论文部分内容阅读
石英增强光声光谱(QEPAS)技术是近几年才发展起来的一种新型光声光谱技术。基于此技术的光声探测模块,由于体积小、灵敏度高、成本低、抗干扰性强,而被广泛应用在环境监测、工业生产过程控制、医疗诊断等痕量气体检测领域。随着科学技术的发展,传统QEPAS技术需要被改进、革新以适应相关领域对痕量气体检测装置的特殊要求。另外,由于传统QEPAS技术利用压电效应产生与被测气体浓度成正比的微弱电信号,因此使其极易受探测环境中电磁场的干扰,并且无法实现远距离探测。为解决上述问题,本文提出了一种全光型的石英增强光声光谱技术,该技术是利用光束反射原理探测石英音叉的振动信号,将与气体浓度成正比的石英音叉振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化,最终获得目标探测气体的相关信息。本文首先介绍了传统光声光谱技术；接着叙述了石英音叉的特性和石英增强光声光谱技术的工作原理,并介绍了目前石英增强光声光谱中流行的两种配置方式：在轴式和离轴式配置；最后对目前报道的石英增强光声光谱系统的最新变种进行了调研,指出了这些系统在特殊应用领域使用时存在的问题和弊端。针对存在的问题,我们首次提出了全光型石英增强光声光谱技术,并基于科学系统的理论分析设计、搭建了一套基于该技术的痕量气体传感系统。我们以空气中的水汽作为探测气体,通过科学的实验分析衡量评估了该装置的各项性能。结果显示,其归一化噪声等效吸收系数为1.13×10-6cm-1WHz-1/2,探测灵敏度与传统石英增强光声光谱技术相当。为进一步提高装置的性能,我们提出了改进优化方案——将对微小位移量极为敏感的迈克尔逊干涉仪与全光型QEPAS系统结合,通过提高对音叉振臂微小位移量的精度测量来提高系统整体的探测灵敏度。通过优化光学系统设计,获得了清晰的干涉图样并探测到了明显的干涉条纹的变化。以空气中的水汽作为探测气体,得到其归一化噪声等效吸收系数为4.005×10-8cm-1 WHz-1/2,比优化前的灵敏度提高了28.2倍,并且比石英增强光声光谱技术提高了8.3倍。这种新颖的设计不仅使装置具有较强的抗电磁干扰性能还使其具备了远距离探测的能力。优化后的全光QEPAS系统可用于高温、高湿、易燃易爆以及探测空间受限的环境中对痕量气体的检测,极大地拓展了基于QEPAS技术的痕量气体检测装置的应用领域。