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全光學(xué)光致熱聲光譜實(shí)現(xiàn)高靈敏度非接觸式的硫化氫氣體傳感

更新日期:2022-10-24      點(diǎn)擊次數(shù):2123

石英音叉(quartz tuning fork, QTF)作為一種基于壓電特性的諧振聲電換能器,自2002年以來已成功應(yīng)用于痕量氣體光聲傳感中,稱為石英增強(qiáng)光聲光譜(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)。QTF具有高共振頻率、高質(zhì)量系數(shù)、小尺寸和成本低的優(yōu)點(diǎn),這使 QEPAS傳感器具有對(duì)環(huán)境聲噪聲的免疫力。相較于傳統(tǒng)光聲光譜傳感器傳感器,QEPAS技術(shù)具有分析超小體積氣體樣本的能力。但是,QEPAS傳感器的運(yùn)行需要QTF與待測(cè)氣體接觸,這使得QTF易被腐蝕且性能可能會(huì)惡化,從而限制了QEPAS傳感器在一些惡劣環(huán)境中的應(yīng)用,如燃燒場(chǎng)診斷、腐蝕性氣體測(cè)量。


光致熱聲光譜(light-induced thermoacoustic spectroscopy, LITS作為一種基于激光吸收光譜的氣體傳感方法,于2018年報(bào)道。該方法使用QTF作為光熱探測(cè)器,與在 QEPAS 傳感器中測(cè)量氣體吸收光能產(chǎn)生的聲信號(hào)不同,QTF被用來測(cè)量 LITS傳感器中光強(qiáng)度的吸收變化。光束被引導(dǎo)到QTF的表面上,而不是在其間隙之間。QTF對(duì)光吸收產(chǎn)生的熱能通過光-熱彈性轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為QTF的機(jī)械振動(dòng)(此振動(dòng)也會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生聲波),并因其共振特性而增強(qiáng)了振動(dòng)。


LITS 傳感器系統(tǒng)與可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(TDLAS)的傳感器系統(tǒng)相似,只是商用光電探測(cè)器被QTF取代。因此,與傳統(tǒng)的PAS/QEPAS傳感器相比,LITS傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量,很好地避免了元器件腐蝕老化的問題。與傳統(tǒng)的商業(yè)光電探測(cè)器TDLAS技術(shù)相比,LITS技術(shù)具有成本低、體積小、靈敏度高、大功率動(dòng)態(tài)范圍和能通過增加激發(fā)激光功率來增強(qiáng)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),特別是它可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)紅外光譜區(qū)域痕量氣體檢測(cè),甚至太赫茲光譜區(qū)域,不需要任何冷卻系統(tǒng)。


近日,來自華中科技大學(xué)和山西大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一種基于全光學(xué)光致熱聲光譜(All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy, AO-LITS)的氣體傳感技術(shù),采用了商用標(biāo)準(zhǔn)QTF作為光熱探測(cè)器,QTF的振動(dòng)通過高靈敏度光纖法(Fabry-Pérot FP interferometry, FPI技術(shù)測(cè)量,而不是傳統(tǒng) LITS 中的壓電檢測(cè)。為了提高傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性,研究組采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)基于QTF 的集成光纖FPI模塊。將雙波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)與橢圓擬合差分交叉乘法算法應(yīng)用于所開發(fā)的AO-LITS傳感器系統(tǒng)中。該全光檢測(cè)方案具有靈敏度高、可遠(yuǎn)程檢測(cè)和抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目成果《All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing》在2022年九月發(fā)表于《Photoacoustics》。


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圖1 基于QTF的集成光纖FPI模塊(a)三維原理圖(b)照片。


基于AO-LITS技術(shù),研究組開發(fā)了一個(gè)硫化氫傳感器系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量。傳感器采用一個(gè)1576.29 nm的分布式反饋(distributed feedback, DFB)激光器作為硫化氫檢測(cè)的激發(fā)光源。昕虹光電為該項(xiàng)目提供了一個(gè)有效光路長(zhǎng)度為3.3 m的赫里奧特多通氣體池以增強(qiáng)對(duì)硫化氫氣體的光吸收。相比于傳統(tǒng)基于壓電探測(cè)的LITS傳感系統(tǒng),該系統(tǒng)將探測(cè)靈敏度提高了3倍,在大氣壓下對(duì)硫化氫的檢測(cè)限達(dá)到了422 ppb。由于QTF不需要與目標(biāo)氣體接觸,AO-LITS可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,并避免氣體氣流噪聲對(duì)高靈敏度光學(xué)檢測(cè)的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,基于AO-LITS的硫化氫氣體傳感器對(duì)長(zhǎng)期檢測(cè)具有良好的穩(wěn)定性。


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圖2  AO-LITS傳感器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置


參考文獻(xiàn):Yufeng Pan, Jinbiao Zhao, Ping Lu, Chaotan Sima, Wanjin Zhang, Lujun Fu, Deming Liu, Jiangshan Zhang, Hongpeng Wu, Lei Dong, All-optical light-induced thermoacoustic spectroscopy for remote and non-contact gas sensing, Photoacoustics, Volume 27, 2022, 100389,


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