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。

提出一种新型平面镜光学多通池设计方案。该方案中光学多通池由价格低廉的平面镜和透镜构成, 相对于传统的昂贵的凹面镜多通池与柱面镜多通池, 此款新型光学多通池更经济适用。新型光学多通池在平面镜外侧镀有高反射率膜层, 这种镀膜方法隔绝了待测腐蚀性目标气体与高反射率镀膜层的接触, 减小腐蚀性气体对高反射率镀膜层的污染, 从而提高仪器的使用寿命和检测精度。为了验证了新型平面光学多通池是否具有提供有效长光程的能力, 利用光学软件对三种不同设计参数的新型光学多通池进行光学仿真。相比于传统的 White 池与 Herriot 池 (体积约为 700 cm3, 约经过 80 次光反射), 仿真结果显示新型平面镜光学多通池可以在较小的体积 (约 236、393、422 cm3) 分别实现 62、100、99 次光反射, 并提 供 14.64、40、42.57 m 的有效光程。新型光学多通池有效光程数与多通池体积比值很大, 其比值分别 为 100、62、101 mm－2, 表明该新型光学多通池空间利用率很高。初步研究表明该新型光学多通池具有小体积、长光程、低成本、探测灵敏度高等优点。

随着现代化工业的高速发展, 痕量气体检测技术的重要性不言而喻, 目前痕量气体检测技术已广泛应用于环保、 化学工业、 生物生态以及医学检测等各个领域, 光声光谱技术由于它具有零背景检测、 探测器不受波长限制、 光学元件简单, 系统调节及维护方便等优点, 现已成为光谱学领域中非常重要的检测手段, 近些年来, 随着微弱信号检测与激光器技术的快速发展, 光声光谱技术也得到更多学者的关注与研究, 所取得的成果为光声光谱检测性能的提升提供了重要的设计参考, 然而, 当前文献报道较少地涉及到光声池的优化工作, 尤其是对光声池的形状构造等问题鲜有深入探索。 光声光谱检测系统中最核心的部件之一即为光声池, 它是承载待测气体的容腔以及产生光声耦合作用的场所, 其形状构型在很大程度影响着光-声之间的耦合状况, 以致于影响整机系统的信噪比与灵敏性, 因而探索设计光声池的形状具有重要的理论研究意义及工程应用价值。 为此, 基于传统圆柱形光声池的设计基础, 探索研究了纵向截面为圆形、 正三角形、 椭圆等8种典型形状的光声池结构模型, 并对其声场特性进行了仿真分析, 借助3D打印技术制作了各类光声池实物, 通过实验对比分析了8种光声池的性能指标, 在限定光声池纵向长度及纵向截面周长相等的条件下, 仿真结果表明, 8种形状各异的光声池工作纵向声学模态振型均相同, 实验结果表明, 8种光声池的工作声学共振频率值基本相同, 受其激光光源与腔内声学模态耦合的影响, 其品质因素从大到小依次为: 圆形、 短轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 正三角形、 小圆轴线形、 长轴椭圆, 池常数从大到小依次为: 圆形、 长轴椭圆、 正五边形、 正方形、 大圆轴线形、 小圆轴线形、 正三角形、 短轴椭圆, 整体结果显示, 对于光声光谱光声池的设计, 在没有特殊要求的情况下, 光声池应优先为圆形形状, 研究过程与结果为光声光谱中光声池的设计与优化探索提供了借鉴与参考。

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算, 获得石英音叉前6阶振型与模态频率, 认知了第4阶对称摆动振型为有效振动, 利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、 音臂宽度w1、 音臂厚度t、 音臂切角θ、 音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率（Fre）的影响, 敏感度依次为: l1> w1>d>θ>t>h, 考虑实际设计情形, 筛选出了l1, w1, d与h四个石英音叉设计变量, 采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法, 以Fre为函数目标, 建立l1, w1, d与h的二次回归响应面模型, 得到了参数之间的交互作用, 利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求, 结果表明, 在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小, 基本满足QEPAS系统的计算需求, 所提出的研究与设计方法具有一定通用性, 可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪, 为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。 太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式, 具有精度高、 全时空特点。 测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度, X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°, 能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。 进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来, 测量了3.5 μm附近的太阳光谱, 得到了CH4在整层大气中的吸收情况, 为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。

在传统的太阳跟踪系统设计中,主要采用光电跟踪与视日跟踪方法。设计了一种基于CMOS摄像头的高精度太阳自动跟踪仪,上位机通过NI公司的虚拟 仪器开发平台Labview来设计跟踪软件,通过相关算法计算出太阳实时的方位角和仰角,进而转化成电机运行所需的脉冲,通过RS232传输到51单片机, 由单片机来控制电机转动到相应的角度,从而使太阳光斑始终处于摄像头的中心位置。该实验装置具有比商业太阳跟踪仪更高的跟踪精度,跟踪误 差最小可以达到0.002°。