【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院馬欲飛教授課題組實(shí)現(xiàn)基于新型音叉的石英增強(qiáng)光譜高靈敏度氣體檢測。相關(guān)研究成果以《基于新型錐形石英音叉的激光光譜傳感》(A novel tapered quartz tuning fork-based laser spectroscopy sensing)為題發(fā)表于科技期刊《應(yīng)用物理評論》(Applied Physics Reviews)，并被期刊選為特色論文。
 

　　石英光譜氣體傳感技術(shù)是一種以石英音叉為探測元件的激光吸收光譜式氣體傳感技術(shù)，由石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy, 簡稱QEPAS)和光致熱彈光譜技術(shù)(light-induced thermoelastic spectroscopy, 簡稱LITES)構(gòu)成，具有氣體選擇性好、檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。石英音叉作為傳感器系統(tǒng)中的核心探測單元對系統(tǒng)的檢測性能起到?jīng)Q定性的作用。為了進(jìn)一步提升石英增強(qiáng)光譜氣體傳感系統(tǒng)的檢測性能，亟需對目前標(biāo)準(zhǔn)矩形石英音叉存在的共振頻率較高、叉指壓電電荷收集效率低下等問題進(jìn)行改進(jìn)。
 

　　馬欲飛教授課題組從傳感器系統(tǒng)的核心探測單元-石英音叉出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款新型錐形叉指石英音叉，優(yōu)化了叉指的應(yīng)力分布并且使其結(jié)構(gòu)更利于濕法刻蝕加工。有限元分析結(jié)果表明，相比標(biāo)準(zhǔn)音叉，錐形音叉的溫度梯度和表面電荷總量均有5倍左右提升。在搭建了基于錐形音叉的C2H2-QEPAS傳感系統(tǒng)和C2H2-LITES傳感系統(tǒng)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于錐形音叉的LITES傳感系統(tǒng)信噪比提升了3.60倍，最小檢測限為146.39 ppb?；阱F形音叉的QEPAS傳感系統(tǒng)信噪比提升了3.02倍，配置共振管后信噪比提升了97.20倍，最小檢測限達(dá)到16.45 ppb。依據(jù)傳感器系統(tǒng)的濃度測量結(jié)果，證明了該系統(tǒng)具有優(yōu)異的濃度線性響應(yīng)。
 

　　馬欲飛教授為論文唯一通訊作者及共同第一作者，課題組喬順達(dá)副研究員和碩士研究生王潤秋為論文共同第一作者，課題組何應(yīng)副教授、碩士研究生房超以及博士研究生梁添添參與論文相關(guān)工作。
 

　　該研究獲國家自然科學(xué)基金及哈工大青年科學(xué)家工作室等項(xiàng)目資助。
 

　　基于錐形音叉的氣體傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：(a)石英增強(qiáng)光聲光譜系統(tǒng)(b)光致熱彈光譜系統(tǒng)(c)標(biāo)準(zhǔn)矩形石英音叉(左)和錐形石英音叉(右)的照片

 

　　(a)信號(hào)強(qiáng)度與激光作用高度的關(guān)系(b)標(biāo)準(zhǔn)石英音叉、錐形石英音叉和配置共振管的錐形音叉的C2H2-QEPAS傳感系統(tǒng)信號(hào)對比

 

　　對基于標(biāo)準(zhǔn)石英音叉、錐形石英音叉和配置共振管的錐形音叉C2H2-QEPAS系統(tǒng)的艾倫方差分析：(a) 純氮?dú)猸h(huán)境下的檢測結(jié)果(b)低濃度乙炔環(huán)境下的檢測結(jié)果