微小型石英增强光声光谱气体检测仪的研制

作     者：隋心 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐琳

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：石英增强光声光谱技术 气体传感器 等效采样 波长调制技术 乙炔 

摘      要：痕量气体检测在农业安全、工业生产、医学诊断等领域具有重要意义。针对具有爆炸性、有毒有害性的气体,更需要对其进行长期稳定的监测。相较于固体传感器,基于红外吸收光谱的光学气体传感器以其灵敏度高、零漂小、非接触测量等优势被广泛使用。随着物联网和便携式设备的发展,对红外传感器的微型化和集成化要求越来越高。体积小、功耗低、度集成高的红外传感器设计有助于推动其在各个领域的大规模应用。本文采用体积为8 mm×?3 mm的商用标准石英音叉作为探测单元,研制了尺寸仅为5.4×4.0×1.5 cm3的光声检测模块,设计了基于近红外石英增强光声光谱的微小型气体传感器,并使用乙炔气体对系统的性能指标进行评估,验证了微小型石英增强光声光谱气体检测仪的可靠性。主要内容如下: 首先,介绍了石英增强光声光谱气体检测仪的研究背景和研究进展。研究了红外吸收光谱技术、波长调制技术和石英增强光声光谱技术。通过建模,得到系统的光声信号与气体浓度的线性关系,利用二次谐波信号幅值反演得到气体浓度。理论分析与数学建模部分为实验设计提供理论指导。 其次,为了增强光声信号,对光声探测模块进行建模仿真和参数优化。利用COMSOL软件,对共轴型、离轴型光声探测模块进行了仿真。通过参数优化,得到了光声探测结构中最优的谐振管尺寸、间隙和光束激发位置,为光声探测模块设计提供了指导。 在电学系统设计部分,为解决低成本、采样率受限的数字锁相放大器在实时采样时出现的失真现象,利用等效采样来提高采样率。由此,设计了基于等效采样的数字锁相放大器,完成硬件电路及软件程序的开发,并开展了实验验证了该锁相板的功能。 在整体系统构建部分,为消除杂散光激励石英音叉产生的光热信号对气体检测性能的影响,采用双通道离轴谐振管,将两只中央开有槽口的谐振管平行于音叉正面放置在两侧,从而实现探测光束与石英音叉的隔离,避免了激光束照射到音叉表面带来光热效应对测量的影响,同时降低了在系统组装和光路调整方面的难度。为实现气体检测仪的小型化,将光纤准直器、谐振管、石英音叉、直角棱镜和不锈钢气室进行集成,研制了尺寸仅为5.4×4.0×1.5 cm3的光声检测模块,建立了微小型石英增强光声光谱气体检测系统。 最后,以乙炔作为目标气体,选择1532.8 nm的乙炔吸收线来评估系统的检测性能。在浓度范围为0～1000 ppmv内,二次谐波信号幅值与乙炔浓度保持良好的线性关系,线性拟合优度为0.991。通过向气室中通入纯氮气来评估系统背景噪声。系统1检测下限为11.61 ppmv,对应归一化等效噪声吸收系数为6.7×10-9W·cm-1·Hz-1/2。艾伦方差分析结果表明,当平均时间为2 s时,系统的检测下限为8.01 ppmv,当平均时间为100 s时,系统检测下限为0.89 ppmv。 创新点如下: 采用双通道离轴谐振管,实现探测光束与石英音叉的隔离,避免了激光束照射到音叉表面带来光热效应对测量的影响,同时降低了组装和光路调整的难度。通过集成光纤准直器、石英音叉、谐振管、直角棱镜、不锈钢气室等部件,实现了近红外微小型石英增强光声光谱乙炔气体检测仪。