您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
會(huì)員.png)
6
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
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》,。
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傳感器系統(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)長期檢測(cè)具有良好的穩(wěn)定性,。
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,
關(guān)于我們
寧波海爾欣光電科技有限公司長期專注于激光光譜檢測(cè)技術(shù)（QCL/ICL+TDLAS），在高靈敏度痕量氣體分子光電分析領(lǐng)域擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán),。旗下品牌昕虹光電提供圍繞高靈敏度痕量氣體分析的光電器件,、模塊及解決方案；昕甬智測(cè)專業(yè)開發(fā)面對(duì)污染氣體和溫室氣體的分析儀器,，適應(yīng)各類場(chǎng)景的氣體濃度/通量監(jiān)測(cè),。公司立足于國內(nèi)，以技術(shù)創(chuàng)新為動(dòng)力,，致力于成為先進(jìn)的機(jī)關(guān)檢測(cè)技術(shù)企業(yè),，持續(xù)不斷的推動(dòng)激光光譜技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。