基于石英增强光声光谱技术的开放光路气体传感系统研究

随着科学技术与市抄济的快速发展，环境污染对人类身心降的影响越来越严重。采用先进的痕量气体检测技术对环境中的各种有毒有害痕量气体进行实时在线监测受到了我国政府的高度重视。

激光光声光谱技术 具有探测灵敏度高、动态范围大、无波长选择性，可靠性好等优点，-直以来都是痕量气体检测技术中最重要的发展方向之-；然而，传统激光光声光谱技术存在体积较大，探测灵敏度低，不便在狭姓间中进行探测等缺点。美国奈斯大学 A.A.Kosterev等 在 2002年首次提出了基于石英增强的光声光谱检测系统，该系统以品质因项目来源：中央高校基本科研业务费项目(CDZR10120013)收稿 日期：2012-08-29 修改日期：2013-02-15数高(8 000～20 000)、体积小(约2 mm。)的石英音叉 QTF(Quartz Tuning Fork)作光声信号增强器件，使系统具有抗干扰能力强、易于微型化等优点，是对传统激光光声光谱技术的突破。QEPAS系统中光声信号关系式为：.sC( Q ) (1)式中c是被测气体的浓度，O/是被测气体的吸收谱线，P是激励激光的功率，Q是石英音叉的品质因数 是石英音叉的共振频率。

传统的QEPAS系统由聚焦透镜和密闭气室等组成，如图1(a)所示，激光束通过气室的光窗162传 感 技 术 学 报om 第26卷聚焦到石英音又两又指中央以检测密闭气室中的被测气体，密闭气室能够增强系统的探测灵敏度；但系统工作时，需经过取样、密封等步骤，人工将被测气体输人到密闭气室中进行探测。因此，该系统具有实时性差，较难实现在狭姓间中探测等缺点。

(a)传统的准直聚焦方式(b)开放光路准直聚焦方式fc)开放光路光纤引导方式图1 光声信号激励示意图为了优化系统的实时l生，实现对狭姓间中痕量气体的探测，文中提出基于石英增强光声光谱技术的开放光路痕量气体探测系统，如图 1(b)所示。该系统由透镜将激光束聚焦到石英音又两又指中央进行探测。系统工作时，-小部分激光被光路中的被测气体吸收并产生光声信号，但只有石英音叉附近的光声信号才能使音叉产生振动，其余的光声信号不能被音叉探测到，导致激光能量的损失，即吸收损耗。

聚焦方式(a)和(b)中的激光在空气中传输时存在激光能量 的吸收损耗与扩散损耗，而 由式(1)可知，光声信号强度 S与激光功率 P成正比，激光功率的降低，导致光声信号强度的降低。为了避免上述激光能量损失与光声信号强度降低的缺点，文中采取光纤引导的方式激励被测气体产生光声信号。此种方式避免了激光功率的吸收损耗，引入了激光功率耦合损耗，但与吸收损耗相比，耦合损耗不会引起系统中光声信号强度的明显降低-放光路光纤引导方式的原理如图 1(c)所示，由光纤将激光引导至石英音叉两叉指中央。引导过程中，光纤内的激光不会与空气中的痕量气体接触。射出光纤端面的激光在石英音叉探测区域与痕量气体相互作用产生光声信号。此种方式不仅增强了系统的探测灵敏度，而且能够有效减小系统体积，从而实现了在狭姓间中进行探测的目的。

1 基本原理常温常压下水蒸气的吸收谱线-般可用洛伦兹线型函数来描述 ：， 、 (p(∞o)△(cJ ， 、 L )-Ao24(-to-coo)2 Lz)式中∞。表示水蒸气吸收谱线的中心波长，△∞表示水蒸气吸收谱线的半高全宽，根据 HITRAN04数据库，吸收谱线对应波长为 1 391.672 8 rim时，水蒸气的碰撞加宽系数见表 1。

表 1 HITRAN04数据库中的水蒸气加宽系数和线强波 nm (- 。

。m2)空(e m-1唬/atm ) c m-i魄/ar m)羞茎391.6728 7.95E-22 0.0413 0 195 09气体吸收系数与气体吸收谱线线强之间的关系可用下式表示：( )pS( ) (z，)XL (3)式中，S( )为气体吸收谱线的线强度，单位 为em～·arm～；p为气体介质的压强，单位为 atm；L为激光在气体中传播的距离，单位为 em； 为气体的体积浓度； ( )为线型函数，它表示被测气体吸收谱线的形状，与温度、总压力和气体中的各成分含量有关； ( )为吸收系数。

将式(2)及表 1中的数据代入式(3)得水蒸气的吸收系数：( ) P S(T )LX Av 2 (4)式中：l，。表示中心波长对应的波数， 为加宽系数，单位为 em～。 7 185.597 31 em～，Av：0.236 3cm-时，由式(4)仿真得水蒸气的吸收谱线如图2所示。图2中，横坐标表示-个周期内2 500个采样点数；纵坐标表示水蒸气的吸收系数，单位为 cm～。由仿真曲线可看出水的吸收谱线的峰值对应于-个扫描周期的中间位置。

由实验测得的光声信号强度s与式(4)的O/( )的表达式代入式(1)即可得出被测气体浓度。

7.O0E-025口 点 6.00E-025毽5.00E-025 / l I l l l164传 感 技 术 学 报 第 26卷的中心位置，对比图2可知，参考信号锯齿波的中心位置所对应的激光波长正好为 H O的吸收谱线的中心位置，实验与理论相吻合。由此可知，该信号为空气中 H O的光声光谱信号，而非空气中其他物质的光声光谱信号。

1501o0>i 5O0图6 光 纤引导开放光路 买验 系统光声光谱原 始信 号由采集卡采集到的原始信号幅度波动很大，采用累加平均的方法对原始信号进行处理得到如图7所示的光声光谱信号，根据图7可得 H 0的光声光谱信号幅值为69.53 V。该系统的探测灵敏度可由归- 化噪声等效吸收系数来评价(NNEA)，NNEA值越小，系统探测灵敏度越高，性能越好。其定义如下：NNEAa/D (5)式中， 表示吸收系数，单位为 cm～，D 表示探测器在- 定辐射功率下输出信号的信噪比。系统的噪声水平定义为由空气中水蒸气非吸收部分的本底基线测得的电压值 ，其值约为2.15 V，由此可得电压信噪比为32.3，实验测试时的环境温度为 24℃，相对湿度为42%，可得空气中水蒸气含量为 1.33%，由此得出其归- 化噪声等效吸收系数是7.15x10 cm-·W/Hz 。

n/point图7 光纤引导方式开放光路实验系统光声光谱信号传统的 QEPAS系统采用准直聚焦光路并配合使用微共振管的方式搭建 ，为了与传统的准直聚焦光路系统作对比，本文搭建了-套准直聚焦光路QEPAS实验系统并配以内径为0.9 mm的共振管进行实验，两段相同的微共振管分别置于石英音叉的叉指缝的前后两端。手动准直系统光路使激光依次穿过共振管-音叉-共振管，两段共振管使光声信号在共振管内产生驻波并在音又又指缝的位置形成波腹，达到增强信号的 目的。实验时环境温度为22.5℃，相对湿度为 53%，可得空气中水蒸气含量为 1.54%，由锁相放大器对压电信号进行实时处理并经过 PXI61 15进行数据采集与处理后得到的光声光谱信号如图8所示。

图8 聚焦方式开放光路实验系统光声光谱信号由此可得电压信噪比为 10，其归-化噪声等效吸收系数为3.8310 cm～·W/Hz 。但是由于微共振管使系统调节相当复杂，激光射到微共振管壁时容易引起噪声，减弱光声信号，降低系统的信噪比，而光纤引导方式不存在这样的缺点lL1 。对比实验结果可知，光纤引导开放光路 QEPAS系统性能要优于准直聚焦光路 QEPAS实验系统，其探测灵敏度与准直聚焦光路 QEPAS实验系统相比提高了约5倍。

3 结论本文提出了-种新型的光纤引导方式开放光路QEPAS痕量气体传感系统，光纤引导方式的引入能够有效减小系统体积，减小光路中光能的损失。通过检测空气中水蒸气含量的实验来验证系统的可靠性与探测灵敏度，得到其归～化噪声等效吸收系数为7.15×10- cm～·W/Hz ；作为对比，另外搭建了- 套聚焦方式开放光路 QEPAS实验系统。实验结果表明，相比于传统聚焦方式的开放光路实验系统，光纤引导方式开放光路 QEPAS系统的探测灵敏度提高了约5倍。该系统具有体积孝实时l生好，探测灵敏度高等优点，适用于对空气中大多数痕量气体的探测，尤其适用于对狭姓间中痕量气体的探测。