光声气体检测的原理及方法

当阳光照射在一个含有烟雾的密闭玻璃罐时，通过接到玻璃罐上的听筒可听到某种声音，这就是光声效应^[19]。但是直到20世纪70年代以后，随着微音检测技术和强光源（例如激光）技术的发展，光声效应才在微量分析领域逐步得到实际应用。光声效应是由于气体吸收特定波长的电磁辐射（例如红外光线）产生的。气体吸收电磁辐射后导致温度升高，此时若气体是在密封的容器中，则温度的升高将导致气体压力的增高。若照射密闭气体的是脉冲光源，则气体压力的波动和脉冲光源的频率是一致的，因此可采用高灵敏的微音传感器（Micro-phone）检测出该压力波。这与红外光谱吸收方法类似，找出每种气体成分的特征分子吸收光谱，对红外光源进行波长调制使其能够激发某特定的气体分子以消除不同类分子的相互干扰是解决问题的关键。目前研究表明，各种气体都有不受任何谱峰干扰的、可用于高灵敏度检测的频谱。因此，通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度，就可以确定故障气体中各组分的存在及浓度。其检测原理图如图1-8所示。

图1-8 光声原理气体检测装置的原理图

通常被调制的入射辐射光强度被表示为

I（t）=I₀[1+msin（ωt）] （1-4）

式中 ω——调制频率；

m——调制深度。

其辐射光强在气室中传播可以根据朗伯-比尔定律^[20，21]描述如下：

式中 α——吸收系数；

c——被测气体的浓度。(www.xing528.com)

在长度为1的气室中，根据上述描述，入射红外辐射吸收强度可以近似描述为

假设因气体浓度的改变，引起气室内部压力变化Δp，Δp可以表示为

式中 V——气室体积；

a——气体的热动态性能；

λ——气体热导率的常数。

因此，在微小的气室内，气体浓度较小，αcl<<1，就可以获得在品质因子为Q的输出信号S：