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基于石英音叉增强光声光谱-光致热弹光谱技术的痕量气体检测

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基于石英音叉增强光声光谱-光致热弹光谱技术的痕量气体检测

作者：胡寅秋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

痕量气体的高灵敏检测在大气化学、生命医学、环境监测等领域有着广泛的应用价值。石英增强光声光谱技术(Quartz enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)和光致热弹光谱技术(Light-induced thermoelastic spectroscopy,LITES)是新型的痕量气体检测技术,以体积小、品质因数高、价格低廉的石英音叉(quartz tuning fork,QTF)作为探测元件,具有结构简单、系统成本低、环境适应性强等特性。但目前这两种技术是互相独立的,对痕量气体的探测能力还不尽如人意。基于此,本文提出将这两种技术结合在一起,充分发挥两种技术各自的优点,构建石英音叉增强光声光谱-光致热弹光谱技术(Quartz enhanced photoacoustic spectroscopy-light induced thermoelastic spectroscopy,QEPAS-LITES),以进一步提高传感系统的探测性能。首先,研究了频率和相位两个因素对QEPAS-LITES系统信号的影响,以获得频率匹配的标准。根据信号的测量原理以及石英音叉的共振特性,推导出在QTF1和QTF2共振频率和相位不同的条件下,QEPAS-LITES系统信号表达式。通过仿真证明了QEPAS-LITES系统对QTF1和QTF2频率匹配的依赖性,得到频率匹配的标准为频率差小于0.5 Hz。接着,本文对提出的QEPAS-LITES痕量气体检测技术进行了实验研究。以频率匹配的QTF1和QTF2搭建了QEPAS-LITES系统,与QEPAS系统以及LITES系统相比,QEPAS-LITES系统的2f信号幅度分别增强了10.2倍和1.1倍。QEPAS-LITES系统的最小探测极限(Minimum detection limit,MDL)为7.45 ppm,优于QEPAS系统的34.40 ppm以及LITES系统的7.60 ppm。为解决一般情况下QTF1和QTF2频率不匹配导致QEPAS-LITES系统叠加效率η和探测信号幅度小的问题,本文还提出了温度调控和压强调控两种方法以改变石英音叉的共振频率,并展开实验研究。首先搭建了QEPAS-LITES系统,由于QTF1和QTF2频率不匹配,常温常压下η仅有54.7%。接着通过温度调控和压强调控QTF2共振频率f,QTF1和QTF2分别在67.5°C和500 Torr下达到频率匹配。实验发现,QEPAS-LITES系统2f信号幅度相比于调控之前分别得到1.7倍和2.1倍的提升,同时,η分别提高至95.0%和97.2%。

关键词：石英增强光声光谱技术光致热弹光谱技术石英音叉增强光声光谱-光致热弹光谱技术频率匹配温度调控压强调控

基于圆柱腔的石英增强光谱传感技术研究(特邀)

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光子学报 2023年第3期52卷 178-187页

作者：梁添添洪颖昊马欲飞哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨150001

设计了一种非一维共振腔的圆柱腔,利用入射声波与反射声波之间的共振增强效应来增大传感系统信号强度,并应用在面外入射的石英增强光声光谱技术(QEPAS)和石英增强光致热弹光谱技术(LITES)技术中。对添加圆柱腔前后的石英音叉摆幅和圆柱... 详细信息

设计了一种非一维共振腔的圆柱腔,利用入射声波与反射声波之间的共振增强效应来增大传感系统信号强度,并应用在面外入射的石英增强光声光谱技术(QEPAS)和石英增强光致热弹光谱技术(LITES)技术中。对添加圆柱腔前后的石英音叉摆幅和圆柱腔位置进行了理论模拟与优化。实验中,采用水汽为目标探测气体和输出波长1.395μm的半导体激光器为激发源,相比未添加圆柱腔的裸石英音叉系统,添加圆柱腔的QEPAS和LITES系统探测极限分别改善了2.32倍和1.27倍。

关键词：石英增强光声光谱技术石英增强光致热弹光谱技术圆柱腔气体传感石英音叉

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双通道离轴石英增强光声光谱气体传感器

光子学报 2024年第8期53卷 112-121页

作者：隋心马琰铭刘孝腾张磊宋芳李秀英徐琳王一丁郑传涛吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区长春130012 吉林省红外气体传感技术工程研究中心长春130012

为了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,采用离轴配置谐振管,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,从而实现了探测光束与石英音叉的隔离,同时降低了系统组装和光路调整的复杂度。将光纤准直器... 详细信息

为了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,采用离轴配置谐振管,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,从而实现了探测光束与石英音叉的隔离,同时降低了系统组装和光路调整的复杂度。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,研制了一种尺寸仅为5.4 cm×4.0 cm×1.5 cm的光声检测模块,在此基础上,建立了一种光声光谱气体检测系统,采用中心波长为1533 nm的分布反馈激光器,通过检测乙炔气体来评估系统性能。实验结果表明,光声信号与气体浓度之间呈现良好的线性-关系,线性拟合优度为0.991。系统的1σ检测下限和对应归一化噪声等效吸收系数分别为11.6×10^(-6)和6.7×10^(-9)W·cm^(-1)·Hz^(-1/2)。对系统的Allan方差分析结果表明,当平均时间为0.5 s时,系统的检测下限为10.22×10^(-6),当平均时间为50 s时,系统检测下限可以达到1.20×10^(-6)。所研制的微小型双通道离轴石英增强光声光谱传感器系统具有体积小、价格低廉、灵敏度高等优点,有利于实现便携式气体检测。

关键词：石英增强光声光谱技术气体传感器波长调制技术乙炔石英音叉

基于圆柱腔的石英增强光谱传感技术研究（特邀）

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光子学报 2023年第3期 186-195页

作者：梁添添洪颖昊马欲飞哈尔滨工业大学航天学院可调谐激光技术国家级重点实验室

设计了一种非一维共振腔的圆柱腔，利用入射声波与反射声波之间的共振增强效应来增大传感系统信号强度，并应用在面外入射的石英增强光声光谱技术（QEPAS）和石英增强光致热弹光谱技术（LITES）技术中。对添加圆柱腔前后的石英音叉摆幅... 详细信息

设计了一种非一维共振腔的圆柱腔，利用入射声波与反射声波之间的共振增强效应来增大传感系统信号强度，并应用在面外入射的石英增强光声光谱技术（QEPAS）和石英增强光致热弹光谱技术（LITES）技术中。对添加圆柱腔前后的石英音叉摆幅和圆柱腔位置进行了理论模拟与优化。实验中，采用水汽为目标探测气体和输出波长1.395μm的半导体激光器为激发源，相比未添加圆柱腔的裸石英音叉系统，添加圆柱腔的QEPAS和LITES系统探测极限分别改善了2.32倍和1.27倍。

关键词：石英增强光声光谱技术石英增强光致热弹光谱技术圆柱腔气体传感石英音叉

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基于QEPAS技术的水蒸气浓度检测系统

基于QEPAS技术的水蒸气浓度检测系统

作者：姜浩山东大学

学位级别：硕士

水蒸气浓度检测技术是当今气体传感领域中的一项重要课题。在天然气运输、电力传输、食品安全、工业冶炼以及精密器械维护等方面,水蒸气的浓度要求非常苛刻,需要严格控制,所以迫切需要对水蒸气浓度检测技术进行深入地研究。石英增强光... 详细信息

水蒸气浓度检测技术是当今气体传感领域中的一项重要课题。在天然气运输、电力传输、食品安全、工业冶炼以及精密器械维护等方面,水蒸气的浓度要求非常苛刻,需要严格控制,所以迫切需要对水蒸气浓度检测技术进行深入地研究。石英增强光声光谱（quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy）技术简称QEPAS技术,是近年来痕迹气体检测研究中一种新的方法,与传统光声池方法以及其他传统检测方法相比,在体积、成本、灵敏度和抗干扰方面都有着一定的优势,尤其是它不受激光器、准直器等内部含有的微量水蒸气的影响,克服了吸收光谱法固有的水底问题。本文通过对基于QEPAS的水蒸气浓度检测系统的研究,阐述了相关原理,实现了系统的功能,优化了光路与信号检测电路,采用的锁频法解决了检测过程中出现的问题和矛盾,最终达到了低浓度水蒸气的准确标定。QEPAS技术原理涉及到红外光谱气体的吸收理论以及由于吸收产生的多次谐波理论。本文通过气体分子红外吸收、气体分子的吸收定律、线性函数、波长调制,逐步阐述和推导了 QEPAS技术的原理,然后又对石英音叉的压电特性等机理进行了详细描述。根据QEPAS原理与相关的电路知识,本文详细介绍了系统各部分的功能、组成和设计思路,组建起了 QEPAS水蒸气浓度检测系统,对程序、系统参数设定完毕后,在大气中检测出水蒸气的浓度,初步实现了系统的功能。为了提升系统的检测精度,对影响系统信噪比的激光器调制幅度、锁相放大电路参数进行了优化,使信噪比提升了 1倍。对共振管和音叉的特性做了细致的研究,确定了最优的共振管结构和尺寸,发现了音叉在共振管结构中中心频率变化很小而带宽变化明显。确定了 QEPAS水蒸气浓度检测的新方法——锁频法。针对激光驱动信号扫描法与锁频法进行理论分析与实验验证,证明了锁频法在光声光谱系统中的巨大优势,并将锁频法应用到了系统中,二次谐波信号的信噪比得到了质的飞跃,空气中的信噪比达到了 500。标定了 QEPAS水蒸气浓度检测系统的检测极限为200ppm,精度在某些浓度下可以达到6ppm,最后探究了系统的稳定性以及石英音叉特性的长期稳定性。

关键词：气体传感石英增强光声光谱技术水蒸气浓度信噪比检测精度

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微小型石英增强光声光谱气体检测仪的研制

微小型石英增强光声光谱气体检测仪的研制

作者：隋心吉林大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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石英音叉扫频及性能测试教学科研系统

吉林大学学报（信息科学版） 2021年第1期39卷 100-105页

作者：郑传涛刘洋闫格胡立恩吉林大学电子科学与工程学院长春130012

为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数,同时服务于《高频电子线路》中R-L-C选频电路的教学需求,促进教学与科研的充分融合,设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型,采用M... 详细信息

为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数,同时服务于《高频电子线路》中R-L-C选频电路的教学需求,促进教学与科研的充分融合,设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型,采用Matlab软件对模型做了仿真分析。研制了跨阻放大电路,用于放大正弦激励或外加声场作用下的石英音叉输出信号。利用锁相放大器、跨阻放大器、信号发生器、LabVIEW信号平台,建立了石英音叉扫频及性能测试系统。利用给定的石英音叉及该测试系统,在真空封装及去除外壳两种情况下,分别测试了石英音叉的等效电学参数、谐振频率、品质因数等性能。该系统既融合了R-L-C选频电路的基本知识,又拓展了基于石英音叉的科研应用案例。实际应用表明,石英音叉扫频及性能测试系统满足R-L-C选频电路的实验教学需求以及石英增强光声光谱技术的科研需要,取得了较好的教学与科研应用效果。

关键词：实验教学系统 R-L-C电路石英音叉石英增强光声光谱技术 LabVIEW平台