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光谱学与光谱分析 2024年第1期44卷 1-14页

作者：郑洪全戴景民哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量... 详细信息

光声光谱技术作为实现痕量气体浓度高效率、高精度测量的重要气体传感技术,因其响应速度快、灵敏度高、选择性好等优点被广泛应用到大气环境检测、电力系统故障诊断、医疗健康诊断等领域当中。首先介绍了光声光谱技术痕量气体浓度测量的基本原理,对应用光声效应实现痕量气体浓度测量的机理进行了简要的描述,同时,介绍了基于光声光谱技术的典型痕量气体浓度测量装置的结构。其次,从光声信号强度的理论分析出发,引出国内外学者在光声光谱痕量气体浓度测量领域的研究热点,为了实现基于光声光谱技术的痕量气体浓度测量装置更强的抗干扰能力、更紧凑的结构、更低的检测下限、更高的检测灵敏度,国内外学者的研究重点可以总结为以下三点:(1)辐射光源的选取和设计,以实现更佳辐射光源的输出波长、更宽的调谐范围、更高的辐射光源输出功率。(2)更优秀的光声池设计,以实现更高效的声能量积聚、更紧凑的结构和更强的抗干扰能力。(3)声敏探测器的设计,以实现更高的声音灵敏度、更高的信噪比。详细介绍了基于光声光谱痕量气体浓度测量装置的三个核心元件:辐射光源,主要介绍了相干光源和非相干光源的应用研究进展;光声池,主要介绍了光声池的设计原则以及非共振式和共振式光声池的应用研究进展;微音器,主要介绍了电容式微音器、压电式微音器的应用研究进展,并对近期研究热点石英增强光声光谱技术进行简要的介绍。在介绍目前辐射光源、光声池、微音器应用研究进展的同时,分析了各元件的优势和需要解决的问题。最后,总结了光声光谱技术应用于痕量气体浓度测量领域装置存在的信噪比不高、结构复杂、检测灵敏度和检测下限易受混合气体之间的交叉干扰等问题,并且对未来测量装置中的三个核心元件:辐射光源、光声池、微音器的发展趋势进行了展望。

关键词：光声光谱痕量气体检测辐射光源光声池微音器

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腔增强吸收光谱技术在大气环境研究中的应用进展

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光谱学与光谱分析 2021年第9期41卷 2688-2695页

作者：陈东阳周力杨复沫王炜罡葛茂发四川大学建筑与环境学院四川成都610065 中国科学院化学研究所北京100190

大气污染是全球性环境问题,针对大气环境污染物检测技术的发展对大气环境研究至关重要。光谱分析方法因其具有特异性选择、高精度、高时间分辨等优势,已被广泛应用于大气污染物检测领域。腔增强吸收光谱(CEAS)技术由腔衰荡光谱(CRDS)技... 详细信息

大气污染是全球性环境问题,针对大气环境污染物检测技术的发展对大气环境研究至关重要。光谱分析方法因其具有特异性选择、高精度、高时间分辨等优势,已被广泛应用于大气污染物检测领域。腔增强吸收光谱(CEAS)技术由腔衰荡光谱(CRDS)技术发展而来,是通过测量透过高精细度谐振腔的光强获得分子吸收信息的高灵敏度探测技术。该技术自提出至今二十余年来,因为成本低、操作简单、灵敏度高、适应性强等优势,成为大气环境研究中痕量气体检测的重要手段。介绍了基于相干和非相干光源的两种CEAS技术原理和基本装置构成,其中,采用LED作为光源的非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS),因其成本更低且能够检测几十纳米带宽的光谱范围,在大气研究领域中应用更加广泛。综述了国内外应用CEAS技术针对大气环境中氮氧化物(NO_(2),NO_(3),N_(2)O_(5),HONO)、挥发性有机物(甲醛,乙二醛,甲基乙二醛,甲烷,乙烯)、卤素单质(I_(2),Br_(2))、含卤素化物(OIO,IO,BrO)、臭氧(O_(3))及气溶胶等污染物的检测工作。同时,从光源、检测器、光腔结构改进、仪器检测灵敏度优化等多个方面对已有工作进行了全面的归纳总结,重点阐述了其在实验室条件下的检测能力,以及实际大气环境下应用的表现。最后从CEAS技术的系统优化和未来应用趋势方面做出了一定的展望。

关键词：腔增强吸收光谱光谱分析大气化学痕量气体检测

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基于光声光谱的温室气体检测技术研究

基于光声光谱的温室气体检测技术研究

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作者：项标安徽理工大学

学位级别：硕士

随着现代社会的发展,全球工业化和生活质量也随之不断提高,温室气体的排放量逐年增加,导致温室效应的影响正在不断扩大。故温室气体的检测有着重要的作用。温室气体中二氧化碳（CO2）是排放量最大、产生途径最广、影响较大的气体,故选择... 详细信息

随着现代社会的发展,全球工业化和生活质量也随之不断提高,温室气体的排放量逐年增加,导致温室效应的影响正在不断扩大。故温室气体的检测有着重要的作用。温室气体中二氧化碳（CO2）是排放量最大、产生途径最广、影响较大的气体,故选择CO2气体作为目标气体。光声光谱（PAS）检测技术相比较传统非光学方法有着灵敏度高、选择性广、检测范围大以及可以实时监测等优点,所以本文基于传统光声光谱技术和石英增强光声光谱（QEPAS）技术分别设计和搭建了一套CO2气体检测系统,对痕量CO2气体浓度进行检测。本文具体开展了以下工作: 1.设计和搭建了基于PAS技术的CO2气体检测系统。整个检测系统的组成为激光光源、光声池、信号检测及数据处理模块和配气模块。首先利用有限元分析法采用COMSOL软件对光声池进行仿真设计研究,并确定了光声池理论上的共振频率。其次利用搭建的实验系统对CO2气体进行检测,验证了光声池实际共振频率;然后在共振频率下对CO2浓度进行了测定,并对检测系统的响应度和稳定性进行验证;最后对检测过程中产生的噪声进行了分析,并对其提出了解决办法。根据检测结果,得出当积分时间为1s时,系统最小探测极限为25.1ppm;积分时间645s时,系统最小探测极限达到最佳。实验结果确认了该检测系统的可行性。 2.设计和搭建基于QEPAS技术的CO2气体检测系统。整个检测系统的组成为激光光源、石英音叉模块、信号检测及数据处理模块和配气模块。采用频率为12k Hz的石英音叉（QTF）作为气体发生装置,提高系统的检测灵敏度。首先利用搭建的实验系统对CO2气体进行检测,验证了QTF的共振频率;其次在共振频率下对CO2浓度进行了测定,并对检测系统的响应度和稳定性进行验证;最后实现了对安徽理工大学明德楼附近大气中的CO2气体进行实时连续检测。根据检测结果,得出当积分时间为1s时,系统最小探测极限为8.1ppm,对应归一化噪声等效吸收系数为3.81×10-9cm-1·W·Hz-1/2;积分时间为267s时,系统最小探测极限达到最佳。实验结果确认了该检测系统的可行性。实验结果表明,基于PAS技术的CO2气体检测系统和基于QEPAS技术的CO2气体检测系统可以对CO2气体进行准确以及长时间稳定的检测,但是基于QEPAS的检测系统拥有更高灵敏度。两者为利用光声光谱技术对CO2气体检测的应用提供了新的参考方案。图[67]表[4]参[86]

关键词：光声光谱温室气体痕量气体检测光声池石英音叉

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面向地震监测的CO2气体检测系统研制

面向地震监测的CO2气体检测系统研制

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作者：李恒宽吉林大学

学位级别：硕士

每年我国有上千万人因自然灾害造成生命财产损失,地震所造成的损失占比为50%以上。为了保证人民的生命财产安全,寻找准确分析地震前兆的方法是急需解决的问题。通过气体地球化学测量震前异常变化,可以有效分析其与地震发生的关系,给出... 详细信息

每年我国有上千万人因自然灾害造成生命财产损失,地震所造成的损失占比为50%以上。为了保证人民的生命财产安全,寻找准确分析地震前兆的方法是急需解决的问题。通过气体地球化学测量震前异常变化,可以有效分析其与地震发生的关系,给出预报意见。由于地球内部存在脱气作用,地震前夕,震源区地应力的变化导致地壳断层处流体溢出通道发生变化,使得断层带逸出气体浓度值改变。因此,震前断层带附近的CO2地表浓度会出现异常,对地震带附近CO2气体进行高精度测量,可以为分析地震前兆提供重要的帮助。本文对可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）基础原理进行分析,通过利用不同种类的气体对于光强吸收程度不同的特性,即气体吸收的选择性,来测量并计算待测CO2气体浓度。为了精确测量痕量CO2气体,同时避免与水蒸气吸收谱线重叠,本文选取了波数为4978.202 cm-1的CO2吸收谱线。针对TDLAS技术以及波长调制技术（WMS）进行了理论推导并通过MATLAB进行了模型仿真。在理论推导与仿真实验结果的基础上,实现了对CO2气体检测系统硬件方面的研发,分别为:包括主控模块、多通池温度、压力控制模块等的电学子系统;包含激光器、多通池等的光路及其相关部分;气路结构设计部分。对各个部分的研发过程与器件选型考虑进行了详细的介绍,设计了系统所需的电路以及光学部分相关结构,对TDLAS-WMS方法中的关键参数进行确定。使得系统得到理想的二次谐波信号进行气体浓度计算,得到较高的系统准确度及精密度。针对系统中存在的噪声进行分析与理论推导,为了抑制探测器噪声与干涉条纹这两种影响系统测量结果的主要噪声,采用了卡尔曼-小波算法。实验表明,结合该算法的系统在测量准确度、稳定性上均得到了一定提升,检出限在最优积分时间61.24 s处达到了5.2 ppmv。为验证仪器野外适用性,本文利用该CO2气体检测系统于2021年4月22日和23日两天在吉林丰满地震台进行野外适用性测试,经过对测量的CO2结果进行分析可以得出,每次进样后连续采样结果重复性较高,系统工作状态良好,仪器可以完成野外测量工作。

关键词： TDLAS 痕量气体检测吸收光谱波长调制系统噪声

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噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术综述

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中国激光 2018年第9期45卷 89-99页

作者：马维光周月婷赵刚贾梦源刘建鑫郭松杰董磊张雷尹王保肖连团 Axner Ove 贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 山西大学极端光学协同创新中心山西太原030006 Department of Physics Umea UniversityUmea SwedenSE-90187

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光... 详细信息

噪声免疫腔增强光外差分子光谱技术(NICE-OHMS)结合了频率调制光谱和腔增强吸收光谱两种技术,是目前探测灵敏度最高的激光吸收光谱技术。首先介绍NICE-OHMS技术的基本原理和实现过程,然后概括其发展现状,重点介绍各个课题组采用的激光源、腔的精细度等关键参数,及其对探测灵敏度的影响,最后提出限制NICE-OHMS技术探测灵敏度的主要因素及其解决方案。

关键词：光谱学频率调制腔增强痕量气体检测探测灵敏度

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石英增强光声光谱技术研究进展

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发光学报 2017年第7期38卷 839-848页

作者：马欲飞佟瑶何应张立功于欣可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术,具有体积小、灵敏度高等优点,是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述,并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍,最后... 详细信息

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术,具有体积小、灵敏度高等优点,是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述,并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍,最后对该技术的发展前景进行了展望。

关键词：石英增强光声光谱痕量气体检测激光器石英音叉

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腔增强吸收光谱技术研究进展及其应用

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中国激光 2018年第9期45卷 37-48页

作者：韩荦夏滑董凤忠张志荣庞涛孙鹏帅吴边崔小娟李哲余润磬中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽省光电子器件与材料重点实验室安徽合肥230031 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院安徽合肥230026

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展,腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大... 详细信息

腔增强吸收光谱技术具有实验装置相对简单、灵敏度高、环境适应性强等特点,是高灵敏吸收光谱技术的重要组成部分。随着半导体材料和封装工艺的发展,腔增强吸收光谱技术在光路结构、光源选择、以及与其他光谱技术的联合应用方面有了极大的改进和拓展,在环境监测、医疗诊断、国防建设、工业生产等领域有广阔的应用前景。对腔增强吸收光谱技术的研究现状、发展趋势、应用领域等方面进行详细的论述,从腔增强吸收光谱技术的基本物理原理出发,基于不同的光源描述常见的实验配置,其次对改进光路几何结构的系统性能进行相关分析研究,此外概述了腔增强光谱技术与其他技术的联用情况,并总结了目前该技术在不同领域的应用,最后对各装置的发展前景进行了展望。

关键词：光谱学腔增强吸收光谱技术谐振腔痕量气体检测同位素分析

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采用长光程差分吸收光谱技术(LP-DOAS)的中红外痕量一氧化碳检测仪

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光谱学与光谱分析 2017年第7期37卷 2278-2282页

作者：吕默王一丁陈晨吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室电子科学与工程学院吉林长春130012 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室仪器科学与电气工程学院吉林长春130061

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体,在复杂的井下环境中极易累积,对矿工生命安全造成严重威胁。介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪,该仪器采用激发波长为4.65μm的量子级联激光器作为光源,配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12m的紧... 详细信息

一氧化碳作为一种危险的开采排放气体,在复杂的井下环境中极易累积,对矿工生命安全造成严重威胁。介绍了一种紧凑型一氧化碳检测仪,该仪器采用激发波长为4.65μm的量子级联激光器作为光源,配合中红外碲镉汞光电探测器与光程长度12m的紧凑型多次反射气室,实现了对痕量一氧化碳气体的检测。自主设计的新型高速光电信号采集系统解决了应用商业示波器造成的信号链阻抗失配的问题。这一新系统的采样带宽为400MHz,采样频率1GSPS,垂直分辨率达到12bit,有效的提高了检测仪的灵敏度与集成度。该仪器采用长光程差分吸收光谱法,通过比较实测光谱与进行Voigt展宽的理论光谱之间的残差得出此检测仪的检测下限为108×10-9。检测仪的测量误差有非平稳,慢时变的特点。根据这一特点我们采用阿伦方差对气体检测仪检测灵敏度进行了估计,经过约40s方差曲线达到极小值,此时阿伦方差值为61×10-9。在2h的稳定性测试中,检测仪稳定度达到2.1×10-3,在长达12h的稳定性测试中,检测仪的稳定度依然可以达到1.7×10-2。此仪器具有较高的灵活性,通过更换不同激射波长的激光器可以实现对多种气体的痕量检测。

关键词：量子级联激光器痕量气体检测光电信号采集系统长光程差分吸收光谱残差分析阿伦方差

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音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究

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光谱学与光谱分析 2019年第10期39卷 3056-3060页

作者：李彪董磊武红鹏山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原030006 极端光学协同创新中心山西太原030006

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... 详细信息

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≠32.7kHz)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。

关键词：石英增强光声光谱石英音叉光学气体传感器痕量气体检测

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基于石英增强光声光谱的气体传感技术研究进展

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物理学报 2021年第16期70卷 23-34页

作者：马欲飞哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨150001

基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点,是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法.探测灵敏度是传感器系统的重要指标,关系到能否满足实... 详细信息

基于石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, QEPAS)的气体传感技术具有系统体积小、成本低、环境适应性强等优点,是目前一种重要的光谱式痕量气体检测方法.探测灵敏度是传感器系统的重要指标,关系到能否满足实际应用,因此,本文从提高QEPAS传感系统灵敏度的角度出发,总结了常见的技术手段,包括采用高功率激发光源增大激发强度、采用与分子基频/强吸收带相匹配的激光源来增大吸收强度、采用声波共振腔增大音叉处的声波强度、采用低共振频率石英音叉提高能量积累时间、采用多光程来增大光与气体的相互作用长度等方法,并对其优缺点分别进行了阐述.针对工程应用问题,本文主要讨论了全光纤化和传感系统小型化,并以载人航天领域的应用为例进行了例证.最后,对进一步提高QEPAS传感技术灵敏度的方法进行了展望.

关键词：痕量气体检测石英音叉灵敏度石英增强光声光谱

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