图1-1环境污染现状

1.2气体检测的意义

各种各样的气体与工业生产过程密切相关，其中不乏有易燃易爆气体和毒性气体。如果此类气体的泄漏或聚集不能够被及时地发现，容易产生爆炸、造成环境污染，甚至引发恶性中毒事件。除此之外，农业生产过程中的气体也越来越引起人们的重视[1,2]。作为植物激素的C2H4，在植物的生长过程中会产生多方面的生理效应，把检测C2H4释放量作为分析植物生理过程的一个重要手段。作为饲养牲畜的副产物的NH3，是大气中微小颗粒的前聚物，破坏了生态系统中的氮平衡，因此被认为是大气污染物[3]。因此，气体传感器已经成为保证生产正常进行的必需品。

人们一边享受着现代工农业带来的舒适和便利，一边也面临着许多与污染气体相关的环境问题[4,5]。例如，各种燃油提供动力的交通工具会排放出大量废气和污染气体，房屋在建筑和装修时也会带来大量有毒有害气体。然而，人类无法准确感知这些气体。所以，各类气体传感器就被用来保障人类自身的安全和健康。

1.3光学气体检测方法概述

光学法气体传感器主要是基于吸收光谱法，此外还包括光离子化、光纤化学、试纸光电光度等方法[6-8]。吸收光谱法的原理是根据光辐射能量在气体中的衰减程度来确定气体浓度。当某一特定波长 的光照射待测气体时，光子的能量被气体原子或分子吸收，气体分子或原子被激发到高能态，这一过程造成了入射光能量的损失。入射光强 和出射光强 的关系可以用Lamb-Beer定律描述:

其中 为气体吸收系数， 为吸收长度。根据测量方法的差别，吸收光谱法可以分为：直接吸收光谱法和间接吸收光谱法。

直接吸收光谱技术：已知吸收系数与吸收长度，先测量出入射光与出射光的强度，然后根据朗伯比尔定律便可以求出待测气体的浓度。然而，当待测气体的浓度非常低或者其对光的吸收很弱时，光强的变化非常微弱，浓度测量的检测极限将受到光探测器件电噪声的严重影响，因此主要依靠增大吸收程来提高检测极限灵敏度。但当吸收长度太大时，因为米氏散射与瑞利散射的影响，光谱测量无法进行。实验室采用多次反射吸收池来增加吸收长度，例如White池[9]。

间接吸收光谱技术：测量气体吸收入射光能量后产生的声音信号、荧光信号等物理量。相较于直接吸收光谱技术来说，这是一种无背景的光谱测量技术，包括两种具有代表性的方法：光声光谱和激光诱导荧光光谱[10,11]。

气体分子或原子吸收光子的能量后被激发到高能态，再通过非辐射或辐射跃迁重新回到较低能级。非辐射跃迁消除激发，吸收的光能转变为热能并向外释放，样品和周围介质被加热，导致介质产生压力波动即压强，从而产生声音信号。信号的强弱正比于气体吸收系数、入射光强，通过探测声音信号便可以间接得到待测气体的浓度，这就是光声光谱法。

在辐射跃迁过程中，会产生荧光，通过测量荧光辐射的大小便可间测定气体浓度，此为激光诱导荧光光谱法。在红外波段占主导地位的是无辐射跃迁，光声光谱法的检测灵敏度相对较高；在可见光波段占主导地位的是辐射跃迁，激光诱导荧光光谱法的检测灵敏度相对较高。

与其他方法相比，基于光学法的气体传感器的优势如下：响应速度快、检测灵敏度高、选择性好等，是能够实时监测多种气体的理想方法。

2光声光谱检测技术

    1880年美国著名科学家Bell发现了光声效应，在此基础上光声光谱(photoacoustic spectroscopy)技术发展起来[12]。从上个世纪六十年代激光问世之后，激光光声光谱(LPAS)技术得到了很好的发展[13,14]，该技术把气相色谱技术和傅立叶红外光谱技术的优点结合起来，具有高灵敏度、检测反应快、大动态监测范围、高选择性等优点[15-17]。在环境污染监测方面、工业处理控制方面、医疗诊断方面、生命运动科学方面、大气光化学方面等多个领域具有广泛的应用[18-21]。光声光谱技术其与可调谐半导体激光器相结合之后，使得可调谐半导体激光器所具有的波长可调谐、线宽窄、价格低廉、坚固紧凑、可与光纤相连实现远程测量等优点融入到自身之中[22]，使得该项技术在气体检测领域能够得到广泛的应用[23-27]，并且还包含了高选择性、响应快、可遥控测量、实现产业化简单易行等优点。 基于光声光谱的爆炸气体C2H4测量研究(2):http://www.chuibin.com/wuli/lunwen_205945.html