全光型石英增强光声光谱

设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10^-6 cm^-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径. 关键词： 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 气体传感     

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。     

光纤法珀传感器光楔式解调系统设计

为了实现光纤法布里-珀罗(简称法珀)传感器腔长的解调,提出一种新型光楔式非扫描相关解调系统,对该系统所采用的器件特性及结构进行分析研究。首先,通过模拟不同光谱分布的光源及不同表面反射率的光楔,分析其相关干涉信号并给出系统器件的最优化结构参数。接着通过对比鲍威尔棱镜与柱透镜在线阵CCD上的光强分布特性,实现更均匀的光谱分布。最后,给出解调系统的具体实施方案及数据处理方法。实验结果表明:光源光谱具有高斯分布且谱宽较大及光楔表面反射率R=0.5时,相关干涉信号特征明显,便于解调。最终解调系统实现在60～100μm腔长范围内误差小于0.025%的解调。这种光楔式非扫描相关解调方案可以实现光纤法珀腔的传感解调,并可以提高不同类型光纤法珀传感器功率适应性。     

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。     

全光式QEPAS系统光声信号检测方法研究

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。     

基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究

石英增强光声光谱技术作为一种新型的光学检测技术,已被广泛应用于痕量气体检测场合.其中声波共振增强性能是决定检测灵敏度的重要因素.为提高光声光谱检测系统的信噪比和检测极限,提出一种新型的椭圆腔共振石英增强光声光谱检测方法,建立了其声学特征模型并利用有限元分析方法对光声腔内部声学特性进行仿真研究.研究结果表明,椭圆腔的特征模态在(2,1)模态下长轴两端声压达到最大值.通过对椭圆腔的尺寸和形状进行优化,建立实验装置,得到目标气体硫化氢检测极限为6.3 ppm(parts per million),相应的归一化噪声等效吸收系数为2.02×10~(-9)cm~(-1)W/Hz~(1/2).     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

光纤法布里-珀罗传感器幅值归一化-最小均方差联合解调算法

面向光纤法布里-珀罗传感器的腔长解调,提出一种结合幅值归一化与最小均方差的联合解调算法.采用幅值归一化实现返回光谱信号与模拟光谱信号的等幅,提高解调精度.仿真结果表明,相较于传统最小方差法,该算法的解调精度显著提升.实验结果表明,采用该算法可实现优于0.72nm的高分辨率.