功率增强型的全光式QEPAS痕量气体检测系统研究

石英增强光声光谱技术由于具有灵敏度高、噪声免疫能力强、体积小等优点,成了一种备受关注的痕量气体检测技术.本文设计了一种全光式QEPAS痕量气体检测系统,采用共振频率为32.7 kHz的石英音叉作为声传感器,结合光功率放大技术,实现了系统信号幅值的极大提高;以具有工作点自稳定特性的光纤珐珀干涉仪作为振动解调单元,极大地提高了系统的稳定性.以C2H2作为检测对象,采用波长调制和二次谐波解调技术,优化得到系统的最佳调制深度为0.171 cm-1、最佳激光位置距离音叉底部2.9 mm,最终得到QEPAS信号随C2H2浓度线性变化,其线性度为0.998,系统检测极限为30.3 ppb,由此得到系统的归一化等效噪声系数为2.51×10-8cm-1·W·Hz-1/2.最后在相同条件下,通过1小时连续工作测试验证了系统具有极好的稳定性.

石英增强光声光谱技术发展现状

痕量气体检测技术在污染监测、工业生产、国防安全等领域均发挥了重要的作用。石英增强光声光谱技术(QEPAS)具有抗干扰能力强、体积小、灵敏度高(ppb量级)等特点,是痕量气体检测技术的研究热点之一,实现了对多种有毒气体的高灵敏度检测。该文叙述了QEPAS技术原理,回顾了5种不同结构QEPAS系统的发展情况及进展,并对该技术的研究前景进行了展望。

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)。

光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种气体检测技术,具有灵敏度高、设备体积小、对环境噪声免疫等优点。本课题组设计了一种光纤耦合的全固态中红外QEPAS光声探测模块,并基于气体热动力学和一维声学谐振腔理论,利用COMSOL软件对探测模块的声压分布及声压级进行了研究;然后设计并加工了光机电一体化探测模块,将声学谐振腔、光声池、光纤模块和前置放大模块集成一体,使该模块具有易于准直、稳定性高、抗干扰能力强等特点。采用中心波长为2μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO_(2)进行了探测,结果表明,在1 s的积分时间下获得了3.7×10^(-5)的探测极限。通过Allan方差分析发现,积分时间为1123 s时,系统的探测极限可以达到1.34×10^(-6)。采用基于该模块的QEPAS系统可以实现对室内CO2浓度的实时监测。

T字头石英音叉的设计及其气体传感性能

首先,利用有限元分析方法,仿真模拟了石英音叉的应力和表面电荷分布,设计并加工了一种T字头石英音叉。经过实测,此T字头石英音叉的共振频率为8930.93 Hz,Q值为11164,叉指间距为1.73 mm,与目前广泛应用的商用石英音叉相比,T字头石英音叉的共振频率降低了73%,品质因数提高了22%。然后,通过测量水汽对其传感性能进行验证,发现相比于商用石英音叉,基于T字头石英音叉的石英增强光声光谱(QEPAS)系统信噪比提升了60.65%。最后,给出了石英音叉下一步优化的方向。