过渡圆角,为平衡指标的影响,将多目标参数优化问题转化成单目标优化问题,客观地给出动压值和调节时间的权重分别为0.49、 0.51。在研究参数范围内,获得了其最佳参数组合为:缓冲腔与谐振腔过渡处圆角为3.0 mm、辅助孔数量为8个、辅助孔半径为3.5 mm、辅助孔中心圆半径为22.5 mm、进气速度为0.06 m·s-1,优化后的光声池谐振腔轴线中点处动压值为9.4×10^(-4)Pa,腔内气体浓度调节时间为141 s,相较于优化前的指标,动压值相对降低了88.1%,调节时间相对降低了17.5%,两项指标均得到优化提升,优化效果较为理想。研究方法与结论可为光声池的优化设计和拓展研究提供重要参考。

关键词：光声光谱光声池数值模拟正交试验熵权法参数优化

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绝缘材料光声池的理论分析与实验验证

光谱学与光谱分析 2023年第9期43卷 2922-2927页

作者：陈图南李康邱宗甲韩冬张国强中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

高压套管是电力系统的核心部件,对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、体型较小的高压套管,研发适用于高压套管的检测系统势在必行。相较于传统金属结构的光声... 详细信息

高压套管是电力系统的核心部件,对高压套管的绝缘状态进行检测具有重要的实际意义。由于目前常见的绝缘状态在线监测设备难以适用于安装位置特殊、体型较小的高压套管,研发适用于高压套管的检测系统势在必行。相较于传统金属结构的光声池,采用全绝缘结构光声池能够在进行原位检测时不形成悬浮电位,从而能够规避在高压套管内引发局部放电等故障,是对高压套管绝缘状态进行检测的理论可行方案之一。探究了适用于高压套管检测的原位检测系统重要部件全绝缘结构光声传感器的可行性。分别从基本原理、仿真计算及实验验证三个方面对全绝缘结构光声池进行了分析及论证。首先,就光声池材料对光声信号的影响进行了理论分析,讨论了相较于传统黄铜材料,由绝缘材料石英制成的光声池可能存在的问题。然后,在此基础上采用COMSOL Multiphysics建立了共振式光声池的仿真模型并进行了声学和热学相关计算,对理论分析的结果进行验证,并分析了实际情况下石英光声池的理论表现。最后,建立基于石英光声池的光声光谱检测系统实验平台,结合波长调制及二次谐波方法对微量乙炔气体进行定量检测,用于对石英光声池的可行性进行验证。仿真计算结果表明,类似于黄铜材料,石英材料光声池同样具备对微量气体进行定量检测的能力。实验结果表明,基于石英光声池的检测系统对乙炔气体的检测极限能够达到0.16μL·L^(-1),满足相关标准中油浸式电气设备对乙炔检测的需求。因此,以石英为材质的共振式光声池具备应用于高压套管原位检测的潜力。

关键词：光声光谱光声池绝缘材料仿真计算

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两级缓冲式光声池仿真设计及性能分析

光谱学与光谱分析 2023年第8期43卷 2375-2380页

作者：靳华伟王浩伟罗平方磊安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院(芜湖) 安徽芜湖241003 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室安徽合肥230031

光声池是发生“光-热-声”耦合的场所,光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。为了提高光声池的性能,在传统圆柱形光声池的基础上,提出了一种两级缓冲式光声池。利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高... 详细信息

光声池是发生“光-热-声”耦合的场所,光声池性能的优劣直接影响检测系统的精度与灵敏度。为了提高光声池的性能,在传统圆柱形光声池的基础上,提出了一种两级缓冲式光声池。利用COMSOL软件中热粘性声学物理场接口仿真分析了缓冲隔板高度及缓冲隔板数量对光声池内声场的影响规律。结果表明,光声池的共振频率随缓冲隔板数量和高度的增大而减小。当缓冲隔板的数量固定,缓冲隔板高度H大于11 mm时,光声池的共振频率随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。在光声池共振频率要求范围内,共振频率的减小有利于光声信号幅值的提高;当缓冲隔板的高度固定时,光声池的声压随缓冲隔板数量的增加而减小;当缓冲隔板高度在0~11 mm之间时,声压值保持相对稳定;当缓冲隔板高度大于11 mm时,声压值随缓冲隔板高度的增加而急剧减小。流场方面,通过在缓冲腔内设置缓冲隔板可减小左侧缓冲腔内的速度梯度。一级缓冲方式虽可一定程度减小速度梯度,但在缓冲隔板处出现速度波动,而两级缓冲方式不仅减小了光声池内的速度梯度,而且使气体流速更加平稳。考虑到光声信号幅值、声压及光声池内速度梯度等指标,选用缓冲隔板高度为11 mm,缓冲隔板数量为2。基于所给最优参数的两级缓冲式光声池,仿真及实验结果表明:所设计的两级缓冲式光声池和同尺寸的圆柱形光声池相比,声压由3.34×10^(-5)降低为3.32×10^(-5),本底噪声由(2.83±0.11)μV降低为(1.26±0.03)μV,共振频率由1344 Hz降低为1299 Hz。虽声压减小了1.2%,但声噪比提高了2.22倍,且共振频率在满足要求的范围内降低了3.3%,使光声信号幅值得到一定程度提升。整体来说,两级缓冲式光声池稳定了气体流动噪声,减小了流动噪声的波动幅度,为光声池优化设计提供了一种新的思路。

关键词：光声光谱光声池有限元分析优化设计

光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量的研究进展

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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 1-14页

作者：郑洪全戴景民哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量... 详细信息

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量的基本原理,对应用光声效应实现痕量气体浓度测量的机理进行了简要的描述,同时,介绍了基于光声光谱技术的典型痕量气体浓度测量装置的结构。其次,从光声信号强度的理论分析出发,引出国内外学者在光声光谱痕量气体浓度测量领域的研究热点,为了实现基于光声光谱技术的痕量气体浓度测量装置更强的抗干扰能力、更紧凑的结构、更低的检测下限、更高的检测灵敏度,国内外学者的研究重点可以总结为以下三点:(1)辐射光源的选取和设计,以实现更佳辐射光源的输出波长、更宽的调谐范围、更高的辐射光源输出功率。(2)更优秀的光声池设计,以实现更高效的声能量积聚、更紧凑的结构和更强的抗干扰能力。(3)声敏探测器的设计,以实现更高的声音灵敏度、更高的信噪比。详细介绍了基于光声光谱痕量气体浓度测量装置的三个核心元件:辐射光源,主要介绍了相干光源和非相干光源的应用研究进展;光声池,主要介绍了光声池的设计原则以及非共振式和共振式光声池的应用研究进展;微音器,主要介绍了电容式微音器、压电式微音器的应用研究进展,并对近期研究热点石英增强光声光谱技术进行简要的介绍。在介绍目前辐射光源、光声池、微音器应用研究进展的同时,分析了各元件的优势和需要解决的问题。最后,总结了光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量领域装置存在的信噪比不高、结构复杂、检测灵敏度和检测下限易受混合气体之间的交叉干扰等问题,并且对未来测量装置中的三个核心元件:辐射光源、光声池、微音器的发展趋势进行了展望。

关键词：光声光谱痕量气体检测辐射光源光声池微音器

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光声池径向共振模式耦合系数理论分析

光谱学与光谱分析 2010年第4期30卷 879-882页

作者：袁长迎刘先勇蒙瑰赵亮西南科技大学国防科技学院四川绵阳621000 西南科技大学信息工程学院四川绵阳621000

光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率，当它等于腔的某个共振频率时，在腔内形成声驻波，而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔... 详细信息

光声光谱法是基于红外吸收光谱原理的一种高灵敏度的微量气体探测技术。它使用声共振腔来实现微弱声信号的共振放大。通过调节激光的调制频率，当它等于腔的某个共振频率时，在腔内形成声驻波，而腔本身的作用相当于一声放大器。共振腔的放大作用取决于当前被激活的共振模式、腔的品质因素、声传感器的状态以及电磁辐射与腔共振模式的耦合作用。值得关注的是，红外激光相对于声共振腔的入射方位不同则激励产生的光声信号幅值也不同。采用理论推导与数值计算相结合的方法，以圆柱形光声池为例，研究了径向共振模式下耦合系数受激光入射方位的影响。研究表明，激光入射角在0-π／2范围变化时耦合系数存在2个零点和2个极大值：入射角为。或tan^-1（0．8592×2R／L）时，耦合系数为零而径向共振失效；入射角为tan^-1（0．5568×2R／L）或tan^-1（2R／L）时，耦合系数极大而径向共振最强。此处R为池径而L为池长。结果可用于指导光声池结构优化设计与安装调试，增强光声法检测微量气体的信号幅值，提高检测灵敏度。

关键词：光声池声共振耦合系数

基于微型共振光声池的高灵敏度油中溶解气体检测技术

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光子学报 2023年第3期52卷 250-257页

作者：曹玲燕李志军齐宏超赵继宽李辰溪陈珂国电南京自动化股份有限公司南京210032 大连理工大学光电工程与仪器科学学院大连116024

针对真空脱气法脱气效率高但气量少的特点,提出了基于微型共振光声池的高灵敏度油中溶解气体检测技术。使用真空脱气法对变压器油中溶解的乙炔气体进行脱气,结合气室体积为12.4 mL的小体积H型共振式光声池,实现对油中溶解乙炔气体浓度... 详细信息

针对真空脱气法脱气效率高但气量少的特点,提出了基于微型共振光声池的高灵敏度油中溶解气体检测技术。使用真空脱气法对变压器油中溶解的乙炔气体进行脱气,结合气室体积为12.4 mL的小体积H型共振式光声池,实现对油中溶解乙炔气体浓度的高灵敏度测量。利用掺铒光纤放大器对激光功率进行放大,并分析在近红外波段乙炔、水蒸气和二氧化碳的气体吸收光谱,选择较合适的气体吸收谱线进行光声信号激发。通过实验对激光调制电流和调制频率等参数进行优化。配置不同浓度的油样对系统的性能进行测试,得到系统对乙炔油样的最低检测限为0.2μL/L。

关键词：激光光谱光声光谱油中溶解气体分析光声池真空脱气

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光声光谱检测装置中光声池的数值计算及优化

物理学报 2019年第7期68卷 139-149页

作者：程刚曹渊刘锟曹亚南陈家金高晓明安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室淮南232001 中国科学院安徽光学精密机械研究所合肥230031 中国科学技术大学合肥230031

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟... 详细信息

利用光声光谱技术进行痕量气体的检测具有独特的优势,光声池是系统装置中最为重要的核心部件,它决定着整机性能的优劣.以一圆柱形共振型光声池为研究对象,基于声学与吸收光谱学的基本理论,建立了光声池声场激发的数学模型;利用数值模拟方法对光声池空腔结构进行了声学模态仿真,获得了前8阶声学模态值以及声压可视化振型;在考虑热黏性声学损耗的作用下,对光声池进行了热-声耦合多物理场仿真计算;将仿真结果与解析计算和实验结果进行对比,明确了利用数值模拟方法来计算光声池有关指标的可靠性与可行性;针对光声池的优化问题,提出了一种将响应面代理模型与遗传算法相结合的优化算法,在将原光声池中的谐振腔两端形貌更改为喇叭口形的情况下,通过优化算法获得了以光声池品质因数Q及池常数C_(cell)为最大值寻优的Pareto最优解集;选取一组解进行考察,结果表明,代理模型预测值与数值模拟值指标最大误差仅为1.3%,优化后的新型光声池Q较之前增长了48.9%, C_(cell)增长了34.4%.研究方法可为光声光谱中光声池的优化设计提供参考借鉴.

关键词：光学光声光谱光声池数值计算

用FTIR光谱技术测定固体和液体光声池频响特性

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红外与毫米波学报 1988年第2期7 A卷 103-108页

作者：俞钢张贵忠张存洲张光寅南开大学物理系

提出一种利用傅里叶交换红外FTIR光谱技术测量固体、液体光声池频响特性的简便方法,从理论上论证了该方法的可行性,并用于测量几种不同结构参数光声池的幅频特性。实验结果与我们用广义亥姆霍兹理论的计算结果符合很好。讨论了光声池声... 详细信息

提出一种利用傅里叶交换红外FTIR光谱技术测量固体、液体光声池频响特性的简便方法,从理论上论证了该方法的可行性,并用于测量几种不同结构参数光声池的幅频特性。实验结果与我们用广义亥姆霍兹理论的计算结果符合很好。讨论了光声池声传递特性对光谱测量结果的影响及在FTIR光声光谱测量中利用共振增强效应进行固体样品痕量检测的可能性。

关键词：光声池测量结果频响特性 FTIR 光谱技术

光声光谱气体检测系统中光声池的仿真优化设计

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光通信技术 2023年第3期47卷 86-90页

作者：闫星宇傅海威雍振王晓玲张泽赵子良西安石油大学理学院西安710000

针对特定场合对光声光谱气体检测系统中光声池特征频率的设计需求,利用有限元分析法,以一阶圆柱形共振光声池为研究对象进行声学模态仿真,获得了前8阶声学模态;仿真分析谐振腔、缓冲室的半径和长度对光声池特征频率和光声信号强度的影... 详细信息

针对特定场合对光声光谱气体检测系统中光声池特征频率的设计需求,利用有限元分析法,以一阶圆柱形共振光声池为研究对象进行声学模态仿真,获得了前8阶声学模态;仿真分析谐振腔、缓冲室的半径和长度对光声池特征频率和光声信号强度的影响。仿真结果表明:当谐振腔半径为3 mm时,谐振腔长度为120 mm,缓冲室的半径、长度分别为14.7 mm、60 mm是光声池特征频率在1400 Hz附近的最佳尺寸。

关键词：光声光谱光声池特征频率光声信号强度