石英增強(qiáng)光聲光譜探測系統(tǒng)全光解調(diào)技術(shù)研究.pdf

1、痕量氣體檢測技術(shù)的發(fā)展在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷及防爆炸恐怖等領(lǐng)域都具有重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)成為了痕量氣體探測技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的石英增強(qiáng)光聲光譜探測系統(tǒng)采用調(diào)制激光作為激勵(lì)光源、以石英音叉作為聲探測的核心器件，以電解調(diào)方式對石英音叉產(chǎn)生的壓電電流信號進(jìn)行解調(diào)從而實(shí)現(xiàn)對痕量氣體濃度的探測。然而電解調(diào)

2、方式容易受到外界電磁干擾、不能用于易燃易爆、高溫高濕度等惡劣環(huán)境中，而且這種解調(diào)方式的本質(zhì)論定了其難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測。針對以上這些缺點(diǎn)，本文提出一種用于痕量氣體檢測的全光式石英增強(qiáng)光聲光譜探測系統(tǒng)，采用光纖法珀傳感器解調(diào)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電解調(diào)方法，得到了石英音叉的振動(dòng)信號，從而實(shí)現(xiàn)了對痕量氣體含量的檢測。
　　首先，介紹了石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)的基本原理和基礎(chǔ)理論。對氣體光聲效應(yīng)原理、光聲光譜理論做了簡單介紹；對全光式石英增強(qiáng)光聲光譜

3、系統(tǒng)進(jìn)行理論分析；建立了低精細(xì)度非本征型光纖法珀腔的干涉光強(qiáng)與腔長的關(guān)系；對探測光纖與石英音叉的相對位置進(jìn)行優(yōu)化，以得到具有高靈敏度的光纖法珀傳感器；最后介紹了數(shù)字鎖相放大器的相關(guān)檢測原理。
　　其次，對石英增強(qiáng)全光解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分為光聲激發(fā)模塊、光纖法珀傳感器探測模塊與信號處理模塊三部分。光聲激發(fā)模塊重點(diǎn)是使用光纖引導(dǎo)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚焦方式將激光引至石英音叉兩叉指中央，激勵(lì)被測氣體產(chǎn)生光聲信號，在開放環(huán)境中進(jìn)行氣體檢測

4、可有效地減少光能的損失；光纖法珀傳感器探測模塊的重點(diǎn)在光源與光電探測器的選擇及光纖法珀傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；信號處理模塊重點(diǎn)是基于數(shù)字信號處理器的數(shù)字鎖相放大器的軟硬件設(shè)計(jì)。
　　最后，構(gòu)建了石英增強(qiáng)光聲光譜探測痕量氣體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別在電解調(diào)和光纖法珀傳感器解調(diào)兩種方式下以空氣中的水蒸氣作為探測對象，對系統(tǒng)的可行性及性能進(jìn)行估計(jì)。得到其歸一化噪聲吸收系數(shù)分別為7.15×10-7cm-1·W/Hz1/2和2.80×10-7cm-1·W