طراحی و شبیه سازی یک حسگر فوتوآکوستیک برای سنجش آلاینده های حاصلاز احتراق

با توجه به اهمیت سنجش غلظت گازهای آلاینده حاصل از احتراق، در این پژوهش یک حسگر فوتوآکوستیک بر ای سنجش غلظت گازهایآلاینده طراحی، تحلیل و شبیه سازی می شود. حسگرهای فوتوآکوستیک بر اساس برانگیختگی مولکول ها بر اثر جذب نور و تولید صوت درمرحله واپاشی آنها است. در این پژوهش یک حسگر فوتوآکوستیک برای سنجش همزمان غلظت چهار گاز آلاینده CO ، NO ، ۲CO و ۲SOطراحی می شود. این حسگر دارا ی دو محفظه بافر برای به حداقل رساندن اثر صداهای پس زمینه و چهار سلول استوان های تشدیدی برا ی بهحداکثر رساندن دامنه ی موج صوتی و سیگنال تولیدشده است. یک منبع نور مادون قرمز با طیف تابشی ۲ تا ۱۲ میکرومتر و یک میکروفونMEMS برای حسگر طراحی شده در نظر گرفته شده است. برای انتقال پرتوی نور از منبع به چهار سلول از دو سطح بازتابنده نور با لایه ایاز طلا و برای متمرکز کردن نور در سلول ها از چهار عدسی استفاده شده است. همچنین، برای کنترل طیف پرتوی ورودی به سلول ها ومنطبق کردن آنها بر طیف جذبی گازهای مورد نظر، از چهار فیلتر نوری میان گذر استفاده شده است. تمام المان های اپتیکی در نرم افزارتحلیل نوری TracePro شبیه سازی شدند که نتایج آن نشان دهندهی ۱۵ درصد افت در توان منبع تابشی پس از عبور از المان های اپتیکیاست. در نهایت، با استفاده از تئوری های موجود بسامد تشدید برای اولین مود طولی ۱۱۹۰ هرتز و فاکتور کیفیت سلول ها ۶۱ به دست آمدکه مقدار نسبتا مناسبی است. همچنین، مقدار سیگنال های صوتی و الکترونیکی تولیدشده در هر سلول نیز بر اساس روابط موجود محاسبهشدند. مشاهده شد که سیگنال های تولیدی به طور مستقیم به ضریب جذب گازهای هدف بستگی دارند. در پژوهش حاضر، کمترین سیگنالتولیدی برای گاز NO و بیشترین سیگنال برای گاز ۲CO به دست آمد. پارامترهای مهم حسگر طراحی شده با استفاده از نرم افزار اجزایمحدود COMSOL Multiphysics نیز محاسبه شدند که بسامد تشدید را برابر ۱۰۵۰ هرتز و فاکتور کیفیت برابر ۵۱ نشان داد. ایننتایج نشان دهنده ۱۰ درصد تفاوت در بسامد تشدید سلول و ۱۶ درصد تفاوت در فاکتور کیفیت به دست آمده از روش های نظری و عددیبود. نتایج تحلیل نرم افزاری بهترین نقطه برای نصب میکروفون را ن یز مشخص کردند. در پایان، اثر تغییرات دما نیز بر بسامد تشدید موردبررسی قرار گرفت.

کلیدواژه ها:

حسگر فوتوآکوس تیک ، تشدیدگر صوتی ، طیف سنجی ، آکوستیک