光学气体传感器性能受气室结构影响较大，但是关于通过改进气室结构提高光学气体传感器的研究较少，提高芯片的利用率对缓解全球半导体芯片供应不足及低碳环保等具有重要意义。为了提高芯片利用率与满足多组分气体传感器高性能检测需求，设计了一种使用非分光红外技术的可同时检测CO₂、SO₂和CO这3种气体的三椭球型气室结构光学传感器，并对气室的光学性能进行研究。通过光路仿真、有限元模拟、蒙特卡罗模拟等可知：23%的接收面上集中了91%的能量，克服了直射式结构气室光程短和光敏面上光通量低的问题（光程长度增加了25%，光通量增加了40倍），同时克服了多反射式结构光通量过低的问题（约增加了117倍），信噪比分布是多反射式和直射式的10~100倍。因此，所提三椭球气室结构对于高端多组分组合式气体传感器的实现有着重要的意义。

针对准确、快速、便携测量大气中CO₂、CH₄等温室气体的需要,本文介绍了一种基于可调谐法布里-珀罗干涉仪(FPI)传感器的多波长温室气体测量系统。将FPI作为波长选择元件,利用干涉滤波片实现了在3100~4400 nm(波数范围为3226~2273 cm ^-1)波段内的连续测量。通过将测量的吸收光谱和CO₂的吸收截面拟合获得相关系数,进而计算得到CO₂的气体浓度。为了校正仪器分辨率低带来的非线性吸收效应,采用迭代算法优化CO₂的吸收截面。 结果显示,相比于直接拟和计算,CO₂浓度为4.08×10 ^-4时测量误差降低了18%。对系统的干扰优化、仪器精度、探测限等参数进行了验证,实验结果表明,气室内残留的CO₂浓度小于1×10 ^-6,仪器精度为±1.32×10 ^-6,当时间分辨率为10 min时,系统的探测限为1.13×10 ^-6(2σ,2倍标准偏差)。此外,利用该系统在合肥市科学岛进行了一个星期的室外测量,获得了CO₂浓度的日变化结果及昼夜特性,验证了系统的稳定性和可靠性。

以标准商用石英音叉(QTF)为测声模块的石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近年来发展迅速的一种痕量气体检测技术。 标准商用QTF拥有的小体积, 高Q值, 高共振频率的特性使QEPAS技术具有结构紧凑且对环境噪声免疫的特性。 但传统商用QTF狭窄的振臂间距以及较高的共振频率, 使其无法在光源光束质量较差或被测气体弛豫率较低的情况下被很好的应用于QEPAS系统。 为克服上述难题, 非标准商用QTF(f0≠32.7 kHz)被设计制作并越来越多的被装配于QEPAS系统中。 因此, QTF共振频率对QEPAS系统信噪比的影响需要被详细研究。 以水汽为目标气体, 采用二次谐波调制解调技术研究了QTF共振频率对基于QEPAS技术传感器性能的影响。 实验结果表明, QTF共振频率的变化对QEPAS系统的输出信号及噪声均有显著影响且QTF共振频率与QEPAS系统信噪比之间存在反比关系。 上述结论对QEPAS系统中非标准QTF的设计及使用均具有重要的指导价值, 对该类传感器的研发及应用意义重大。

为了进一步提高基于泛频振动的石英增强光声光谱测声器探测灵敏度，在一次泛频振动模式下采用一个比商用标准音叉外形尺寸大5倍的定制大音叉，并对其性能进行优化.通过理论和实验研究得出了音叉与激光的最佳作用位置，发现音叉的一次泛频振动有两个波腹点，且在距离音叉根部8 mm处，音叉振臂的振动幅度最大.微型声音谐振腔由三种不同内径的不锈钢毛细管加工而成，与音叉组成共轴配置石英增强光声光谱光谱测声器，用来进一步增强信号幅值.在最佳微型声音谐振腔配置下，获得了30倍的信号增益因子，有效提高了石英增强光声光谱光谱测声器的探测灵敏度.

研究了音叉式石英晶振的个体尺寸、 安放角度、 探测部位以及外部污染对整个石英增强光声光谱系统(QEPAS)的探测灵敏度影响。 测试了国内外十种不同音, 结果表明顶端为楔形构造的音叉式石英晶振比规则的长方体构造的音叉拥有更高的品质因数(Q值)。 在相同的测试条件下探测水的吸收线(7 306 cm-1)时获得更高的灵敏度, 探测信号的强度相差高达50%。 在研究音叉安放角度对探测信号影响的实验中, 发现音叉的旋转角度与俯仰角度对探测信号的强度几乎没有影响, 但是当光束以角度φ斜入射时, 更多的噪声被带入到测量中。 在正入射的情况下音叉的最佳响应位置在距离音叉底部约3.1 mm。 定性研究了外部杂物污染对音叉频率的影响, 发现随着污染物的附着, 石英音叉的频率会呈现降低的趋势, 提供了一种改变音叉式石英晶振的共振频率的方法, 为石英音叉用于较低调制频率的探测提供了一种理论可能, 这对于石英增强光声光谱技术用于V-T弛豫率较慢的痕量气体检测有重要的意义。