针对光声光谱系统本底噪声限制问题，以圆柱形声共振器作为研究对象，开展了双共振腔光声池设计，并将共振光声光谱和差分探测原理相结合，建立了一套基于近红外半导体激光器的高灵敏度激光光谱气体探测系统。以空气中的水汽（H₂O）分子作为检测对象，结合高灵敏度波长调制二次谐波探测方法，对建立的差分式共振光声光谱系统进行了理论分析和实验评估。艾伦方差分析结果显示，系统可实现几个10^-6量级水汽分子浓度的高灵敏度检测。相较于传统单通道光声探测模式，所提出的差分探测式共振光声光谱探测技术可有效提升系统的稳定性和检测灵敏度，最佳信号平均时间可提高2倍。

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1 400 Hz附近的最佳尺寸。

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0.16 μL·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。

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。

光声光谱是一种新颖的气体探测技术, 光声光谱检测是一种间接的吸收光谱技术, 通过探测声波信号进行气体浓度反演, 具有结构简单、 响应速度快、 系统体积小等优点, 是目前正在发展一种可广泛使用的高灵敏度痕量气体传感手段之一, 在检测毒害气体、 爆炸物及化学毒剂模拟剂领域正在成为研究的热点之一。 重点介绍了光声光谱技术在化学毒剂模拟剂和有毒有害气体的快速检测方面的研究工作。 光声光谱法使用了不同的激光系统, 当激光发射的范围为中红外波段, 在这些波段范围内化学毒剂会有特征吸收峰, 因此也可适用于检测化学毒剂。 介绍了国外光声光谱法检测化学毒剂及模拟剂的相关方法, 介绍了方法中光路构成、 激光光源等方法信息, 以及新建气体吸收池的结构特点。 分析了不同化学毒剂及模拟剂光声光谱检测的特征吸收波长范围等内容。 除了传统的在气体吸收池中检测化学毒剂外, 近年来不断发展了在几厘米到几十米距离范围内的光声光谱开放光路遥测探测毒害气体的方法和系统。 对光声光谱技术在氨气、 硫化氢、 HF、 二氧化硫等有毒有害气体检测领域的方法进行了报道。 分析了相关的光源及方法、 声波换能元件、 化学毒剂模拟剂的特征光谱、 检测性能等方面的工作。 报道了国外短距离遥测光声光谱样机, 对光声光谱短距离谱遥测技术等潜在的发展进行了评述。

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术，声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元，但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中，利用光学声波传感器对光声信号进行探测，避免了电子探测元件的使用，具有环境适应性强、灵敏度高等优点，且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展，并展望了其未来的发展方向。

首先，利用有限元分析方法，仿真模拟了石英音叉的应力和表面电荷分布，设计并加工了一种T字头石英音叉。经过实测，此T字头石英音叉的共振频率为8930.93 Hz，Q值为11164，叉指间距为1.73 mm，与目前广泛应用的商用石英音叉相比，T字头石英音叉的共振频率降低了73%，品质因数提高了22%。然后，通过测量水汽对其传感性能进行验证，发现相比于商用石英音叉，基于T字头石英音叉的石英增强光声光谱（QEPAS）系统信噪比提升了60.65%。最后，给出了石英音叉下一步优化的方向。