文摘
基于硅微谐振器微弱谐振声被添加到最近开发multi-QTF QEPAS声仪来增强信号振幅。“横”的两种配置进行了详细的实验研究。发达multi-QTF建立“横”声仪信号增强的1.6倍,相比之下,传统的单一QTF“横”声仪为基础,与近似噪声水平。一个规范化的噪声等效吸收系数()为1.24×10−9W·厘米−1·赫兹−1/2获得了水汽在大气压力检测。
1。介绍
激光吸收光谱痕量气体探测获得了相当大的兴趣在过去几十年。在光学光谱技术中,光声光谱(PAS)是一个行之有效的敏感方法,zero-background自然的优势,激发波长独立,和信号振幅的线性依赖激励力量1- - - - - -4]。的变化,石英增强光声光谱(QEPAS),利用一个石英音叉(QTF)代替传统的麦克风,是一个蓬勃发展的微量气体检测技术,已广泛应用于环境监测、工业过程控制分析、燃烧过程、检测有毒和易燃气体,以及炸药(5]。大幅高石英音叉的价值(QTF)不仅有利于声波能量的积累产生的松弛转变的气体分子,但也使得基于QEPAS声仪对环境噪声免疫。
硅微谐振器微弱谐振声(amr)通常用于QEPAS声仪提高声波振荡,调制光束的吸收引起的气体,由于QTF之间的耦合影响,amr (6- - - - - -8]。两个复杂QEPAS声仪与amr聚集在“横”和“离谱”配置开发提高基于bare-QTF QEPAS传感器的性能(9,10]。“横”的光谱测声器组装配置(9),两边各有一个amr定位密切QTF,提供了一个信噪比(信噪比)增强~ 30倍。“离谱”的光谱测声器组装配置(10),与一个小缝有一个AmR QTF一起放置在中间,可以简化光学校准和适用于激励源空间辐射与低质量。最近,一些小说QEPAS声仪也有相关报道。两声microresonator quartz-enhanced光声光谱,采用光谱测声器,由一个QTF和两套光信号的“横”amr发达加法和multigas快速光谱测量5毫秒的响应时间(1]。Multi-quartz增强光声光谱(M-QEPAS)使用一对QTFs具有类似共振频率并行连接,而不是传统的单个QTF QEPAS声仪,提高信号振幅通过两个QTFs之间的耦合效应11]。M-QEPAS意识到1.7倍信号增强的空气中水汽探测,相比与一个裸QTF QEPAS传感器。但是没有amr M-QEPAS声仪的配置。
摘要amr被添加到M-QEPAS声仪进一步提高传感器的信号振幅。基于两种multi-QTF QEPAS声仪提出“横”。提出的谐振曲线QEPAS声仪测量,以确定他们的共振频率和值。对于它的实际实现,在实验室空气中水蒸气被选为目标分析物详细评估传感器的性能。AmR之间的距离和QTF multi-QTF基于“横”QEPAS声仪优化获得最大信号振幅。
2。实验装置
实验装置的原理图是描绘在图1。近红外光纤耦合分布反馈(DFB)二极管激光器作为激励源产生光声信号。分布反馈激光器的输出波长为1368.69 nm,温度和电流的分布反馈激光器将27°C和80 mA。激光波长扫描可以粗和细调的温度和电流,分别。一个商业~ 32 kHz石英音叉作为声换能器。激光电流调制在16 ~ kHz,对应于一个QTF共振频率的一半。分布反馈激光器的输出光束集中通过之间的差距QTF尖头叉子聚焦器通过光纤耦合。声波调制激光诱导的有效推动QTF震动的尖头叉子。压电效应产生的电信号QTF是由互阻抗处理前置放大器,然后被喂以锁定放大器,解调信号模式和检索气体浓度。
分布反馈激光器的输出功率和波长的函数当前被绘制在图2。当前的分布反馈激光器扫描马从15到125 mA的恒温23.95°C,对应于一个波长范围从7305.8厘米−1- 7309.9厘米−1。两个小时2O吸收线,位于7306.75厘米−1和7308.82厘米−1覆盖在扫描范围内。根据HITRAN数据库,这两个H2O吸收线的线强度1.8×10−20厘米/摩尔和6.9×10−22厘米/摩尔分别如图3(一个)。相关的从QEPAS传感器获取的信号,利用声仪基于裸露QTF,如图3 (b)。较低的检出限可以通过选择一个更强的目标线,但为了避免锁定放大器的过载,较弱的7308.82厘米−1这个实验被选为目标线。
(一)
(b)
图4显示四个不同QEPAS光谱测声器:单裸QTF声仪为基础,(b)传统单一QTF“横”声仪为基础,基于和(c), (d) multi-QTF声仪“横”。在图4 (c),两个QTFs被放置在一个20的差距μm,两个amr定位密切相关的一侧QTFs 20相同的差距μm。顶部的距离QTF尖头叉子amr的中心是0.7毫米。在图4 (d),额外的QTF添加到传统的基于单一QTF“横”声仪。的顶部的距离QTF尖头叉子amr的中心和QTF # 3间的缝隙,amr和图一样4 (c)。这个配置相当于两个串联的传统一半“横”声仪(12]。所有使用的amr的几何参数数据4 (b)- - - - - -4 (d)是一样的(13]。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。结果与讨论
函数发生器是用来产生正弦波激发QTF,和QTF的输出信号在不同激励频率共振曲线记录。共振频率和QTF价值可以从洛伦兹拟合获得的谐振曲线的平方(14]。的价值的定义是,在那里代表了半宽度(应用)的谐振曲线。基于共振曲线单一光QTF声仪(图4(一))和传统的基于单一QTF“横”声仪(图4 (b))如图5。的正弦波函数发生器的频率在32720赫兹到32780赫兹扫描与峰峰振幅317 mV。标准QTF的共振频率32768赫兹80000 - 100000年的价值在一个密封的真空金属包。频率和值下降到32748.8赫兹和8396在空气中,在切除金属的住房。与传统的基于单一QTF QEPAS声仪“横”因素进一步减少到3193,由于QTF和amr之间的强耦合效应。较低的值意味着更多的声学之间的能量交换和存储QTF amr。
基于multi-QTF“横”声仪的性能图所示4 (c)第一次评估。的共振曲线QTFs独立测量,和相应的参数列在表中1。QTFs # 1和# 2显示了近似频率。结果,只有一个峰值响应曲线上观察,后两QTFs并行连接的电极。的5660年和2923年的价值为每个QTF表明QTFs都加上amr独立。由于multi-QTF之间的强耦合效应,amr multi-QTF建立“横”声仪,如图4 (c),表现出一个6918的价值。图6显示了共振曲线获得QTF # 1, QTF # 2, multi-QTF使用的配置图4 (c),这表明当两个QTFs并行连接,与amr强耦合,multi-QTFs因素可以高于每个两个QTFs。
激光的调制深度优化的基于光QTF声仪。实验室的空气含有1.26% H2被选为目标分析物。信号的振幅和光谱QEPAS的概要文件信号作为激光调制深度的函数在数据绘制7(一)和7 (b)。如数据所示7(一)和7 (b),与调制深度增加从5到20 mA, QEPAS信号的振幅和光谱宽度单调增加。然而,从13到20 mA调制深度增加,信号振幅仅增加9.4%(从1.71号到1.96号),插图所示(j),但光谱宽度增加43.6%(从0.44厘米−1- 0.63厘米−1插图所示),(我)。因此,一个最佳的调制深度13马被选中,考虑到频谱展宽。
(一)
(b)
QTFs # 1和# 2首次独立评估。获得的信号被显示在图8(一个)。QTFs # 1和# 2显示信号振幅的41.5 mV和37.5 mV的23.3倍和21倍单一光QTF光谱测声器。这表明QTFs # 1和# 2都是强耦合的amr聚集在“横”配置。QEPAS信号,获得两个QTFs电极连接在平行,也绘制在图8(一个)。结果,multi-QTF信号幅度的基础“横”声仪显示58.8 mV,产生1.4倍增强相比传统的基于单一QTF的“横”声仪和33倍增强相比单一的基于光QTF声仪。信号的不对称是由于剩余幅度调制的激光15]。
(一)
(b)
基于multi-QTF“横”声仪的性能图4 (d)以同样的方式被评估。共振曲线和信号振幅的比较见表2和图8 (b),分别。相比之下声仪图4 (c),基于multi-QTF声仪图“横”4 (d)生成一个信号振幅65.1 mV的1.6倍,传统的基于单QTF“横”声仪和36倍单一光QTF光谱测声器。考虑到multi-QTF信号增益越高,“横”声仪图4 (d)者优先。
QEPAS信号的振幅multi-QTF“横”声仪(图4 (d))之间的距离的函数QTF AmR # 4 # 4和优化,如图9。距离从10增加到50μ米,信号振幅达到最大值65.1 mV的距离40μ米,见图的插图9。这种观察到的行为的耦合效应是由于声波领域QTF # 4和amr之间。传感器的信噪比(信噪比)可以从计算信号最大值和噪声背景值通过优化激光波长远离H2O吸收线。与4.6×10的噪音−5的信噪比V, multi-QTF“横”声仪(图4 (d))是1410,对应的检测极限9.96 ppm。规范化的励磁功率5.4 mW和检测0.125赫兹的带宽,获得的归一化噪声等效吸收系数是1.24×10 (NNEA)−9W·厘米−1·赫兹−1/2。
4所示。结论
硅微谐振器微弱谐振声被添加到最近开发的基于multi-QTF QEPAS传感器进一步增强信号振幅。基于两种multi-QTF声仪与“横”AmR配置实验研究和讨论。相比与传统的单一QTF“横”声仪为基础,基于发达multi-QTF“横”声仪信号增强的1.6倍在相同的操作条件下,近似噪声水平。归一化等效吸收系数()为1.24×10−9W·厘米−1·赫兹−1/2获得水蒸气检测在正常大气压力。信号增强可以进一步提高利用移相器调整可能multi-QTFs之间的相位差。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是支持的973项目(批准号2012 cb921603),中国国家自然科学基金(批准号。61575113,61275213,61108030,61475093,61127017,61178009,61378047,61205216),国家关键技术研发计划(2013 bac14b01),山西省自然科学基金(2013021004 - 1),以及中国的山西奖学金委员会(2013 - 011,2013 - 01)。