椭球柱形共振光电池制造技术

本发明专利技术公开了一种椭球柱形光声池。该椭球柱形光声池包括轴线相互重合的中间椭球柱谐振腔、第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池；中间椭球柱谐振腔一端与第一圆柱体缓冲池相连，中间椭球谐振腔另一端与第二圆柱体缓冲池相连，且第一圆柱体缓冲池和第一圆柱体缓冲池的尺寸相同；中间椭球柱谐振腔呈中心对称分布，中间椭球柱谐振腔包括第一半椭球柱体和第二半椭球柱体，第一半椭球柱体和第二半椭球柱体处在同一椭圆体上，第一半椭球柱体终止在与第一圆柱体缓冲池连接处，第二半椭球柱体终止在与第二圆柱体缓冲池连接处。椭球柱形光声池与相同尺寸的圆柱形光声池相比，椭球柱形光声池内的光声信号更容易得到共振增强，同时椭球柱形光声池产生的声压更大。

【技术实现步骤摘要】
椭球柱形共振光电池
本专利技术涉及光电池
，具体而言，涉及一种椭球柱形共振光电池。
技术介绍
在微痕量气体检测技术中，光声光谱气体检测技术具有检测灵敏度高、选择性强等优点，已经在电力设施在线监测，大气环境监测，医学临床诊断及工业控制等领域具有重要的应用价值。光声光谱气体检测技术是利用气体的光声效应为基础的高灵敏度检测技术，具体是通过存在于光声池内的一部分气体分子吸收光辐射的能量从基态跃迁到激发态，激发态分子通过无辐射弛豫将吸收的光能部分变为气体分子的动能，则池内气体温度升高。池内气体温度升高时，若光声池的容积一定，则池内压力变大。并且若光源以一定频率调制时，那么充有气体试样的光声池温度就会发生同频率的变化，则池内的气压也会发生相应的周期性变化，即会产生声波。通过高灵敏度的微音器探测到光声池内的声波，将其转变为与声压成正比关系的电信号，传输给外放大电路，通过数据采集和数据处理就可以计算出待测气体浓度。光声池是气体产生光声效应的载体，光声池性能的好坏是影响光声光谱检测系统的检测灵敏度、信噪比和检测极限的重要因素。相关技术中介绍了用H形共振光声池对气体进行检测的极限灵敏度为10-11cm-1；另一相关技术中设计了球形光声池，其检测灵敏度为6.1×10-6cm-1；又一相关技术中公开了用White腔的一阶共振圆柱形光声池，检测灵敏度达到了8.5×10-9cm-1；而近几年的光声池设计主要采用声学谐振腔，最常采用的结构是圆柱形谐振腔。因此，为了最大限度地提高现有的光声光谱检测系统的检测灵敏度、信噪比和检测极限，需要提出一种更高灵敏度和更好性能的椭球柱形共振光声池。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种椭球形共振光电池。为了实现上述目的，本专利技术第一方面的技术方案，提供了一种椭球柱形光声池，包括：轴线相互重合的中间椭球柱谐振腔、第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池；其中，所述中间椭球柱谐振腔的一端与第一圆柱体缓冲池相连接，所述中间椭球柱谐振腔的另一端与第二圆柱体缓冲池相连接，且所述第一圆柱体缓冲池和第一圆柱体缓冲池的尺寸相同；所述中间椭球柱谐振腔呈中心对称分布，所述中间椭球柱谐振腔包括第一半椭球柱体和第二半椭球柱体，所述第一半椭球柱体和第二半椭球柱体处在同一椭圆柱体上，所述第一半椭球柱体终止在与所述第一圆柱体缓冲池连接处，所述第二半椭球柱体终止在与所述第二圆柱体缓冲池连接处。进一步地，所述椭球柱形光声池模型的全长L的范围为150mm至250mm；所述中间椭球柱谐振腔的长度LRES的范围为75mm至125mm；所述中间椭球柱谐振腔的短轴长a的范围为5mm至7mm；所述中间椭球柱谐振腔的长轴长b的范围为45mm至75mm；所述中间椭球柱谐振腔分别与第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的连接处的半径r的范围均为3mm至6mm；所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的长度的范围均为40mm至60mm；以及所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的半径的范围均为7.5mm至15mm。进一步地，所述椭球柱形光声池模型的全长L为200mm；所述中间椭球柱谐振腔的长度LRES为100mm；所述中间椭球柱谐振腔的短轴长a为5mm；所述中间椭球柱谐振腔的长轴长b为60mm；所述中间椭球柱谐振腔分别与第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的连接处的半径r均为3mm；所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的长度均为50mm；以及所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的半径均为12.5mm。进一步地，所述椭球柱形光声池的材料为导热材料。进一步地，所述椭球柱形光声池的材料为以下之一：黄铜、铜、铝、铁、聚四氟乙烯或不锈钢。进一步地，所述椭球柱形光声池的内壁呈抛光状态。一种椭球柱形光声池的设计方法，中间椭球柱谐振腔分别与第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的连接处的半径均为r，中间椭球柱谐振腔的长度为LRES，在椭球柱形光声池处于共振工作模式时，所述设计方法包括：模型建立:假设池内气体近似为理想气体，声信号满足的波动方程表示为：式中为位移矢量，p为声压，ν2为腔内气体的声速，γ为比热容比，H(r,t)为光吸收调制的光能产生的热能，用声压描述气体中的声波，声压是总压强P与平均值P0之差：对式(1)进行傅里叶变化可得：ω为经过调制后光的频率，利用简正模式的解展开求解非齐次方程式(2)得:式中为声振动的简正模式，它的表达式和光声池的结构有关，表示光声腔内存在的驻波形式；振幅Aj(ω)与光源调制频率ω有关，是下述波动方程的解:采用有限元分析方法来对上述模型进行仿真计算；对仿真计算结果进行分析，包括：计算腔体的共振频率，设置椭球柱光声池工作在共振模式时，计算共振频率与光声池谐振腔的几何参数的关系，以及声压大小与光声池谐振腔的几何参数的关系；根据所述共振频率与光声池谐振腔的几何参数的关系、所述声压大小与光声池谐振腔的几何参数的关系以及激光输出光斑的半径，确定光声池谐振腔的几何参数。进一步地，对仿真计算结果进行分析，包括所述r的值满足大于椭球柱形光声池的激光输出光斑的半径。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的椭球柱形共振光电池，基于传统的圆柱形光声池结构进行改进，采用有限元分析的方法数值模拟了圆柱形光声谐振腔和椭球柱形光声谐振腔，建立了其声学特征模型，对光声腔内部的声学特性进行仿真研究，通过将椭球柱形光声池与相同尺寸的圆柱形光声池进行对比得出，椭球柱形光声池内的光声信号更容易得到共振增强，同时椭球柱形光声池产生的声压更大，充分验证了本专利技术的椭球柱形光声池具有更高灵敏度和更好的性能。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1示出了本专利技术的一个实施例圆柱形光声池的结构示意图；图2示出了本专利技术的一个实施例椭球柱形光声池的结构示意图；图3示出了本专利技术的一个实施例的COMSOL软件仿真的圆柱形光声池的频率响应曲线图；图4示出了本专利技术的一个实施例的COMSOL软件仿真的椭球柱形光声池的频率响应曲线图；图5示出了本专利技术的一个实施例的椭球柱形光声池内的声压分布示意图；图6示出了本专利技术的一个实施例的椭球柱形光声池内的声压级大小示意图；图7示出了本专利技术的一个实施例的圆柱形光声池内的声压分布示意图；图8示出了本专利技术的一个实施例的圆柱形光声池内的声压级大小示意图；图9示出了本专利技术的一个实施例的椭球柱形光声池的谐振腔共振频率与谐振腔几何参数的关系示意图；图10示出了本专利技术的一个实施例的椭球柱形光声池的谐振腔声压大小与谐振腔几何参数的关系示意图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。参见图2所示，一种椭球柱形光声池，包括：轴线相互重合的中间椭球柱谐振腔、第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池；其中，所述中间椭球柱谐振腔的一端与第一圆柱体缓冲池相连接，所述中间椭球柱谐振腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种椭球柱形光声池，其特征在于，包括：轴线相互重合的中间椭球柱谐振腔、第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池；其中，所述中间椭球柱谐振腔的一端与第一圆柱体缓冲池相连接，所述中间椭球柱谐振腔的另一端与第二圆柱体缓冲池相连接，且所述第一圆柱体缓冲池和第一圆柱体缓冲池的尺寸相同；所述中间椭球柱谐振腔呈中心对称分布，所述中间椭球柱谐振腔包括第一半椭球柱体和第二半椭球柱体，所述第一半椭球柱体和第二半椭球柱体处在同一椭圆柱体上，所述第一半椭球柱体终止在与所述第一圆柱体缓冲池连接处，所述第二半椭球柱体终止在与所述第二圆柱体缓冲池连接处。

【技术特征摘要】
1.一种椭球柱形光声池，其特征在于，包括：轴线相互重合的中间椭球柱谐振腔、第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池；其中，所述中间椭球柱谐振腔的一端与第一圆柱体缓冲池相连接，所述中间椭球柱谐振腔的另一端与第二圆柱体缓冲池相连接，且所述第一圆柱体缓冲池和第一圆柱体缓冲池的尺寸相同；所述中间椭球柱谐振腔呈中心对称分布，所述中间椭球柱谐振腔包括第一半椭球柱体和第二半椭球柱体，所述第一半椭球柱体和第二半椭球柱体处在同一椭圆柱体上，所述第一半椭球柱体终止在与所述第一圆柱体缓冲池连接处，所述第二半椭球柱体终止在与所述第二圆柱体缓冲池连接处。2.根据权利要求1所述的椭球柱形光声池，其特征在于，所述椭球柱形光声池模型的全长L的范围为150mm至250mm；所述中间椭球柱谐振腔的长度LRES的范围为75mm至125mm；所述中间椭球柱谐振腔的短轴长a的范围为5mm至7mm；所述中间椭球柱谐振腔的长轴长b的范围为45mm至75mm；所述中间椭球柱谐振腔分别与第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的连接处的半径r的范围均为3mm至6mm；所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的长度的范围均为40mm至60mm；以及所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的半径的范围均为7.5mm至15mm。3.根据权利要求2所述的椭球形光声池，其特征在于，所述椭球柱形光声池模型的全长L为200mm；所述中间椭球柱谐振腔的长度LRES为100mm；所述中间椭球柱谐振腔的短轴长a为5mm；所述中间椭球柱谐振腔的长轴长b为60mm；所述中间椭球柱谐振腔分别与第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的连接处的半径r均为3mm；所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的长度均为50mm；以及所述第一圆柱体缓冲池和第二圆柱体缓冲池的半...

【专利技术属性】
技术研发人员：王巧云，尹翔宇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21