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背景介绍

痕量气体检测普遍存在，例如检测臭氧，乙炔，氮氧化物，甲烷等相关气体浓度时。在呼吸诊断、生命科学、工业过程控制分析、火灾预警、燃烧诊断、电气安全检测，以及爆炸物的检测等方面均有着广泛地应用。

20世纪的光声光谱技术(PAS)检测，奠定了后续利用光声光谱技术测量气体浓度的基本原理，将受周期性调制的激光照射待测气体，气体受激辐射到高能态上，通过无辐射跃迁返回基态并且释放热能，导致气体局部温度周期性变化，产生周期性变化的声压，也就是声波。声压的信号强度与气体浓度有关，使用声探测器接收产生的声信号，根据其反馈信号就可以反演气体的浓度。一开始选用的声探测器是麦克风。进入21世纪，科学家利用半导体器件的石英音叉，放在气室里当作声探测器，这项技术就是石英增强光声光谱技术（QEPAS）。对比麦克风，石英音叉具有体积小、品质因数高、价格低廉等优点，因其超窄的带宽有效降低噪声的耦合功率。实现了更低气体浓度的探测。虽然对比PAS，已经具有不少优点，但是由于石英音叉放置在气室内，如果气体是腐蚀性气体，那么对于石英音叉的连续工作会带来不良影响，所以利用光致热弹效应，将石英音叉放在气室外面，激光穿过气室并照在音叉上，石英音叉部分吸收的激光转化为热能，从而导致石英音叉热弹性膨胀。如果激光受到调制，则上述热弹性膨胀引起石英音叉的机械振动。基于压电效应，光热弹性转换引起的振动在石英音叉表面产生压电电荷，最终转换为压电电流信号。探测电流信号的二次谐波分量，反演得到气体室的气体密度信息。这项技术就是光致热弹性光谱技术（LITES）。

在发展LITES技术的时候，由于传统的LITES是用压电电流测量，在连接电缆的时候有可能会产生电火花，如果气室内的气体是易燃气体，那么会有燃烧的风险。所以在原先的基础上提出了一种利用光学方法解调，全光学的LITES技术。并且在LITES系统易受激光功率和波长变化造成测试结果不稳定的缺点上，科学家们在抗干扰，提高气体检测灵敏度上做出了一些有意义的改进。

相关原理

DFB分布式反馈激光器

LITES使用的激光光源是DFB分布式反馈激光器，根据注入的电流大小会改变光栅的折射率，从而达到改变波长的效果。因为其优秀的波长调节精度，所以用在LITES这种需要对激光波长进行变化扫描的实验上。

石英音叉

石英音叉是一种利用石英晶体压电效应制成的机械谐振元件，具有体积小、价格低、品质因数高等优点。由于其振动特点，只有在两臂对称震动时才会产生正确的压电信号。而环境噪声只会让两臂产生同向震动，因此石英音叉具有抗干扰能力强的特点。商用石英音叉（QTF）共振频率一般在32767Hz，品质因数Q在10000左右，意味着共振频率的带宽在3Hz左右。

图1.石英音叉实物图

图2.石英音叉频谱图

F-P腔

FP腔是一种基于多光束干涉的光学谐振腔，由两个平行的高反射镜（或部分反射镜）构成，广泛应用于激光器、光谱学、滤波器和精密测量等领域。

根据波长和腔长的关系，可以根据反射光的干涉强度来判断波长变化，或者腔长变化。在LITES中是用光纤端面和QTF侧壁组成腔壁，让激光不断在腔内反射达到检测石英音叉震动所引起的腔长改变的效果。

信号机理

图3.压电信号LITES系统框图

传统的LITES是利用QTF的压电电流信号来探测气体浓度的。根据石英音叉的共振频率，我们利用波形发生器生成频率是QTF共振频率的一半的正弦波信号并且同时产生慢频率的锯齿波电流以对整个实验所需要的波长范围进行扫描并调制。激光的频率就以正弦波的频率开始变化了。该激光经过气室，照射到石英音叉底部。激光调制频率的二次谐波，利用音叉的光致热弹效应使音叉产生频率一致的机械震动和压电电流，得到选频放大。该电流通过电流放大器变成电压信号并用锁相解调得到最终的二次谐波信号。通过反演该谐波信号，就可以得到气体室内部待测气体的浓度信息。一次谐波的频率由于和音叉的共振频率不符，而且根据信号的理论分析也不包含浓度信息，所以一般是作为提高实验抗干扰和检测精度的辅助信号。

试验装置

图4.WMS-2f/1f试验系统框图

哈尔滨工业大学的研究团队提出了一种基于归一化谐波解调的全光学抗干扰光致热弹性光谱气体传感器。该传感器采用法布里-珀罗（F-P）腔技术解调石英音叉（QTF）振动，替代了传统LITES传感器中的压电信号测量。通过应用第二谐波归一化第一谐波（WMS-2f/1f）解调方法，解决了F-P检测中由于环境干扰导致的不稳定性问题。实验验证了该传感器对乙炔（C2H2）的检测性能，显示出优异的抗干扰能力和长期稳定性，比传统的2f解调方法稳定性提高了60倍以上。

将压电信号进行解调的过程替换成光学解调是利用QTF机械震动的特点，使F-P腔长也产生同频的周期性变化，用一个不经过调制的探测激光打在F-P腔长上，使得反射回来的探测光和干涉光叠加，最终将PD探测到的光强的变化频率与我们调制激光器的调制频率一致，利用锁相即可进行相关信号的解调。

图5.WMS-2f/1f信号系统框图

在该系统中，哈尔滨工业大学的研究团队利用LITES的一次谐波包含激光光强和光强与LITES信号之间的转换系数的特点，用QTF共振频率，和QTF共振频率的一半频率的正弦波一起调制激光器，即多频调制，在经过F-P腔光学解调后，可以得到两个同频但是不同相的信号，一个是1f一次谐波信号，包含激光光强和光强与LITES信 号之间的转换系数；另外一个是2f二次谐波信号，包含气体室内部气体浓度，激光光强和光强与LITES信号之间的转换系数等信息。将2f除1f，就可以将跟激光波长和功率，F-P腔长度的不稳定，带来的最终测试信号的不稳定抵消掉。形成自动抗干扰的测试系统。

在使用锁相放大器的过程中，首先需要将2f和1f信号分别输入到锁相放大器中。锁相放大器通过内部的混频器和低通滤波器，将这两个信号进行相位敏感检测，从而提取出与气体浓度相关的信号。具体操作包括：

1. **信号输入**：将传感器输出的2f和1f信号分别连接到锁相放大器的两个输入端。

2. **频率设置**：根据QTF的共振频率，设置锁相放大器的参考频率，使其与信号的频率同步。

3. **相位调整**：通过调整锁相放大器的相位，使2f和1f信号在锁相放大器中实现最佳相位差。

4. **信号解调**：锁相放大器将2f和1f信号进行除法运算，得到2f/1f信号，并输出该信号。

5. **数据分析**：通过分析2f/1f信号的峰值，反推出气体的浓度。

苏黎世锁相的优势

传统锁相放大器由于只有一个锁相单元，所以无法在一台锁相上同时进行1f和2f两路信号解调，需要用两台锁相放大器进行并联操作。但是苏黎世锁相依靠其卓越的硬件性能，可实现一台锁相多个解调单元同时解调。机器内部包含多个振荡器，能同时输出抗干扰LITES系统所需要的两个激励频率。

并且在进行LITES之前一般要对所使用的石英音叉进行共振峰的测试，以验证石英音叉的电学性能。苏黎世仪器的控制软件Labone提供扫频模块，自动改变激励石英音叉的信号频率，快速准确的得到共振峰测试图，并且直接进行洛伦兹函数拟合等相关数学运算得到品质因子，共振中心频率等参数。

图6.利用扫频模块测试共振峰

相关产品优势

图7.MFLI

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 电流电压输入

• 可以同时进行4个频率解调（需要MF-MD 选件）

• 高达4路PID和PLL锁相环 (需要MF-PID选件)

• 短时间常数：337ns到83s

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

参考文献

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,刘秀玲.光致热弹光谱气体检测技术研究进展.中国光学第16卷第2期

胡寅秋.基于石英音叉增强光声光谱-光致热弹光谱技术的痕量气体检测.全国优秀硕士论文库