基于QEPAS技术的乙炔微量气体高灵敏度检测研究

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术,具有系统体积小、价格低廉、探测灵敏度高等优点。乙炔(C₂H₂)是一种化学性质活泼的有毒气体,对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、环境监测等领域有着重要的意义,基于此,采用QEPAS技术对C₂H₂微量气体展开高灵敏度检测研究。采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。为了提高信噪比和简化数据处理过程,QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。为了提高QEPAS系统信号幅值,相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉,采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器,同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,并添加了声波微共振腔,选择的微共振腔长度为4 mm、内径为0.5 mm,最终获得了2.7 ppm的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。     

基于石英增强光声光谱的痕量气体实时检测研究

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚,是一种较为新颖的痕量气体探测手段,本文以大气中的水汽作为测量目标,开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。理论上,首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析,得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案,并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。实验中,以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源,采用激光器波长调制和2次谐波探测技术,首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响,接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。QEPAS系统经过优化后,获得了5.9 ppm的探测极限,同时对不同浓度的水汽进行了测量,实验数据线性拟合后,得到R-Square为0.98,证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。最后,运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术,对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量,实验结果表明,该系统性能稳定,具有良好的连续测量能力,可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。     

基于功率增强型QEPAS技术的二氧化碳气体高灵敏检测研究

二氧化碳(CO₂)是环境大气以及燃烧废气的主要成分,同时也是重要的化工原料,对其浓度进行高灵敏度检测在物理、生物、化学等众多学科中均有重要的应用。传统检测方法已经无法满足国防科研、能源化工、医疗诊断等科技前沿领域中对CO₂浓度检测的需求。石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种激光检测技术,具有高分辨率、小体积、对环境噪声免疫等优点。基于QEPAS技术探测灵敏度与激励光功率成正比的特性,以中心波长为1 572 nm的窄线宽分布反馈式半导体激光器为激励光源,将掺饵光纤放大器(EDFA)与QEPAS技术联用,提出了功率增强型QEPAS技术,实现了光声信号的大幅度提高。此外,通过波长调制技术、谐波解调技术以及电调制相消技术的使用,成功将装置的整体噪声压制在音叉式石英晶振的理论热噪声水平。激光波长调制深度对装置信号幅度的影响也通过实验在一个标准大气压下进行了研究。结果显示,对6 361.25 cm-1处CO₂气体吸收线,当激光功率为1 495 mW,调制深度为0.33 cm-1,系统探测带宽为0.833 Hz时,功率增强型QEPAS装置对CO₂的探测灵敏度为3.5 ppm,归一化等效吸收系数为1.01×10-8 W·cm-1·Hz-1/2。     

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).     

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。     

基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展

基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点,是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法.探测灵敏度是传感器系统的重要指标,关系到能否满足实际应用,因此,本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发,总结了常见的技术手段,包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法,并对其优缺点分别进行了阐述.针对工程应用问题,本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化,并以载人航天领域的应用为例进行了例证.最后,对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望.     

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)。     

基于微型非共振腔的石英增强光声光谱用于氦气纯度分析的实验研究

实验中设计了一种基于微型非共振腔的石英增强光声光谱痕量气体传感器, 用来检测非纯氦气中的痕量氨气浓度. 该传感器采用的微型非共振腔只在空间上限制声波扩散以达到增强信号目的, 而不是像传统微型共振腔一样依靠共振效应. 如此的设计使探测小分子无机气体的光谱测声器尺寸远远小于共振腔的配置而有利于准直. 不同气压下的信号和噪声也被研究, 用来优化传感器性能. 在这种配置下和27.7 kPa的最优气压下, 获得的最佳氨气探测灵敏度为463 ppb (1σ , 1 s积分时间), 相应的归一化噪声等效吸收系数为4.3×10^-9cm^-1W/√Hz. 关键词： 气体传感器 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 类氢气体纯度分析     

基于电学调制相消法和高功率蓝光LD的离轴石英增强光声光谱NO2传感器设计和优化

使用中心波长为450 nm的高功率多模蓝光激光管(LD)作为激励光源, 结合电学调制相消法和离轴石英增强光声光谱(QEPAS)配置, 设计了一款高灵敏二氧化氮传感器. 电学调制相消法使离轴QEPAS传感器的背景噪声降低至1/269, 在标准大气压和1 s积分时间下, 获得的探测灵敏度为4.5 ppb, 对应的归一化噪声等效吸收系数(1σ )为2.2×10^-8 cm^-1·W/Hz^1/2. 延长积分时间到46 s, 灵敏度能够进一步下降到0.34 ppb. 气体流速对该传感器的影响也被研究.     

基于中红外量子级联激光器和石英增强光声光谱的CO超高灵敏度检测研究

采用石英增强光声光谱(QEPAS)技术对CO痕量气体展开检测研究. 为了实现超高灵敏度探测, 采用输出波长为4.6 μm的新颖中红外高功率分布反馈量子级联激光器为光源, 实现了对CO气体基频吸收带的激发与测量. 在优化了调制深度、气体压强和提高了CO分子的振动-转动弛豫速率后, 获得了1.95 ppbv的优异探测极限. 在分析检测结果的过程中, 讨论了能级寿命对信号强度的影响, 并对QEPAS信号强度的表达式进行了修正.     

音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究

以标准商用石英音叉（QTF）为测声模块的石英增强光声光谱（QEPAS）技术是近年来发展迅速的一种痕量气体检测技术。标准商用QTF拥有的小体积,高Q值,高共振频率的特性使QEPAS技术具有结构紧凑且对环境噪声免疫的特性。但传统商用QTF狭窄的振臂间距以及较高的共振频率,使其无法在光源光束质量较差或被测气体弛豫率较低的情况下被很好的应用于QEPAS系统。为克服上述难题,非标准商用QTF（f₀≠32.7 kHz）被设计制作并越来越多的被装配于QEPAS系统中。因此,QTF共振频率对QEPAS系统信噪比的影响需要被详细研究。以水汽为目标气体,采用二次谐波调制解调技术研究了QTF共振频率对基于QEPAS技术传感器性能的影响。实验结果表明,QTF共振频率的变化对QEPAS系统的输出信号及噪声均有显著影响且QTF共振频率与QEPAS系统信噪比之间存在反比关系。上述结论对QEPAS系统中非标准QTF的设计及使用均具有重要的指导价值,对该类传感器的研发及应用意义重大。     

Theoretical analysis of off beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor

Off beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (OB-QEPAS) sensors are based on a recently developed approach to off-beam photoacoustic (PA) detection which employs a quartz tuning fork (QTF) as an acoustic transducer. A microresonator (mR) with a side slit in the middle is used to enhance PA signal. This paper describes a theoretical model of an OB-QEPAS-based sensor. By deriving the acoustic impedances of the mR at two ends and the side slit in the middle in the model, we obtain a formula for numerically calculating the optimal mRs' parameters of OB-QEPAS-based sensor. We use the model to calculate the optimal mRs' lengths with respect to the resonant frequency of the QTF, acoustic velocities inside mRs, inner diameters of mRs, and acoustic conductivities of the mRs' side slits, and found out that the calculated results closely match experimental data. We also investigated the relationship between the mR selected in “on beam” QEPAS, OB-QEPAS, and an acoustic resonator (AR) excited in its first longitudinal mode used in conventional photoacoustic spectroscopy (PAS).     

石英晶振用于石英增强光声光谱系统的优化实验研究

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、安放角度、探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。测试了国内外十种不同音,结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度,探测信号的强度相差高达50%。在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中,发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响,但是当光束以角度φ斜入射时,更多的噪声被带入到测量中。在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响,发现随着污染物的附着,石英音叉的频率会呈现降低的趋势,提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法,为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能,这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。     

A quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor for measurement of water vapor concentration in the air

A compact and highly linear quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy(QEPAS)sensor for the measurement of water vapor concentration in the air is demonstrated.A cost-effective quartz tuning fork(QTF)is used as the sharp transducer to convert light energy into an electrical signal based on the piezoelectric effect,thereby removing the need for a photodetector.The short optical path featured by the proposed sensing system leads to a decreased size.Furthermore,a pair of microresonators is applied in the absorbance detection module(ADM)for QTF signal enhancement.Compared with the system without microresonators,the detected QTF signal is increased to approximately 7-fold.Using this optimized QEPAS sensor with the proper modulation frequency and depth,we measure the water vapor concentration in the air at atmospheric pressure and room temperature.The experimental result shows that the sensor has a high sensitivity of 1.058parts-per-million.     

The SNR improvement for quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy using wavelength calibration and fiber reflector

Wavelength calibration technique combined with a fiber reflector was used to improve the signal to noise ratio (SNR) of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS). A distributed feedback laser diode (DFB-LD), driven by sawtooth wave and high frequency sinusoidal wave, was used to excite the second harmonic signal of a quartz tuning fork (QTF) through laser-gas molecular interaction. Two collimators conducted the laser alignment through the spacing gap of QTF forks. Central wavelength of the DFB-LD was locked to the target gas absorption center by identifying the second harmonic signal maximum and applying calibration feedback on the driving current. The gas absorption center calibration and gas concentration measurements are conducted at a specific interval. The SNR of the photoacoustic signal was further acoustically enhanced by using a pair of on-beam acoustic resonators through increasing the photo-acoustic conversion efficient, and optically enhanced by using a fiber reflector to improve the laser power for photoacoustic signal excitation. The experimental results show that the SNR in wavelength calibration mode is 15 times higher than the conventional wavelength scanning mode and QEPAS signal with fiber reflector is 1.37 times stronger compared with that without a fiber reflector.