石英增強光聲光譜探測系統(tǒng)全光解調技術研究.pdf

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

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，而且這種解調方式的本質論定了其難以實現(xiàn)遠距離探測。針對以上這些缺點，本文提出一種用于痕量氣體檢測的全光式石英增強光聲光譜探測系統(tǒng)，采用光纖法珀傳感器解調方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電解調方法，得到了石英音叉的振動信號，從而實現(xiàn)了對痕量氣體含量的檢測。
　　首先，介紹了石英增強光聲光譜技術的基本原理和基礎理論。對氣體光聲效應原理、光聲光譜理論做了簡單介紹；對全光式石英增強光聲光譜

3、系統(tǒng)進行理論分析；建立了低精細度非本征型光纖法珀腔的干涉光強與腔長的關系；對探測光纖與石英音叉的相對位置進行優(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檢測原理。
　　其次，對石英增強全光解調系統(tǒng)進行了設計，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)模塊重點是使用光纖引導方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聚焦方式將激光引至石英音叉兩叉指中央，激勵被測氣體產(chǎn)生光聲信號，在開放環(huán)境中進行氣體檢測

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在光源與光電探測器的選擇及光纖法珀傳感器的結構設計；信號處理模塊重點是基于數(shù)字信號處理器的數(shù)字鎖相放大器的軟硬件設計。
　　最后，構建了石英增強光聲光譜探測痕量氣體的實驗系統(tǒng)，分別在電解調和光纖法珀傳感器解調兩種方式下以空氣中的水蒸氣作為探測對象，對系統(tǒng)的可行性及性能進行估計。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