近期，华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程研究中心鲁平教授课题组在中科院1区《Photoacoustics》期刊上发表了题为“All-optical non-resonant photoacoustic spectroscopy for multicomponent gas detection based on aseismic photoacoustic cell”的论文，报道了一种全光型抗震式结构的多组分气体检测非共振式光声光谱系统，结合悬臂梁增强光声传感技术对六种不同的气体进行了测试，CO₂、CO、CH₄、C₂H₆、C₂H₄和C₂H₂检测限(3σ)分别达到了62.66 ppb、929.11 ppb、1494.97 ppb、212.94 ppb、1153.36 ppb和417.61 ppb。此外，该系统工作在10Hz的低频强度调制下，具有一定的抗震性能，振动噪声被抑制4.5倍，并实现了长期稳定运行。所提出的非共振全光PAS多组分气体检测系统具有抗振动性能、低气体消耗和长期稳定性的优点，为在复杂环境中工作提供了一种安全可靠的解决方案。

光声信号通常为微帕量级的声信号，为了实现微弱信号提取以及提高系统的气体检测灵敏度，采用高灵敏的悬臂梁微音器对光声信号进行拾取。然而在非谐振式多组分气体检测光声光谱系统中，系统通常工作在低频段，此时高灵敏度的悬臂梁微音器受外界影响大，外界低频振动噪声严重影响系统的稳定性。本方案利用传感膜片本身的惯性作用以及周边空气的作用力趋势相反实现对外界振动噪声的抑制效果，有效解决由于低频振动带来的影响。图1所示为光声池结构示意图，图1(a)为常规的光声池结构，当其处在振动环境下时，由于悬臂梁自身的惯性作用以及周边气体的惯性作用，悬臂梁产生弯曲，如图1(b)所示。为了使悬臂梁自身的惯性作用以及周边气体的惯性作用相反，采用如图1(c)所示结构，此时能够抑制外界振动的影响，如图1(d)所示。光声池的内部尺寸为直径12mm、长度19mm，设计的结构能够抑制外界振动的影响，实现微弱光声信号的长期稳定探测。图2为多组分气体检测光声光谱系统示意图，采用黑体辐射光源结合不同滤光片实现对不同气体的探测，光声激励光源采用强度调制的方式实现，强度调制频率为10Hz，实验检测系统具有结构简单的特点。为了实现对六种不同气体实现检测，选用了六种不同通带规格的滤光片。

图1 (a)传统光声池结构示意图及(b)其在加速度噪声下的等效模型，(c)抗加速度噪声结构是示意图及(d)其在加速度噪声下的等效模型

图2 多组分气体检测光声光谱系统示意图

利用如图3(a)所示的光学悬臂梁微音器进行光声信号探测，悬臂梁采用硅微加工工艺制作，其长宽高分别为3mm、1mm、4μm。悬臂梁镀有金膜，金膜面与光纤端面共同构成光学FP腔，其FP干涉光谱如图3(b)所示。在5Hz-250Hz频率范围内，悬臂梁微音器的灵敏度达到了96.25 rad/Pa，噪声水平低至0.55 μPa Hz^-1/2 @ 200 Hz。

图3 (a) 光学悬臂梁微音器结构示意图；(b) F-P干涉光谱

图4 六种气体的响应及其线性拟合直线

搭建了光声光谱气体测试系统，将浓度不同的六种气体分别注入光声池中，测试系统响应。图4为测试的六种气体在不同浓度下的光声信号响应，CO₂、CO、CH₄、C₂H₆、C₂H₄和C₂H₂的灵敏度分别达到了7.791 mrad/ppm、0.5423 mrad/ppm、0.3173 mrad/ppm、1.197 mrad/ppm、0.2663 mrad/ppm和0.5911 mrad/ppm，其线性度分别为0.9978、0.9989、0.9949、0.9887、0.999和0.9996，测试结果表明该光声光谱系统具有较高的灵敏度和较好的线性响应。为了测试系统的检测限，将纯氮气充入光声池中并进行检测，采用21组数据的标准差作为噪声水平，六种气体检测限(3σ)分别达到62.66 ppb、929.11 ppb、1494.97 ppb、212.94 ppb、1153.36 ppb和417.61 ppb。并且为了验证系统的稳定性能，进行了长时间稳定性测试，在连续8小时的测试过程中，信号抖动小于0.6 %，表明该系统具有良好的稳定性。

论文提出了一种全光型多组分气体检测光声光谱系统，采用高灵敏度悬臂梁微音器结构拾取微弱光声信号，解决了目前多组分光声光谱气体检测中存在的一些局限，具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、本征安全并能够抑制振动噪声等优点。该技术在道路施工、房屋建设、工业制造等大噪声环境背景下，对于提高光声光谱系统性能具有重要的意义。

华中科技大学下一代互联网接入系统国家工程研究中心鲁平教授和国民核生化灾害国家重点实验室助理研究员崔凌智为该论文通讯作者，博士生付陆君为论文第一作者。

文章信息

Lujun Fu, Ping Lu, Yufeng Pan, Yi Zhong, Chaotan Sima, Qiang WU, Jiangshan Zhang, Lingzhi Cui, Deming Liu. All-optical non-resonant photoacoustic spectroscopy for multicomponent gas detection based on aseismic photoacoustic cell, Photoacoustics, 2023, 34, 100571.

论文链接地址

https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100571