珐珀解调的石英增强光声光谱气体探测系统

激光光声光谱技术具有探测灵敏度高、动态响应范围大以及响应速度快等优点，在空气质量监测、工业生产过程控制以及人体降检测等领域的气体检测中得到广泛应用1 ]。

但是传统的激光光声光谱技术采用麦克风作为光声信号探测器件，容易受到外界环境噪声的影响。Kosterev等[5]使用石英音叉(quartz tuning fork，QTF)作为光声信号探测器，提出了石英增强光声光谱技术 (quartz enhanced photoacousticspectroscopy，QEPAS)。由于 QEPAS不但具有极强的环境噪声免疫能力，而且光声信号探测器件体积较小，在痕量气体检测方面得到了广泛的应用[6-9]。

QEPAS利用石英音叉的压电效应，将音叉振动所产生的压电电流通过前置放大器转换为压电电压放大后送入锁相放大器进行二次谐波解调，并通过激光的波长扫描得到被检测气体光声光谱信号，这种电解调方式容易受到外界电磁干扰、不能用于易燃易爆等气体的检测、不适用于高温、高湿度等恶劣环境中而且难以实现远距离探测。

研究中提出了-种珐珀解调技术的全光式石英增强光声光谱气体探测系统，在开放环境中，使用光纤将激励光引导至音叉叉指中央，能够有效地减少激光能量的损失；采用法珀解调方法，通过解调光纤端面与石英音叉侧面之间形成的珐珀腔的腔长变化得到石英音叉的振动信号来获得被测气体的光声光谱信号来实现全光式的检测，以弥补电解调的不足，可以在强电磁干扰、高温、高湿等恶劣环境中用于易燃易爆气体的远距离探测。

1 检测原理被调制的激光照射到被测气体，气体分子吸收光能后从低能态跃迁到高能态，与高能态分子发生碰撞并通过无辐射方式回到低能态，将吸收的光能转化为分子平动动能，引起周围空气温度升高，从而产生声波使音叉发生振动，通过解调音叉的振动信号得到被测气体的光声光谱信号。气体吸收光能后产生的声波信号可以用式(1)所示的波动方程表示no]- czAp： ( - 1) 其中，c，P，t， 和H分别表示声速、光声压强、时间、气体绝热系数和气体吸收光能产生的热量密度。

由于音叉的叉指振动可以看作是相互独立的-维振动，所以由声波引起的音叉叉指的振动可以用欧拉-伯努利方程来描述[]E1 a，u la-TF：-击，( (2)f(Y，)T[p(d，y，f)-p(dW，y，t)q (3)其中 为音叉叉指的振动位移，E，0和A刑 分别为音叉的杨氏模量、密度、叉指横截面积，T和w 分别为音叉厚度收稿日期：2012-09-26.修订日期：2012-11-22基金项目：国家(863计划)项目(2006AA040311)和中央高校基本科研业务项 目(CDZR10120013)资助作者简介：林 成，1981年生，重庆大学光电工程学院博士研究生 e-mail：lchylinchy###126.corn通讯联系人 e-mail：yongzhu###cqu.edu.en1164 光谱学与光谱分析 第 33卷和宽度，I为二阶矩， 为阻尼系数，d和y分别为激光距离叉指的距离和垂直方向的距离，厂为石英音叉的-个叉指所受的合力。

声波引起的音叉振动可以通过音叉叉指侧面与光纤端面形成的珐珀腔解调得到。光声信号使音叉叉指发生幅度很小的振动，可以把该法珀腔近似看作平行珐珀腔，那么珐珀腔的腔长可以通过式(4)得到尺1尺2I- - - 1 R1R2其中R 和Rz分别为叉指侧面和光纤端面的反射率，J为干涉光强，z为法珀腔长度， 为探测光波长。声波信号使音叉发生振动，通过探测干涉光强 J可以得到法珀腔长度 z的变化，从而得到光声信号的强度。如果以-定的速度进行波长扫描，可以解调得到被测气体的光声光谱信息，进而得到被测气体的浓度。

2 实验部分如图1所示，全光式石英增强光声光谱气体探测系统由激光控制拈、光纤法珀解调拈以及数据处理拈组成。

Fig.1 Schematic diagram of the all-optical QEPAS system可连续调谐的分布反馈式半导体激光器(DFB Laser)作为激励光源，锯齿波发生器产生的直流信号以频率 进行波长扫描；正弦波发生器产生-个频率为 的正弦信号与直流信号相加后由数据采集仪(NI-PXI6115)输入到激光控制器，实现激光的波长调制 。激光器发出的调制光由单模光纤引致石英音叉的叉指中央，被待测气体吸收后产生的光声信号使音叉发生振动。音叉叉指侧面与光纤端面之间形成-个法珀腔(Fabry-Perot Cavity，F-P Cavity)，端面齐整的光纤固定在三维微移平台上，调节三维微移平台使音叉叉指侧面与光纤端面保持平行且微调它们之间的距离使初始腔长达到最佳长度。激光二极管(LD)发出的光-部分在光纤端面发生反射，另-部分照射到音叉叉指的侧面发生反射后进入光纤，两部分光在光纤里进行干涉；音叉的振动引起法珀腔的腔长变化，从而使干涉信号发生变化。变化的干涉信号由光电探测器(PD)检测到并送入锁相放大器进行二次谐波解调。

解调后的信号经过数据采集送人计算机进行数据处理，从而得到被测气体的光声光谱信息。其中，调制信号的产生、激光器控制和数据采集都是由Labview软件完成。

3 结果与讨论为了验证该方法的可行性以及测试该探测系统的性能，选择空气中的水蒸气作为实验样本。根据 Hitran2004数据库，选择吸收线强为 7.947×10 cm ·(mol·cm ) ，对应波长 l 391.672 8 nm作为吸收谱线。

在开放环境中，通过改变正弦信号频率，获得如图 2所示的调制频率与光声信号的关系曲线，当调制频率为16.373kHz，光声信号的强度最大。从图中可以看出，只有在很窄的频率范围内(约为2 Hz)具有较强的光声信号，即只有在该范围内的频率成分才能使音叉产生有效的振动，从而有效抑制了外界环境的噪声干扰。通过拟合曲线可以计算出石英音叉的共振频率、响应带宽和品质 因数分别为 32.746 kHz，4.13 Hz和 7890。

16 366 16 370 l6 374 l6 378Mmodulation frequency/HzFig.2 PA signal as function of the modulation frequency为了得到探测系统的最灵敏工作点，通过实验得到激励激光的最佳工作位置。石英音又的坐标系统如图 3(a)所示 ，.z方向的初始位置位于音叉叉指 中心，Y方 向的初始位置位于叉指的交结点 ，激光从初始位置沿 Y方向移动，得到的归- 化光声信号强度如图3(b)所示。从图中可以看出，当 -2.9 min时，光声信号强度最大 ，音叉的响应最强，此时系统的灵敏度最高。

选取上述得到的调制频率和激光工作位置作为实验参数，实验在开放环境中进行 ，空气的相对湿度和环境温度分别为 7O 和 25℃水蒸气，由图 1所示 的实验系统测得的水蒸气的吸收谱线如图 4(a)所示。从图 4(a)可以得到水蒸气的光声信号幅度为 1.21 mV。根据文献[12]的定义，由空气中水蒸气非吸收部分的本底基线测量得到系统的噪声水平 ，其值约为6.22 V，从而得到电压信噪比为199，进而得到该探测系统的归-化噪声等效吸收系数(normalized noiseequivalent absorption coefficient，NNEA)为 2.80× 10cm ·W ·Hz /2。同时，在相同的实验条件和参数下(包括相同的激励光源、激光控制拈、激光激励方式以及锁相放大器等)，在开放环境下使用传统QEPAS测得水蒸气的光声光谱信号如图 4(b)所示，其 NNEA为 7.15×10 cm ·W ·Hz /2，由此可知，相 比电解调方式 ，法珀解调方式的探测系统的探测灵敏度提高是电解调方式的2.6倍。

4 2 O 8 6 4 2 O 1 1 l O O O O 岛 第 5期 光谱学与光谱分析 11650 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5Laser beam position/mmHg.3 The coordinate system of the tuning fork(a)and the PA signal as fun ctions of the position of the laser beam (b)1.41.21.0>0.8。

0.6∞ O·40.2031 32 33 34 35 36 37Laser current/mA3l 32 33 34 35 36 37Laser current/mAHg.4 PA signal obtained by alboptical QEPAS system (a)and PA signal obtained by QEPAS systemReferences4 结 论结合光纤传感技术和石英增强光声光谱技术的优点，提出了的-种珐珀解调的石英增强光声光谱痕量气体探测系统。详细介绍了该探测系统的结构，并搭建实验装置，实验得到开放环境下光声信号与调制频率的关系曲线以及激励激光的最佳工作位置。在开放环境中对空气中水蒸气进行了检测，得到归-化噪声等效吸收系数为 2.8O×10 crn1·W ·Hz /2。研究结果表明，全光式石英增强光声光谱探测系统的探测灵敏度是传统探测系统的2.6倍。

为了进-步提高探测灵敏度 ，可以采用功率更高的激光器作为激励光源，选择更高的吸收线强度所对应的吸收谱线作为探测用波长，同时在音叉又指侧面和光纤端面进行镀膜处理，并优化其镀膜系数。

珐珀解调的光声光谱气体探测系统不但具有体积小，价格低廉等优点，同传统的电解调方式相比，具有极强的抗电磁干扰能力，能够用于易燃易爆气体检测、适用于高温、高湿度等恶劣环境中并能实现远距离多点、组网探测。

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The all-optical quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy system is immune to electromagnetic interference，safe in flammableand explosive gas detection。suitable for high temperature and high humidity environments and realizable for long distance，multbpo int and network sensing。

Keywords Trace gas detection；Photoacoustic spectroscopy；Quartz-enhanced；Fabry-Perot demodulationCo rrespo nding author(Received Sep.26，2012；accepted Nov.22，2012)