基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

基于共振型高灵敏度光声光谱技术探测痕量乙炔气体浓度

乙炔气体作为判断变压器运行状态的一种故障气体,其浓度的高低反映了变压器的运行状况,因此对其浓度的探测在变压器的维护中具有重要意义。为了准确探测变压器运行过程中产生的乙炔气体浓度,为变压器的维护提供技术参数,针对基于DFB激光器的共振型光声光谱技术痕量乙炔气体检测技术开展研究,对传统的光声光谱探测系统进行改进。根据光声光谱技术的理论可知,光声信号的强度与入射激光的功率成正比,所以在光声池的出射窗口采用一个平面反射镜将红外光再次反射到光声池中以增加入射光功率,增强光声信号强度,进一步提高了光声系统的探测灵敏度。通过一定浓度的乙炔气体在不同调制频率和不同调制深度下光声信号强度的变化,确定光声探测系统的最佳调制频率和最佳调制深度为767 Hz和0.3 mV。利用不同浓度乙炔气体对系统进行标定,然后采用最小二乘法对光声信号与气体浓度进行拟合,二者具有很好的线性度。通过Allan方差计算可知,系统在平均时间达到200 s时,能够达到最低探测极限浓度。实验表明,在一个大气压下,积分时间为10 ms时,改进后的共振型光声光谱探测系统对乙炔气体的最低探测极限浓度达到了0.3 μL·L-1。还将小波去噪技术引入到低浓度下乙炔气体的光声信号处理中,有效消除了低浓度气体光声信号中的噪声,提高了信噪比。设计的共振型光声光谱探测系统操作简单,最低探测浓度符合国标中对变压器维护过程中对乙炔气体的探测需求,在变压器维护领域具有广阔的应用前景。     

灵敏的基于分布反馈式半导体激光波长调制光声光谱

利用室温下单模运行的近红外半导体二极管激光,报导了波长调制共振光声光谱结合二次谐波探测技术.实验系统应用到乙炔探测,在1个标准大气压和3毫瓦平均光功率以及3毫秒锁相积分时间条件下其探测灵敏度可达10ppm(体积比),归一化到激光功率和系统带宽最小可探测吸收为4.0×10-8Wcm-1/Hz,并且实验中发现系统最佳压力响应值在2.66×104Pa附近.本实验装置可有效的消除光声光谱系统中常见的窗片和光声腔壁吸收入射光而引起的背景噪声.此外,相对于其他方法我们描述的基于半导体激光共振光声光谱具有很大的优点,为进一步发展便利、实用、便携式环境监测仪器奠定了坚实的基础.     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点.本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点.采用中心波长为2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO2进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10-3的探测极限.通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10-6.采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测.     

基于光声光谱技术的NO,NO2气体分析仪研究

NO, NO₂是大气污染源中的常见气体, 对环境具有严重的危害性. 为检测污染源中这两种气体的浓度, 构建了成本较低的基于红外热辐射光源的光声光谱气体检测系统. 分析计算得到了NO, NO₂ 在2500–6667 nm波段吸收谱线. 通过建立光声传输线RLC振荡电路模型和仿真得到品质因数、声压大小与谐振腔长、内腔半径以及调制频率的关系, 据此设计了光声池几何结构. 实验表明该系统所测得的光声信号与气体浓度有很好的线性关系, 并且对NO, NO₂气体极限检测灵敏度分别达到4.01 和1.07 μL. 通过调节激光发射波长和选取滤波片, 该系统还可用于其他微量气体的浓度检测. 关键词： 大气污染 光声光谱 气体检测     

基于差分光声池结构的高灵敏度一氧化碳气体传感器(特邀)

搭建了一套高灵敏度的光声一氧化碳气体传感器。采用波长为1 566.3 nm的近红外分布式反馈激光器作为激励光源,并利用商用光纤放大器将激光功率泵浦到10 W量级,解决了由于近红外波长区域吸收线强较弱带来的探测灵敏度低等问题。设计了由两个结构完全相同的光声共振腔构成的双通道差分光声池,抑制了由高功率激光引入的窗口噪声。通过优化传感器的激励光功率和工作压强,在50 ppm的CO/N_2标准气中,获得的光声信号幅值为1.38 mV,1σ噪声为0.96μV,探测信噪比为1 437.5,探测灵敏度为34 ppb,归一化噪声等效系数为1.74×10~(-8)cm~(-1)W/Hz~(1/2)。     

N_2O的离轴腔增强吸收光谱检测技术

基于离轴腔增强光谱检测技术,以可调谐近红外半导体激光器作激光光源,以反射率为99.97%平凹镜组成的光学谐振腔作吸收池,建立了高灵敏度离轴腔增强光谱污染气体检测系统,获得了N2O气体在6 561.39cm-1的吸收光谱.通过对不同浓度N2O样品气体吸收光谱测量,建立了气体浓度与光谱线强度的关系,讨论了气体压强与光谱线宽、检测灵敏度等问题.研究结果表明,离轴腔增强光谱检测技术的检测极限达到了86ppm,是一种设备成本低、操作方便、灵敏度较高、稳定性良好的吸收光谱技术,可以很好地实现微量气体的快速检测.     

一种光纤光声SO2气体浓度传感器的研究

论述了光声光谱信号的产生原理,研究了一种新型光声光纤SO2气体浓度传感器,建立了适合应用光纤作为传感器的数学模型。采用染料激光器作为激励光源,用光纤位移传感器代替传统的微音器,测量被气体吸收并转变为声压信号,从而对SO2气体浓度进行测量。给出了实验结果,分析了影响灵敏度的主要因素,提出了相应的改进措施。     

光声光谱检测系统中光声池模型的建立与优化

光声池作为光声光谱气体检测系统中的核心器件直接影响系统的检测精度,以经典圆柱形光声池为基础研究对象,利用有限元分析软件,结合压力声学及热粘性声学两种物理场对光声池内的声热耦合过程进行建模,通过仿真对比谐振腔和缓冲腔的几何参数变化对光声池性能的影响,进而确定其最优尺寸。仿真结果表明:谐振腔、缓冲腔的长度和半径均会影响谐振频率和声压。充分考虑对比结果及工业制造难度后,选定谐振腔最佳长度为120 mm,最优半径为3 mm,缓冲腔半径为35 mm。在此基础上,设计了一种谐振腔与缓冲腔为圆角连接的光声池,与同尺寸直角光声池相比,圆角光声池在提高光声信号和降低流动噪声干扰方面更具优势,品质因数提高至1.109倍,池常数增大到3 635.1 Pa·cm/W,声压提高到1.26×10~(-5)Pa。在甲烷气体的浓度检测中,系统灵敏度可达到0.87 ppm,检测结果较理想,符合高灵敏度的要求。因此,圆角连接光声池在性能上有明显提升,可为光声池的优化设计提供参考。     

光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术

采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10~(-4)(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10~(-7)cm~(-1).W·Hz~(-1/2).     

光声成像研究进展

本文阐述了光声成像的工作原理,光声信号的产生,传播和探测过程,并总结了光声成像的研究进展,包括时域光声成像和频率域光声成像的研究进展、以及各自的特点,为光声成像领域的研究起到一定的借鉴作用。分析认为光声成像技术有着其他医学成像技术没有的诸多优点,如高分辨率、高对比度、成像深度深等具有广阔的应用前景和较高应用价值,是未来生物医学领域最重要的实时医学成像技术之一,因此得到了国际上的广泛关注。     

Laser-induced fluorescence detection of acetylene in low-pressure propane and methane flames

Laser-induced fluorescence is used to detect and record profiles of acetylene formed as an intermediate species in 10-Torr premixed propane and methane flames. In low-temperature regions of the flames, excitation spectra confirm acetylene as the spectral carrier. The spectra of acetylene overlap those of O₂ and NO in terms of both excitation and detection wavelengths, however, acetylene can be detected with relatively little interference in the vicinity of 228 nm, using a detection wavelength of 260 nm. The fluorescence lifetime of acetylene in the flame conditions studied is approximately 20 ns, much shorter than the radiative lifetime, due to a high quenching rate for all the colliders investigated. This can be exploited in low-pressure flames to avoid interference from acetylene in monitoring nitric oxide. The acetylene mole fraction in propane flames reaches its peak value at nearly the same location as that of HCO, slightly closer to the burner than the peak CH mole fraction. The acetylene fluorescence signal is easily detected in propane flames over equivalence ratios from 0.6 to 1.2, although it increases under fuel-rich conditions. In methane flames, the acetylene signal is much weaker and is undetectable for fuel-lean conditions. Received: 5 August 2002 / Revised version: 30 September 2002 / Published online: 20 December 2002 RID="*" ID="*"Corresponding author. Fax: +1-202/767-1716, E-mail: brad@code6185.nrl.navy.mil     

A Novel Method for the Detection of Trace Gases Based on Photo-Acoustic Spectroscopy

We study quartz tuning fork (QTF) characteristics using a 532 nm semiconductor laser with a power of 39 mW and calculate QTF vibrations caused by thermal noise and disturbance of the air using the equipartition theorem; the vibration value is about 1.152 Pm. The signal-to-noise ratio and QTF resonance amplitude acquired experimentally are 104.56 and 214.75 Pm, respectively. In addition, we develop a new photo-acoustic spectroscopic system for detection of trace acetylene using a CW diode laser source with distributed feedback operating near 1,532 nm, measure the absorption spectrum of acetylene employing this system, and show that the method elaborated is more sensitive than photoelectric detectors that provides new directions for research in photo-acoustic spectroscopy.     

基于7.6μm量子级联激光的光声光谱探测N_2O气体

近年来,气候变化对地球的生态环境产生严重影响,而大气温室气体在气候变化中具有重要的作用.一氧化二氮(N_2O)作为一种重要的温室气体,其浓度变化对大气环境产生重要影响,因此对其浓度的探测在大气环境研究中具有重要意义.本文开展了基于中国自主研发的7.6μm中红外量子级联激光的共振型光声光谱探测N_2O的研究,建立了N_2O光声光谱传感实验系统.此系统在传统的光声光谱探测的基础上优化改进,采用双光束增强的方式,增加了有效光功率,进一步提高了系统的探测灵敏度.探测系统以1307.66 cm~(-1)处的N_2O吸收谱线作为探测对象,结合波长调制技术对N_2O气体进行探测研究.通过对一定浓度的N_2O气体在不同调制频率和调制振幅的光声信号的探测,确定了系统的最佳调制频率和调制振幅分别为800 Hz和90 mV.在最优实验条件下对不同浓度的N_2O气体进行了测量,获得了系统的信号浓度定标曲线.实验表明,在锁相积分时间为30 ms时,系统的浓度探测极限为150×10~(-9).通过100次平均后,系统噪声进一步降低,实现了大气N_2O的探测,浓度探测极限达到了37×10~(-9).     

光声池中微弱光声信号检测

大气中的污染源气体含量很少, 用光声光谱对其进行监测得到的光声信号极其微弱. 本文首先分析微弱信号产生机理, 在分析Holmes Duffing方程的基础上, 提出了适合光声池微弱信号检测的变尺度差分方法. 该方法通过对信号进行尺度变换, 再做差分来检测微弱信号. 理论分析和实验表明, 变尺度差分方法能很好地抑制系统相空间的共模噪声, 而且能很好地凸显混沌状态临界值. 变尺度差分方法测出的信号相对误差都小于5%, 说明其可以用于较高频率、 相位和频率都未知的微弱光声信号幅值检测. 关键词： 光声光谱 微弱信号 幅值 Duffing