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。

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2 μm的高功率中红外分布反馈式激光器,结合波长调制技术,对CO₂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。

A simple and effective wavelength calibration scheme is proposed in a quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) system for trace gas detection. A reference gas cell is connected an InGaAs photodetector for detecting the absorption intensity peak caused by the gas to calibrate the gas absorption center using distributed feedback laser diode (DFB-LD) with sawtooth wave driver current. The gas absorption wavelength calibration and gas sensing operations are conducted at a special internal to eliminate the wavelength shift of DFB-LD caused by the ambient fluctuations. Compared with the conventional wavelength modulation spectroscopy (WMS), this method uses a lower lock-in amplifier bandwidth and averaging algorithm to improve signal noise ratio (SNR). Water vapor is chosen as a sample gas to evaluate its performance. In the experiments, the impact of sawtooth wave frequency and lock-in amplifier bandwidth on the harmonic signal is analyzed, and the wavelength-calibration technique-based system achieves a minimum detection limit (MDL) of 790 ppbv and SNR with 13.4 improvement factor compared with the conventional WMS system.

Preamplifier circuit noise is of great importance in quartz enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS) system. In this paper, several noise sources are evaluated and discussed in detail. Based on the noise characteristics, the corresponding noise reduction method is proposed. In addition, a frequency locked technique is introduced to further optimize the QEPAS system noise and improve signal, which achieves a better performance than the conventional frequency scan method. As a result, the signal-to-noise ratio (SNR) could be increased 14 times by utilizing frequency locked technique and numerical averaging technique in the QEPAS system for water vapor detection.

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 乙炔(C2H2)是一种化学性质活泼的有毒气体, 对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、 环境监测等领域有着重要的意义, 基于此, 采用QEPAS技术对C2H2微量气体展开高灵敏度检测研究。 采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 为了提高QEPAS系统信号幅值, 相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉, 采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器, 同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、 激光波长调制深度, 并添加了声波微共振腔, 选择的微共振腔长度为4 mm、 内径为0.5 mm, 最终获得了2.7 ppm的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术, 具有体积小、灵敏度高等优点, 是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述, 并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍, 最后对该技术的发展前景进行了展望。

HCl是一种有毒有害气体, 对其高灵敏度探测具有非常重要的意义, 然而到目前为止, 采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。 石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 以5 000 ppm HCl∶N2混合气作为待测目标, 采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器, 开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 研究中, 首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论, 选择了“共轴”形式的声波微共振腔, 并对其尺寸进行了优化, 选择的微共振管长度为4 mm、 内径为0.5 mm。 实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 当QEPAS系统积分时间为1 s、 激光波长调制深度为0.23 cm-1时, 获得了815 ppb的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。 在后续的实验中, 可在待测HCl气体中加入水汽分子, 提高HCl分子的热弛豫速率, 进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。

石英增强光声光谱技术(QEPAS)出现时间较晚, 是一种较为新颖的痕量气体探测手段, 本文以大气中的水汽作为测量目标, 开展对基于QEPAS技术的痕量气体探测系统的研究。 理论上, 首先对激光器波长调制及信号谐波探测的原理进行了分析, 得到了可用于气体浓度信号反演及激光器波长锁定的实现方案, 并讨论了可用于高灵敏度气体探测的吸收谱线的选择原则。 实验中, 以输出波长为1.39 μm的连续波分布反馈单纵模二极管激光器作为激发光源, 采用激光器波长调制和2次谐波探测技术, 首先研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 接下来对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了研究。 QEPAS系统经过优化后, 获得了5.9 ppm的探测极限, 同时对不同浓度的水汽进行了测量, 实验数据线性拟合后, 得到R-Square为0.98, 证明了此QEPAS系统具有良好的线性响应度。 最后, 运用基于3次谐波探测的激光器波长锁定技术, 对大气中的水汽变化进行了长达12 h的连续测量, 实验结果表明, 该系统性能稳定, 具有良好的连续测量能力, 可广泛应用于其他痕量气体的高灵敏度连续在线测量的研究上。

为了提高全光式石英增强型光声光谱(QEPAS)珐珀解调系统的微弱信号检测能力,设计了一种基于MAX274的有源带通滤波电路和基于AD620的前置放大电路对信号进行预处理,同时利用LabVIEW设计了正交矢量型数字锁相技术的信号处理模块。实验结果表明,该方法能从强背景噪声中获得比较微弱的光声信号,在常温常压下对空气中的水汽含量进行探测,得到其归一化噪声等效吸收系数为1.37×10-6 cm-1 W/Hz1/2。该方法具有结构简单、价格低廉、便于操作和控制、实用性强等特点。