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。     

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     

基于泛频振动的石英增强光声光谱测声器优化设计

为了进一步提高基于泛频振动的石英增强光声光谱测声器探测灵敏度,在一次泛频振动模式下采用一个比商用标准音叉外形尺寸大5倍的定制大音叉,并对其性能进行优化.通过理论和实验研究得出了音叉与激光的最佳作用位置,发现音叉的一次泛频振动有两个波腹点,且在距离音叉根部8 mm处,音叉振臂的振动幅度最大.微型声音谐振腔由三种不同内径的不锈钢毛细管加工而成,与音叉组成共轴配置石英增强光声光谱光谱测声器,用来进一步增强信号幅值.在最佳微型声音谐振腔配置下,获得了30倍的信号增益因子,有效提高了石英增强光声光谱光谱测声器的探测灵敏度.     

石英增强光声光谱技术研究进展

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术,具有体积小、灵敏度高等优点,是痕量气体检测技术的研究热点.本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述,并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍,最后对该技术的发展前景进行了展望.     

石英增强光声光谱技术研究进展

石英增强光声光谱（QEPAS）技术是一种新颖的气体探测技术,具有体积小、灵敏度高等优点,是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述,并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍,最后对该技术的发展前景进行了展望。     

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。     

基于脉冲石英增强光声光谱的中红外超高灵敏CO探测

发展了一种超高灵敏的CO痕量气体测量装置,该装置采用4.65μm脉冲式中红外外腔量子级联激光器作为激发光源,结合石英增强光声光谱技术,对2135~2225cm-1之间的CO基频振动光谱带R支进行连续光谱扫描。水被加入到被测气体中,以加快较慢的CO分子振动-平动弛豫率。在锁相放大器时间常数为3ms,激光器占空比和扫描速率为50%和18cm-1/s时,获得的最小探测极限为4.6×10-8(体积分数),与之对应的归一化噪声等效吸收系数为1.07×10-8 cm-1 W/Hz。     

QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究

对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算，获得石英音叉前6阶振型与模态频率，认知了第4阶对称摆动振型为有效振动，利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l₁、音臂宽度w₁、音臂厚度t、音臂切角θ、音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率(Fre)的影响，敏感度依次为： l₁> w₁>d>θ>t>h，考虑实际设计情形，筛选出了l₁，w₁，d与h四个石英音叉设计变量，采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法，以Fre为函数目标，建立l₁，w₁，d与h的二次回归响应面模型，得到了参数之间的交互作用，利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求，结果表明，在15 000 Hz≤Fre≤25 000 Hz计算区域内误差较小，基本满足QEPAS系统的计算需求，所提出的研究与设计方法具有一定通用性，可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考。     

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).     

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。     

土壤的中红外光声光谱研究

红外光声光谱是基于光声理论的新型数据采集方式,与传统红外光谱相比,其吸收系数大,适合高吸收和高散射的土壤分析。以中国三种典型土壤为试验材料,研究了这三种土壤(红壤,潮土和水稻土)的中红外光声光谱特征。结果表明,土壤的中红外光声光谱的测定快速方便,土壤样品不需前处理,光谱吸收值适中,具有更丰富的吸收,且土壤主要组成成分的中红外光声光谱也具有明显不同的吸收特征,因此中红外光声光谱能更好地适用于土壤分析;利用主成分分析处理土壤中红外光声光谱时,第1和第2主成分包含了光谱98.17%的信息;利用这两个主成分作二维散点分布图,结果表明该分布能对这三种土壤进行有效分类,这为土壤鉴定提供了快捷的新手段,并使中红外光声光谱在进一步的土壤定量分析中将具有潜在的应用前景。     

基于傅里叶变换中红外光声光谱的污渍鉴定

采用中红外光声光谱,对一起交通事故中当事人身上的污渍和当事货车上的尘土样本进行定性鉴定。结果表明,当事人左手肘部的污渍与身体其他部位的污渍明显不同,但与当事货车右车身上的污尘具有高度的相似性,表明当事人的左肘与当事货车的右车身发生了直接的碰擦,这为交通事故的定责提供了直接依据;因此,红外光声光谱可为中微量物质的精细鉴定提供了新手段,在物证分析中具有潜在的应用前景。     

Fourier Transform Mid-Infrared Photoacoustic Spectroscopy for Presymptomatic Detection of Powdery Mildew Infection in Rubus corchorifolius L.

A powdery mildew fungi-induced disease appearing on leaves of Rubus corchorifolius L. has been observed in China, which resulted in seriously influencing the yield and quality of the fruit, and a presymptomatic detection of powdery mildew infection is needed to guarantee the yield and quality through removing the fungi in an early stage. Depth-profiling Fourier transform mid-infrared photoacoustic spectroscopy was applied to characterize both the healthy leaves and powdery mildew-infected leaves of Rubus corchorifolius L. The profiled surface could be divided into out layer (depth of about 1.32 µm) and deep layer (depth of about 1.87 µm). There were numerous differences in the total spectral range (500–4000 cm^?1) between healthy leaves and infected leaves, especially the intensity of absorption bands of 2800–3000 cm^?1 (aliphatic C–H vibration) and 2250–2350 cm^?1 (CO₂) significantly decreased when the leaf was infected by powdery mildew. For the out layer the standard spectral variance between healthy leaf and infected leaf was 7.33 × 10², whereas it was 1.86 × 10⁴ for the deep layer; the standard spectral variance between out layer and deep layer for healthy leaf was 3.38 × 10³, whereas it was 1.84 × 10⁴ for infected leaf, which implied that both out layer and deep layer responded to powdery mildew infection. Combining spectral differences between healthy leaf and infected leaf and variances between out layer and deep layer, a presymptomatic detection of powdery mildew infection was successfully made, which provided an alternative option and noninvasive method for the fast diagnosis of powdery mildew infection on Rubus corchorifolius L.     

High Coupling Efficiency of the Fiber-Coupled Module Based on Photonic-Band-Crystal Laser Diodes

The coupling efficiency of the beam combination and the fiber-coupled module is limited due to the large vertical divergent angle of conventional semiconductor laser diodes. We present a high coupling efficiency module using photonic-band-crystal(PBC) laser diodes with narrow vertical divergent angles. Three PBC single-emitter laser diodes are combined into a fiber with core diameter of 105μm and numerical aperture of 0.22. A high coupling efficiency of 94.4% is achieved and the brightness is calculated to be 1.7 MW/(cm~2.sr) with the injection current of 8 A.     

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HCl痕量气体高灵敏度探测研究

HCl是一种有毒有害气体,对其高灵敏度探测具有非常重要的意义,然而到目前为止,采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。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。以5 000 ppm HCl∶N₂混合气作为待测目标,采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器,开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。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。研究中,首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论,选择了“共轴”形式的声波微共振腔,并对其尺寸进行了优化,选择的微共振管长度为4 mm、内径为0.5 mm。实验中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,当QEPAS系统积分时间为1 s、激光波长调制深度为0.23 cm-1时,获得了815 ppb的优异检测极限,归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。在后续的实验中,可在待测HCl气体中加入水汽分子,提高HCl分子的热弛豫速率,进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。     

一种中红外腔增强甲醛检测系统的研制

介绍了研制的一种基于共轴锁模腔增强吸收光谱技术的中红外甲醛气体检测系统.系统采用了发射中心波长为3.6μm的带间级联激光器为光源,以高精度F-P谐振腔作为气体反应池,通过激光在谐振腔内的多次反射极大地提高了有效吸收路径.为了实现甲醛检测,利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将激光频率和腔谐振频率锁定至波...     

变压器油中颗粒污染物的中红外光谱检测

配制了含不同颗粒污染等级的变压器油样,利用中红外光谱扫描获得油样的红外光谱数据,再采用连续投影算法提取油样红外光谱的有效波长变量,分别应用偏最小二乘法和支持向量机法方法建立了颗粒污染等级与中红外光谱有效波长的模型.所配置的油样红外光谱经过连续投影算法提取的有效波长具有特定颗粒污染物特征波长的特点,所建两种模型的预测效果均优于全谱的偏最小二乘法和支持向量机法模型,对验证集样本数据预测的决定系数分别为0.892 9、0.934 3,均方根误差为6.372×10-3、3.07×10-3,获得了较好的预测效果,为变压器油中颗粒物的检测提供了借鉴.