一种应用于石英音叉增强型光谱的前置放大电路

针对目前石英增强光声光谱系统存在音叉输出高阻抗和受噪声辐射影响较大的不利因素,本文设计了一种高输入阻抗、高信噪比的前置放大器。该方案使用高输入阻抗运算放大器,减小音叉两级的信号线长度,使用两路信号相减的方式降低噪音和串接的音叉来提高信号,进一步提高信噪比。并在该放大器的基础上,使用压电陶瓷直接激发音叉的方法精确测量了音叉的共振中心频率和Q值。经实验检验,该放大器模块性能稳定、信噪比高且成本低。

基于2.004μm的离轴石英音叉增强型光声光谱测量CO2的研究

CO2是大气的重要组成成分,也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气的产物。一方面大量的人源排放CO2进入大气是引发温室效应最主要因素,另一方面, CO2是窒息性气体,在封闭环境积累过高的CO2会导致窒息等安全问题。因此发展小型化、高灵敏度的CO2检测技术在大气环境探测、封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术,采用相对简单的离轴结构方案,开展了探测CO2的研究。离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、灵敏度高、抗干扰、成本低、功耗低,对激光器要求低等优点,在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。近年来,尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟,为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、能量更高的激励光源,使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度,实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线,选择2.004μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源,通过波长调制方式来激发CO2光声信号,并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。实验中通过对进样CO2气体加湿、优化调制振幅等方式提高检测性能,实现了空气CO2的探测。在常压下,通过配气仪配置不同浓度的CO2样品,开展了浓度与信号的响应特性研究,获得了良好的线性响应结果。同时也开展了相同浓度CO2样品在不同压力下的信号测量研究,并用Allan方差对系统性能进行评估。结果表明,当平均时间为1 000 s时,系统的探测极限为4×10^-3μL·L^-1,在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号,常压下系统对CO2的最小探测灵敏度为15μL·L^-1,相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10^-9,在150 Torr下最小探测灵敏度为6μL·L^-1。

气体流量对石英增强型光声光谱检测精度的影响

石英增强型光声光谱(quartz enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)检测技术在痕量气体浓度检测方面具有灵敏度高、可靠性好、系统体积小等优势。以二氧化碳为目标气体,深入研究不同气体流量对QEPAS检测系统精度的影响。通过Fluent ANSYS仿真软件对气体流场进行分析,完成对不同流量情况下气室内压强和流速的仿真。通过基于QEPAS的CO_(2)气体检测系统的实验,研究了气室压强对气体浓度检测的影响。实验结果表明通过控制气体流量使得气室内的压强为1.08×10^(-1)~1.48×10^(-1) Pa时,检测信号与气体浓度之间线性关系良好,相关系数R=0.99971,系统相对误差为0.5%,系统检测下限为72×10^(-6)mL/m^(3)。

基于石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)的实时探测系统研究

利用石英音叉增强型光谱技术(QEPAS)结合基于Lab-VIEW设计的数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系统,该方案使用3f信号作为误差反馈信号,将激光器锁定在待测气体吸收峰的中心位置,保证了长时间测量的准确度并且提高了探测效率.实验中采用中心波长位于1.396μm的DFB半导体激光器作为光源,选择常压下空气中的水汽作为研究对象,对系统性能进行了测试,并对影响影响系统探测灵敏度的主要因素进行了分析.实验结果表明,该系统可以将激光器稳定在±0.001 cm^(-1)范围内,对激光器长时间工作时的波长漂移起到了很好的抑制作用,系统的检测限约为1 ppm,该方案可以直接应用于工业气监测、痕量污染物实时测量等领域.

中红外发光二极管的痕量气体检测系统的研究

在离轴石英增强型光声光谱(OB-QEPAS)技术的基础上,提出了一种以中红外发光二极管(MIR-LED)代替传统方案中的激光作为系统光源来检测痕量气体的方案。搭建了以CO_2为目标气体,以中心波长在4.36μm的MIR-LED为光源的OB-QEPAS平台来检测系统的灵敏度,并对系统的各部分进行了详细介绍。实验得到系统的检测极限达到ppm量级,相应的归一化噪声等效吸收系数(NNEA)达到了10^(-8)量级。基于红外光源的OB-QEPAS技术为发展低成本、操作方便灵敏的痕量气体检测提供了一种新的技术手段。

水气含量对基于QEPAS甲烷气体探测性能的影响

由于气体的湿度对分子振动弛豫有着较大的影响,利用石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)技术作为甲烷气体传感,在实际应用中,空气的水气浓度变化将会使光声测量气体浓度的信号强度发生变化。实验中采用鼓泡法结合湿度计来改变探测气体中的湿度,测量了常压下1.653μm波长处甲烷的二次谐波信号,系统地研究了探测气体中水气浓度的变化对石英音叉Q值、共振频率f0等参数的影响。实验结果表明,水气对基于QEPAS技术甲烷气体传感器的实际应用有着很大的影响,主要表现在甲烷分子振动弛豫和探测系统性能两个方面。当实际大气中绝对湿度为2.34%时,获得的系统最小可探测质量浓度为0.57mg/m3。