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相關(guān)產(chǎn)品：MFLI 

背景介紹

痕量氣體檢測(cè)普遍存在，例如檢測(cè)臭氧，乙炔，氮氧化物，甲烷等相關(guān)氣體濃度時(shí)。在呼吸診斷、生命科學(xué)、工業(yè)過(guò)程控制分析、火災(zāi)預(yù)警、燃燒診斷、電氣安全檢測(cè)，以及爆炸物的檢測(cè)等方面均有著廣泛地應(yīng)用。

20世紀(jì)的光聲光譜技術(shù)(PAS)檢測(cè)，奠定了后續(xù)利用光聲光譜技術(shù)測(cè)量氣體濃度的基本原理，將受周期性調(diào)制的激光照射待測(cè)氣體，氣體受激輻射到高能態(tài)上，通過(guò)無(wú)輻射躍遷返回基態(tài)并且釋放熱能，導(dǎo)致氣體局部溫度周期性變化，產(chǎn)生周期性變化的聲壓，也就是聲波。聲壓的信號(hào)強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)，使用聲探測(cè)器接收產(chǎn)生的聲信號(hào)，根據(jù)其反饋信號(hào)就可以反演氣體的濃度。一開(kāi)始選用的聲探測(cè)器是麥克風(fēng)。進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家利用半導(dǎo)體器件的石英音叉，放在氣室里當(dāng)作聲探測(cè)器，這項(xiàng)技術(shù)就是石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)（QEPAS）。對(duì)比麥克風(fēng)，石英音叉具有體積小、品質(zhì)因數(shù)高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因其超窄的帶寬有效降低噪聲的耦合功率。實(shí)現(xiàn)了更低氣體濃度的探測(cè)。雖然對(duì)比PAS，已經(jīng)具有不少優(yōu)點(diǎn)，但是由于石英音叉放置在氣室內(nèi)，如果氣體是腐蝕性氣體，那么對(duì)于石英音叉的連續(xù)工作會(huì)帶來(lái)不良影響，所以利用光致熱彈效應(yīng)，將石英音叉放在氣室外面，激光穿過(guò)氣室并照在音叉上，石英音叉部分吸收的激光轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致石英音叉熱彈性膨脹。如果激光受到調(diào)制，則上述熱彈性膨脹引起石英音叉的機(jī)械振動(dòng)?；趬弘娦?yīng)，光熱彈性轉(zhuǎn)換引起的振動(dòng)在石英音叉表面產(chǎn)生壓電電荷，最終轉(zhuǎn)換為壓電電流信號(hào)。探測(cè)電流信號(hào)的二次諧波分量，反演得到氣體室的氣體密度信息。這項(xiàng)技術(shù)就是光致熱彈性光譜技術(shù)（LITES）。

在發(fā)展LITES技術(shù)的時(shí)候，由于傳統(tǒng)的LITES是用壓電電流測(cè)量，在連接電纜的時(shí)候有可能會(huì)產(chǎn)生電火花，如果氣室內(nèi)的氣體是易燃?xì)怏w，那么會(huì)有燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。所以在原先的基礎(chǔ)上提出了一種利用光學(xué)方法解調(diào)，全光學(xué)的LITES技術(shù)。并且在LITES系統(tǒng)易受激光功率和波長(zhǎng)變化造成測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定的缺點(diǎn)上，科學(xué)家們?cè)诳垢蓴_，提高氣體檢測(cè)靈敏度上做出了一些有意義的改進(jìn)。

相關(guān)原理

DFB分布式反饋激光器

LITES使用的激光光源是DFB分布式反饋激光器，根據(jù)注入的電流大小會(huì)改變光柵的折射率，從而達(dá)到改變波長(zhǎng)的效果。因?yàn)槠鋬?yōu)秀的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)精度，所以用在LITES這種需要對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行變化掃描的實(shí)驗(yàn)上。

石英音叉

石英音叉是一種利用石英晶體壓電效應(yīng)制成的機(jī)械諧振元件，具有體積小、價(jià)格低、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。由于其振動(dòng)特點(diǎn)，只有在兩臂對(duì)稱(chēng)震動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生正確的壓電信號(hào)。而環(huán)境噪聲只會(huì)讓兩臂產(chǎn)生同向震動(dòng)，因此石英音叉具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。商用石英音叉（QTF）共振頻率一般在32767Hz，品質(zhì)因數(shù)Q在10000左右，意味著共振頻率的帶寬在3Hz左右。

圖1.石英音叉實(shí)物圖

圖2.石英音叉頻譜圖

F-P腔

FP腔是一種基于多光束干涉的光學(xué)諧振腔，由兩個(gè)平行的高反射鏡（或部分反射鏡）構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于激光器、光譜學(xué)、濾波器和精密測(cè)量等領(lǐng)域。

根據(jù)波長(zhǎng)和腔長(zhǎng)的關(guān)系，可以根據(jù)反射光的干涉強(qiáng)度來(lái)判斷波長(zhǎng)變化，或者腔長(zhǎng)變化。在LITES中是用光纖端面和QTF側(cè)壁組成腔壁，讓激光不斷在腔內(nèi)反射達(dá)到檢測(cè)石英音叉震動(dòng)所引起的腔長(zhǎng)改變的效果。

信號(hào)機(jī)理

圖3.壓電信號(hào)LITES系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的LITES是利用QTF的壓電電流信號(hào)來(lái)探測(cè)氣體濃度的。根據(jù)石英音叉的共振頻率，我們利用波形發(fā)生器生成頻率是QTF共振頻率的一半的正弦波信號(hào)并且同時(shí)產(chǎn)生慢頻率的鋸齒波電流以對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要的波長(zhǎng)范圍進(jìn)行掃描并調(diào)制。激光的頻率就以正弦波的頻率開(kāi)始變化了。該激光經(jīng)過(guò)氣室，照射到石英音叉底部。激光調(diào)制頻率的二次諧波，利用音叉的光致熱彈效應(yīng)使音叉產(chǎn)生頻率一致的機(jī)械震動(dòng)和壓電電流，得到選頻放大。該電流通過(guò)電流放大器變成電壓信號(hào)并用鎖相解調(diào)得到最終的二次諧波信號(hào)。通過(guò)反演該諧波信號(hào)，就可以得到氣體室內(nèi)部待測(cè)氣體的濃度信息。一次諧波的頻率由于和音叉的共振頻率不符，而且根據(jù)信號(hào)的理論分析也不包含濃度信息，所以一般是作為提高實(shí)驗(yàn)抗干擾和檢測(cè)精度的輔助信號(hào)。

試驗(yàn)裝置

圖4.WMS-2f/1f試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于歸一化諧波解調(diào)的全光學(xué)抗干擾光致熱彈性光譜氣體傳感器。該傳感器采用法布里-珀羅（F-P）腔技術(shù)解調(diào)石英音叉（QTF）振動(dòng)，替代了傳統(tǒng)LITES傳感器中的壓電信號(hào)測(cè)量。通過(guò)應(yīng)用第二諧波歸一化第一諧波（WMS-2f/1f）解調(diào)方法，解決了F-P檢測(cè)中由于環(huán)境干擾導(dǎo)致的不穩(wěn)定性問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器對(duì)乙炔（C2H2）的檢測(cè)性能，顯示出優(yōu)異的抗干擾能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，比傳統(tǒng)的2f解調(diào)方法穩(wěn)定性提高了60倍以上。

將壓電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的過(guò)程替換成光學(xué)解調(diào)是利用QTF機(jī)械震動(dòng)的特點(diǎn)，使F-P腔長(zhǎng)也產(chǎn)生同頻的周期性變化，用一個(gè)不經(jīng)過(guò)調(diào)制的探測(cè)激光打在F-P腔長(zhǎng)上，使得反射回來(lái)的探測(cè)光和干涉光疊加，最終將PD探測(cè)到的光強(qiáng)的變化頻率與我們調(diào)制激光器的調(diào)制頻率一致，利用鎖相即可進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的解調(diào)。

圖5.WMS-2f/1f信號(hào)系統(tǒng)框圖

在該系統(tǒng)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用LITES的一次諧波包含激光光強(qiáng)和光強(qiáng)與LITES信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)的特點(diǎn)，用QTF共振頻率，和QTF共振頻率的一半頻率的正弦波一起調(diào)制激光器，即多頻調(diào)制，在經(jīng)過(guò)F-P腔光學(xué)解調(diào)后，可以得到兩個(gè)同頻但是不同相的信號(hào)，一個(gè)是1f一次諧波信號(hào)，包含激光光強(qiáng)和光強(qiáng)與LITES信 號(hào)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)；另外一個(gè)是2f二次諧波信號(hào)，包含氣體室內(nèi)部氣體濃度，激光光強(qiáng)和光強(qiáng)與LITES信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)等信息。將2f除1f，就可以將跟激光波長(zhǎng)和功率，F-P腔長(zhǎng)度的不穩(wěn)定，帶來(lái)的最終測(cè)試信號(hào)的不穩(wěn)定抵消掉。形成自動(dòng)抗干擾的測(cè)試系統(tǒng)。

在使用鎖相放大器的過(guò)程中，首先需要將2f和1f信號(hào)分別輸入到鎖相放大器中。鎖相放大器通過(guò)內(nèi)部的混頻器和低通濾波器，將這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位敏感檢測(cè)，從而提取出與氣體濃度相關(guān)的信號(hào)。具體操作包括：

1. **信號(hào)輸入**：將傳感器輸出的2f和1f信號(hào)分別連接到鎖相放大器的兩個(gè)輸入端。

2. **頻率設(shè)置**：根據(jù)QTF的共振頻率，設(shè)置鎖相放大器的參考頻率，使其與信號(hào)的頻率同步。

3. **相位調(diào)整**：通過(guò)調(diào)整鎖相放大器的相位，使2f和1f信號(hào)在鎖相放大器中實(shí)現(xiàn)最佳相位差。

4. **信號(hào)解調(diào)**：鎖相放大器將2f和1f信號(hào)進(jìn)行除法運(yùn)算，得到2f/1f信號(hào)，并輸出該信號(hào)。

5. **數(shù)據(jù)分析**：通過(guò)分析2f/1f信號(hào)的峰值，反推出氣體的濃度。

蘇黎世鎖相的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)鎖相放大器由于只有一個(gè)鎖相單元，所以無(wú)法在一臺(tái)鎖相上同時(shí)進(jìn)行1f和2f兩路信號(hào)解調(diào)，需要用兩臺(tái)鎖相放大器進(jìn)行并聯(lián)操作。但是蘇黎世鎖相依靠其卓越的硬件性能，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)鎖相多個(gè)解調(diào)單元同時(shí)解調(diào)。機(jī)器內(nèi)部包含多個(gè)振蕩器，能同時(shí)輸出抗干擾LITES系統(tǒng)所需要的兩個(gè)激勵(lì)頻率。

并且在進(jìn)行LITES之前一般要對(duì)所使用的石英音叉進(jìn)行共振峰的測(cè)試，以驗(yàn)證石英音叉的電學(xué)性能。蘇黎世儀器的控制軟件Labone提供掃頻模塊，自動(dòng)改變激勵(lì)石英音叉的信號(hào)頻率，快速準(zhǔn)確的得到共振峰測(cè)試圖，并且直接進(jìn)行洛倫茲函數(shù)擬合等相關(guān)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到品質(zhì)因子，共振中心頻率等參數(shù)。

圖6.利用掃頻模塊測(cè)試共振峰

相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

圖7.MFLI

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入

• 可以同時(shí)進(jìn)行4個(gè)頻率解調(diào)（需要MF-MD 選件）

• 高達(dá)4路PID和PLL鎖相環(huán) (需要MF-PID選件)

• 短時(shí)間常數(shù)：337ns到83s

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

參考文獻(xiàn)

Ziting Lang, Member, IEEE, Shunda Qiao, Ying He, and Yufei Ma.All-optical anti-interference light-induced thermoelastic spectroscopy gas sensor based on normalized harmonic demodulation.IEEE SENSORS JOURNAL.

代佳亮,劉秀玲.光致熱彈光譜氣體檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展.中國(guó)光學(xué)第16卷第2期

胡寅秋.基于石英音叉增強(qiáng)光聲光譜-光致熱彈光譜技術(shù)的痕量氣體檢測(cè).全國(guó)優(yōu)秀碩士論文庫(kù)