QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究
基于石英音叉晶振的实验教学设计研究
基于石英音叉晶振的实验教学设计研究李劲松【摘要】探讨了将科研研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究,为有效推进高校教学改革提出一种新的研究途径.集学、机械和电子学及软件算法一体化,内容难度适中,知识面广阔,能够丰富教学内容和提高教学质量,激发学生学习兴趣,更好地培养学生的动手能力、思维能力和科学创新能力.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】课程设计;教学和科研;教学改革【作者】李劲松【作者单位】安徽大学,安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】O4-332015年5月4日国务院办公厅再次发布《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，该《意见》提出自2015年起全面深化高校创新创业教育改革，争取2017年取得重要进展，形成科学先进、广泛认同、具有中国特色的创新创业教育理念，形成一批可复制可推广的制度成果，普及创新创业教育，实现新一轮大学生创业引领计划预期目标。
实验教育课程作为一种全新的教学方式，具有强烈的实践性、生活性和研究探索性，对深化高校教育改革，培养新世纪复合型创新人才具有重要的意义[1,2]。
因而，在各类高校被广泛的重视和大力推广，且该类课程在各学科培养方案中的比重逐步在提高。
为此，本文以光声光谱为理论背景，开展了将科研项目研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究。
光声光谱(Photoacoustic or Optoacoustic Spectroscopy)是以美国著名科学家A.G.Bell于1880年发现的光声效应(Photoacoustic effect)为基础的高灵敏、高动态范围及仪器结构简单的光谱技术，属于光热光谱的范畴。
分子吸收特定波长的光子而被激发到高能态，紧接着通过非辐射驰豫(碰撞驰豫)过程将光能转化为热能。
样品中局域的温度变化引起压力的变化。
石英音叉扫频及性能测试教学科研系统
第39卷第1期2021年1月吉林大学学报（信息科学版）Vol.39No.1 Journal of Jilin University(Information Science Edition)Jan.2021文章编号：1671-5896(2021)01-0100-06石英音叉扫频及性能测试教学科研系统郑传涛，刘洋，闫格，胡立恩(吉林大学电子科学与工程学院，长春130012)摘要：为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数，同时服务于《高频电子线路》中R-L-C 选频电路的教学需求，促进教学与科研的充分融合，设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。
首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型，采用Matlab软件对模型做了仿真分析。
研制了跨阻放大电路，用于放大正弦激励或外加声场作用下的石英音叉输出信号。
利用锁相放大器、跨阻放大器、信号发生器、LabVIEW信号平台，建立了石英音叉扫频及性能测试系统。
利用给定的石英音叉及该测试系统，在真空封装及去除外壳两种情况下，分别测试了石英音叉的等效电学参数、谐振频率、品质因数等性能。
该系统既融合了R-L-C选频电路的基本知识，又拓展了基于石英音叉的科研应用案例。
实际应用表明，石英音叉扫频及性能测试系统满足R-L-C 选频电路的实验教学需求以及石英增强光声光谱技术的科研需要，取得了较好的教学与科研应用效果。
关键词：实验教学系统；R-L-C电路；石英音叉；石英增强光声光谱技术；LabVIEW平台中图分类号：TP37；G434文献标识码：ATeaching and Research System for Frequency Sweep andPerformance Test of Quartz Tuning ForkZHENG Chuantao,LIU Yang,YAN Ge,HU Lien(College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun130012,China)Abstract:In order to measure the resonant frequency and the quality factor of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy gas sensing system,to serve the teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit in the ourse of"high frequency electronic circuit",to and promote the full integration of teaching and scientific research,a frequency sweep and performance test experimental system for quartz tuning fork is designed and implemented.The principle of R-L-C electrical model of quartz tuning fork is firstly analyzed,and the model is simulated by Matlab.In order to amplify the output signal of a quartz tuning fork under sinusoidal excitation or external sound field,a transimpedance amplifier circuit is designed.The frequency sweep and performance test system of quartz tuning fork is established by using a lock-in amplifier,a trans resistance amplifier,a signal generator and a LabVIEW signal ing the given quartz tuning fork,the equivalent circuit model parameters,resonant frequency and quality factor are tested under vacuum packaging and shell removal.This system integrates the basic knowledge of R-L-C frequency selection circuit and expands the scientific research application cases based on quartz tuning fork.The practical application shows that the system can meet the experimental teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit and scientific research needs of quartz enhanced photoacoustic spectroscopy technology,and has achieved good teaching and research application results.收稿日期：2020-08-09基金项目：吉林大学“十三•五”本科生规划教材基金资助项目；吉林大学青年教师教学能力提升基金资助项目(2019XYB390)；吉林大学本科“创新示范课程”建设基金资助项目；吉林大学在线课程基金资助项目作者简介：郑传涛(1982-),男，河南商丘人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事电子科学与技术专业本科生与研究生理论与实验教学工作及红外激光光谱学与应用领域科研工作研究，(Tel)86-137********(E-mail)*********************.cn。
新型石英增强光声光谱技术研究
新型石英增强光声光谱技术研究科学技术的迅猛发展在推动人类社会高速进步的同时, 也在不断改变自然环境中大气的成分及各组分所占的比例。
这些改变不仅直接影响了人类的健康, 而且引起了环境及气候的变化, 诸如近年来频繁影响我国的厄尔尼诺事件、重度沙尘暴以及极端雾霾天气现象等都是环境恶化的体现。
为实现人与自然和谐相处, 使社会健康向前发展, 国家在“十三五”生态环境保护规划的通知中把控制能源消耗总量, 扩大污染物总量控制范围, 实施工业污染源全面达标排放计划作为重要的约束性指标, 而能否实时、灵敏且精确的测量大气成分的含量是这些指标能否被准确评估的关键所在。
此外, 痕量气体检测在物理、化学和生命科学等领域也都有着广泛的应用。
因此, 研发分子识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且可连续实时监测痕量气体浓度的气体传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。
在众多气体检测技术中光声光谱技术以选择性好、探测精度高、寿命长且维护费用低等特点, 成为长期以来人们从原理到应用不断进行研究的热点。
石英增强光声光谱（Quartz-enhaneed Photoacoustic Spectroscopy, 以下简称为QEPAS技术是传统光声光谱技术的新发展, 其显著特点是使用音叉形石英晶振（以下简称为石英音叉）代替传统光声光谱中的麦克风实现对微弱光声信号的探测。
该技术不但保留了光声光谱技术所具有的零背景、无波长选择性、响应信号正比于激励光功率等优点, 而且还拥有了品质因数高、响应带宽窄、对环境噪声免疫、结构紧凑以及成本低廉等特性, 因此该技术一经提出便受到了广泛的关注。
截止目前,该技术已被成功用于数十种有机或无机气体分子的高精度测量, 具有上述特点的QEPA技术非常适合发展微型便携传感器。
本文将围绕该技术的相关理论及应用展开研究,为QEPAS技术的实用化提供理论基础和技术准备。
论文从光谱测声器模块的优化设计、定制石英音叉的应用、利用光纤放大器实现痕量气体的高灵敏探测、基于QEPA信号拍频效应实现痕量气体快速连续监测等方面开展研究。
基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展
基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展佟瑶;马欲飞【摘要】石英增强光声光谱技术(QEPAS)作为一种高灵敏度的间接吸收光谱技术,目前已成为痕量气体检测领域的研究热点.本综述文章介绍了近几年具有代表性的QEPAS技术方案,从提高激光功率、增强声耦合效率以及传感器的实际应用三个角度,对比了新型结构的探测性能,分析了各结构的优势.最后,对本文中提到的QEPAS 结构进行了总结,并对QEPAS技术未来的发展进行了展望.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(032)002【总页数】8页(P34-41)【关键词】石英增强光声光谱;痕量气体检测;激光器;石英音叉【作者】佟瑶;马欲飞【作者单位】哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN2490 引言目前，痕量气体检测技术在环境监测、工业过程控制分析、火灾预警等多个领域具有广泛的应用.痕量气体检测技术分为光谱学法和非光谱学法，其中基于激光吸收光谱的光谱学检测技术具有以下优点：响应速度快，响应时间在毫秒量级；探测精度高，可达到ppbv(part per billion by volume)量级；选择性强，可实时监测等，因而成为痕量气体探测领域的重要手段[1].光声光谱技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱技术，光声效应于1880年由Bell发现并提出[2].光声效应是指当气体吸收激光辐射后跃迁至高能级，受激分子通过无辐射跃迁至低能级，将吸收的光能转化为热能，分子间产生局部的温度变化和压力变化.如果光是周期性调制的，那么产生的温度和压力的变化也是周期性的，压力的频率与激光调制频率相同，通常在声频，即产生了声波.光声光谱技术中的信号强度如.(1)式中α为吸收系数，Q为光声池的品质因数，P为激光功率，f0为谐振频率.从式(1)可以看出，光声信号与光声池的共振频率呈反比，因此可以通过采用共振频率较低的光声池来提高信号值，但如果光声池的共振频率过低，便对电子元器件1/f 噪声、环境噪声以及气流产生的噪声更加敏感，最终导致系统的信噪比较低[3].另外，光声信号和激光功率成正比，传感器探测极限可通过使用高功率激光源提高.光声光谱技术中的声波探测元件为麦克风，其Q值在40-200，共振频率为1-4 kHz.虽然麦克风的共振频率较低，但其品质因数低、体积大的特点限制了光声光谱传感器的性能和实际应用[4-6].针对麦克风的缺点以及光声光谱技术在应用上的限制，美国Rice大学的Tittel教授课题组于2002年提出了石英增强光声光谱技术(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy， QEPAS)[7].QEPAS技术采用敏锐的声换能器-石英音叉进行探测.石英音叉是由压电材料石英制成的四极振子，通常被用来作为时钟、手表以及电路中的频率基准[8-10]，且具有损耗低、体积小、成本低的优点，消除了光声光谱技术中麦克风带来的限制.石英音叉在真空下的Q值约为100000，常压下约为10000，常见的共振频率为32.768 kHz.根据积分时间公式t=Q/f0计算出常压下的积分时间为320 ms.由于t值较大，因此QEPAS传感器系统信号强度较大.另外，石英音叉对环境噪声具有很好的免疫性[11-16]，只有在响应频带内的频率分量才能有效激发石英音叉振动，而在常压下，石英音叉的响应频带宽度小于4 Hz.另外，外部声源产生的声波会对石英音叉的两个叉股分别施加相同方向的力，而音叉叉股只有向相反方向摆动时才会产生有效信号，因此，QEPAS传感器对环境噪声不敏感.由于QEPAS技术具有高选择性和高灵敏度、低成本、结构紧凑和动态响应范围大的优点，因此被广泛地应用在众多领域[17-35]，其中包括：(1)大气监测；(2)化学分析；(3)生物诊断；(4)痕量气体检测，随着气体检测需求的不断产生，不同结构的QEPAS传感器应运而生.图1 基于石英音叉的QEPAS系统图常见的基于石英音叉的QEPAS系统如图1所示.激光源多采用蝶形封装的半导体激光器，激光器的输出波长根据气体分子的目标吸收谱线进行选择，通常遵循以下三个原则：(1)具有较强的激发强度；(2)与其他背景气体谱线相分离，即无干扰项；(3)适合波长的激光光源的可获得性[36].激光波长由高频的正弦波和低频的锯齿波叠加共同调制，通过给激光器输入变化的驱动电流，使激光在目标吸收线附近的波段内进行扫描.气体分子吸收对应波长的激光能量发生光声效应，产生的声波可等效为力“推动”石英音叉叉股向相反方向摆动，跨阻抗放大器(TA)将压电效应产生的微弱电流信号(pA-nA量级)放大为电压信号，并将其传递至锁相放大器，最终解调为谐波分量信号.由于偶次谐波在吸收峰处有最大值，且随着谐波次数的增加，吸收峰处的信号值减小，因此在QEPAS技术中通常使用二次谐波进行气体浓度的反演.本文总结了近几年具有代表性的QEPAS痕量气体传感技术，主要分三个方面：(1)优化光源输出功率，提高系统信号强度；(2)优化声波探测模块，提高声波探测元件间的耦合效率；(3)从应用角度出发，结合新技术，实现痕量气体分布式测量和传感器的小型化.最后总结了QEPAS技术的发展现状并对此进行展望.1 基于高功率激发源的QEPAS传感器系统由公式(1)可知，光声光谱信号与激光源输出功率呈正比，这是因为当激发源功率提高时，可增大分子抽运速率，使得激发态的分子数增多，因而增大了通过热弛豫释放的热量，提高了声波信号强度.因此可以通过采用高功率激光器实现QEPAS传感器性能的提升.1.1 基于高功率量子级联激光器的QEPAS传感系统量子级联激光器是1994年由美国Bell实验室研制成功的，它是一种基于子带间电子跃迁的新型单极光源，电子被注入到发生激光跃迁的有源层顶部，之后纵向光的发生清空了较低的激光能级，同时电子通过遂穿进入下一层.循环此过程便在有源层内周期性地形成一系列薄层，即多个量子阱构成的超晶格结构[37].量子级联激光器的输出波长仅与有源区量子阱的厚度有关，现有的量子级联激光器的输出波长覆盖了3.4-17 μm[38].2013年，美国Rice大学的马欲飞等人使用美国西北大学研制的输出波长为4.61 μm的高功率连续波分布反馈式量子级联激光器作为QEPAS传感器的光源[39].激光器输出特性如图2所示，在工作温度为10 ℃，工作电流为1250 mA时，激光器的输出功率为987 mW.使用共振频率为32.768 kHz的石英音叉，对位于2169.2 cm-1处的一氧化碳(CO)R分支的R(6)吸收谱线进行了探测，向目标气体中添加水汽加快分子的弛豫速率后，实现了1.5 ppb量级的探测极限.图2 高功率连续波分布反馈式量子级联激光器输出特性[20]1.2 基于掺铒光纤放大器的QEPAS传感系统在QEPAS技术中，蝶形封装或者TO封装的单纵模分布反馈式半导体激光器因为体积小、成本低的特点常被作为光源，然而这样的激光器输出功率较低(<50 mW)，限制了传感器的性能.光纤放大器作为一种全光放大器件，在光纤的纤芯中掺杂稀土离子可以起到使泵浦光放大的作用，具有高增益、宽带宽、低噪声的优点.常用的光纤放大器是掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA).当有合适的种子激光注入时，掺铒光纤放大器可以实现30 dB的增益放大[40,41].文献[40]中，使用EDFA将激光功率由80.6 mW放大为1402 mW，实验装置如图3(a)所示，以位于6320.6 cm-1处的硫化氢(H2S)为目标，在1个标准大气压以及1 s的积分时间内，实现的最小探测极限为734 ppb，归一化噪声等效吸收系数为9.8×10-9 cm-1W·Hz1/2，将积分时间提升至67 s时，系统的最小探测极限改进至142 ppb.该实验还测试了不同功率下的信号峰值并进行拟合，结果如图3(b)所示，得到的线性拟合系数为0.999，表征着采用光纤放大器的QEPAS传感器浓度线性响应度良好.图3 基于EDFA的QEPAS传感器装置图与浓度线性响应度测试结果[40]1.3 本节小结本节介绍了通过提高输出功率进而提升系统的探测极限，其中包括采用高功率量子级联激光器以及采用光纤放大器对半导体激光输出功率进行放大，表1总结并对比了两个系统的参数与性能.量子级联激光器由于其结构复杂、生长层次繁多、成本高等特性，限制了它的可获得性.掺铒光纤放大器具有高增益、低噪声、偏振无关等优点，但在使用掺铒光纤放大器时应注意非线性效应和光浪涌等问题.归一化噪声等效吸收系数表征了传感器的探测性能，其值越小，系统的探测性能越好.对比本节提到的两个系统可以看出，使用高功率量子级联激光器和掺铒光纤放大器均可以获得优异的探测性能.表1 高功率激光源的QEPAS系统参数与性能对比表[39-41]目标探测气体输出功率/mW最小探测极限/ppbv归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·Hz1/2文献[39]CO9871.51.6× 10-8文献[40]H2S14021429.8×10-9文献[41]NH31000418.43.83×10-8注：ppbv:part per billion by volume,10-9.2 声耦合增强型QEPAS传感器系统为了进一步增强声波信号强度，可在石英音叉两端外加微共振腔，让声波在微共振腔的作用下形成驻波，使微弱的光声信号得到增强.信号增强的幅度与微共振腔的尺寸和放置的位置有关，到目前为止，常见的微共振腔形式有两种，一种为“共轴”形式，另一种为“离轴”形式.为了避免产生光热效应，标准的调节方法是将激光光束完全无遮挡的通过共振腔和音叉叉股.图4 共轴式QEPAS系统结构示意图与声波强度分布模拟图[42]2.1 共轴式QEPAS探测系统在“共轴”式QEPAS系统中，微共振腔由两个不锈钢细管组成，分别放置在石英音叉的两端，激光束穿过这两个细管和音叉的叉股，共轴式微共振腔耦合声波探测模块结构如图4(a)所示.2010年，美国Rice大学的董磊研究了不同尺寸共振管耦合下的QEPAS系统，研究显示共振管长度为λs/4<L<λs/2时(λs为声波波长)[42-44]，微共振腔的信号增强效果较好，声波信号分布如图4(b)所示.通过耦合不同尺寸的金属管，得到了增强效果最好时的共振管尺寸参数，即长度为4.4 mm，内径为0.6 mm，外径为0.71 mm，音叉与共振管端面的距离为30-50 μm.相比于裸石英音叉，添加共振管后信号最大增强30倍.同时，石英音叉与共振腔的耦合使声波探测模块的品质因数减小，响应时间缩短了8-10倍.由于共轴式QEPAS具有较好的信号增强效果，很多研究均采用共轴式共振管增强的方式[7,23,36,45-51].2.2 离轴式QEPAS探测系统尽管共轴式的结构对信号增强效果较好，但仍然存在以下缺点：(1)共振腔由两个共振管组成，因此调节装配较为困难；(2)石英音叉叉股的间隙通常为300 μm，限制了共振管的内径，进而限制了射入共振腔的激光能量.针对上述的限制，刘锟提出了离轴式声波微共振腔[52].在离轴式QEPAS结构中，微共振腔仅由一个不锈钢细管组成，在细管的中间位置加工出设有宽度为0.15±0.02 mm的细槽(如图5(a)所示)，用来出射声波，方便音叉进行探测.在尝试了如图5(b)、5(c)和5(d)三种摆放位置后，发现图5(b)的增强效果最佳，即音叉的叉股间隙对准共振管的细槽平行放置时，该结构的增强效果分别是裸音叉的15.7倍和共轴式QEPAS的4.5倍，以水汽为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为5.9×10-9 cm-1W·Hz1/2.注：(a)离轴式音叉和共振腔示意图；(b)-(d)离轴式结构音叉与共振管的空间位置示意图图5 离轴QEPAS示意图[52]2.3 单管共轴式QEPAS探测系统声波在共振腔中形成驻波，共振腔的总长应为λs/2，但由于音叉位于共振腔的中心，音叉与共振腔间的间隙改变了驻波的模式，因此在传统的双管共轴QEPAS系统中，共振管的最佳长度L为λs/4<L<λs/2.减少音叉和共振管之间的间隙，有助于提高QEPAS信号强度，因此可以采用单共振管代替传统共轴式的双共振管.在单管共轴式QEPAS系统中，在金属管两侧加工出一段小孔，声波通过小孔泄露出来，推动音叉叉股进行摆动.由于常见的标准音叉叉股间隙只有300 μm，不利于单共振管的加工和装配，因此采用定制的大间隙石英音叉，对这种单管共轴式QEPAS系统的信号增强效果进行测试[53]，图6(a)为共振管与音叉的位置示意图，图6(b)和6(c)分别为传统双管共轴与单管共轴的声学耦合驻波强度模拟示意图.单管共轴QEPAS结构具有较高的耦合效率，这种结构相比于裸音叉提高了两个数量级，且这种方法相比于传统的共轴式更易进行激光准直.以CO2气体为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为1.21×10-8 cm-1W·Hz1/2.注：(a)单管共轴QEPAS声波探测模块示意图;(b)传统共轴声波强度分布模拟图;(c)单管共轴声波强度分布模拟图图6 单管共轴式QEPAS声波探测系统示意图[53]图7 基于两个音叉的M-QEPAS探测模块示意图[54]2.4 基于多音叉的QEPAS传感系统基于多音叉的QEPAS传感系统(Multi-QEPAS，简称M-QEPAS)中，声波将同时由N个音叉探测，单个石英音叉产生的电流信号叠加后的有效信号为原来的N倍，噪声为原来的N倍，因此信噪比提升为原来的N1/2倍.2015年，哈尔滨工业大学的马欲飞等人报道了基于双音叉的M-QEPSAS传感系统[54]，两个共振频率为32.76 kHz的石英音叉垂直反向放置，装置如图7所示，以水汽为目标气体，测得的信号与单个石英音叉相比信号提升了1.7倍.该方法验证了多音叉对系统信噪比的提升效果，后续可以通过增加音叉的数量实现信号的进一步提高.2.5 本节小结本节总结了通过增强声波耦合效率对系统探测能力进行提高的四种结构，其中包括三种微共振腔增强型以及一种多音叉增强型QEPAS传感系统.表2对这四种结构的探测性能进行了对比总结.可以看出采用低共振频率石英音叉的单管共轴型QEPAS系统共振管长度较大，调节光路时比较困难，共振管容易遮挡光束能量，导致系统噪声水平提高.离轴结构在光路调节时比较容易，光束几乎可以无遮挡的通过共振管，但离轴型的声波耦合增强水平较差.综合来看，传统双管共轴型的QEPAS系统的增强效果最好.表2 四个结构的参数与性能对比表[42，52-54]目标探测分子外径/mm内径/mm 管长/mm信噪比归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·H1/2Z共轴型C2H20.710.64.427503.3×10-9离轴型H2O0.70.458187005.9×10-9单管共轴型CO20.90.65385541.21×10-8双音叉型H2O------8805.95×10-83 实用化QEPAS传感系统3.1 基于光纤倏逝波的QEPAS传感器传统的QEPAS技术只能进行单点的浓度探测，很难实现远距离多点的分布式测量.光纤倏逝波是指光源发出的光在纤芯中传播时，在纤芯和包层交界处发生全反射，但有部分激光能量渗透到包层中、且以指数衰减的能量场称为倏逝波.将光纤锥置于石英音叉的叉股之间，气体分子吸收倏逝场的能量并产生声波，得到基于光纤倏逝波的QEPAS技术[55]，由于光纤倏逝波的功率随着光纤直径的减小而增大，因此光纤的拉锥处的直径需要足够小(<2 μm)才能获得较强的倏逝波场.采用熔融拉锥法对单模光纤进行多级拉锥，光源发出的激光经过3 km长的单模光纤，将拉锥处放于石英音叉的叉股之间进行探测.三个光纤锥的直径分别为1.67、1.77、1.12 μm，各光纤锥的参数如表3所示.光纤倏逝波的QEPAS技术具有抗电磁干扰、低插入损耗和光学易对准的优点，另外可以通过减少光纤锥的直径进一步提高传感器的探测性能.表3 三个光纤锥的特性参数[55]光纤锥光纤锥直径/μm倏逝波场功率/mW 探测极限/ppmv归一化噪声等效吸收系/cm-1W·Hz1/211.6749.8303.55×10-621.7728.52513.52×10-631.1276.87133.66×10-6注：ppmv:part per million by volume,10-6.3.2 3D打印的QEPAS传感器图8 3D打印模块设计图与实物图[56]实际应用中，传感器应该具有体积小和重量轻的特点，然而，传统QEPAS技术使用了很多光学透镜用来进行激光束的准直和传输，这导致了QEPAS传感器结构不稳定且系统体积较大[56].2018年，哈尔滨工业大学马欲飞等人利用3D打印技术制造了一个体积为29×15×8 mm3的声波探测模块，采用直径为1.8 mm的光纤耦合输出的梯度折射率透镜(Grin透镜)进行激光的聚焦[57].在这个传感器系统中，光纤、Grin透镜、石英音叉、声耦合器都集成在3D打印的声波探测模块中(26,27)，3D打印技术中QEPAS传感器的设计图与加工实物图如图8所示，声波探测模块的质量仅为5 g.3.3 本节小结本节从传感器的实际应用角度出发，介绍了两种新型的QEPAS 传感系统.表4总结了光纤倏逝波QEPAS传感技术和基于3D打印技术的QEPAS传感技术的探测性能，可以看出基于3D打印技术的QEPAS传感系统不仅具有质量轻和体积小的优势，还具有非常灵敏的探测性能.而光纤倏逝波型QEPAS传感技术则可以实现远距离分布式气体浓度测量.表4 实用化QEPAS传感系统参数与性能对比表[55,57]目标探测气体最小探测极限归一化噪声等效吸收系数/ cm-1W·Hz1/2探测距离光纤倏逝波型C2H213 ppmv3.66 × 10-63 km3D打印传感器HCN29 ppbv1.08 × 10-8点测量4 总结与展望本综述文章对近几年新提出的基于石英增强光声光谱(QEPAS)的气体传感器技术进行了讨论和总结.QEPAS技术可以通过提高激发源的功率和优化声波探测结构实现传感器性能的提升.因此，在中红外波段采用量子级联激光器实现激光功率的提高；而在近红外波段，采用掺杂稀土元素的光纤放大器实现功率的放大.优化声波探测系统结构主要集中在添加声波共振管及多音叉结构两个方向，根据声波共振管的数量以及与音叉的放置位置不同分为双管共轴型、单管共轴型以及离轴型.其中双管共轴型QEPAS应用最为广泛，且当共振管长度为λs/4< L<λs/2时，声波增强效果最好.多音叉结构理论上可将信噪比放大为单音叉结构的N1/2倍.光纤倏逝波QEPAS技术实现了痕量气体的远距离分布式探测，且具有低插入损耗，光学易对准的优点.从气体传感器的实用性角度出发，基于3D打印技术的QEPAS传感具有质量轻、体积小、功耗低的优势.以上这些改进方法让基于QEPAS技术的痕量气体传感器应用在更广泛的领域成为可能.后续可以采用以下方法进一步改善QEPAS传感器的探测性能：(1)优化石英音叉所在气室的压强，石英音叉的共振频率与品质因数均与压强有关，因此优化压强将会实现传感器系统信号的提升；(2)优化声波微共振腔的结构及参数；(3)从学科交叉与技术应用的角度出发，实现QEPAS 技术的实用化.参考文献【相关文献】[1] Galli I，Bartalini S，Borri S，et al.Molecular gas sensing below parts per trillion：radiocarbon-dioxide optical detection[J].Phys Rev Lett，2011，107(27)：4.[2] Bell A G.On the production and reproduction of sound by light：Thephotophone[J].Am J Sci，1880，20：305-324.[3] Vincenzo S，Cinzia D F，Angela E，et al.Photoacoustic techniques for trace gas sensing based on semiconductor laser sources[J].Sensors，2009，9(12)：9616-9628. 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音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究
音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究李彪; 董磊; 武红鹏【期刊名称】《《光谱学与光谱分析》》【年(卷),期】2019(039)010【总页数】5页(P3056-3060)【关键词】石英增强光声光谱; 石英音叉; 光学气体传感器; 痕量气体检测【作者】李彪; 董磊; 武红鹏【作者单位】山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原 030006; 极端光学协同创新中心山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】O433.1引言痕量气体检测在大气监测、国防科研、能源化工、医疗诊断多个领域均有广泛的应用。
研发分子识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且可连续实时监测痕量气体浓度的传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。
光声光谱技术是众多气体检测技术中的一种，该技术以高选择性、高探测精度、长寿命以及低成本等特性成为长期以来人们研究的热点。
光声光谱技术是一种成熟的气态物质检测技术[1-3]，传统光声光谱传感器中的测声模块由光声池和麦克风构成。
然而光声池较大的几何尺寸使传统光声光谱传感器无法实现结构紧凑的设计；此外光声池共振频率一般较低(f0<2 kHz)且与环境噪声频率存在重叠区间，这使得传统光声光谱极易受到环境噪声的干扰[4]。
为解决上述问题，美国莱斯大学激光应用研究小组于2002年提出了石英增强光声光谱(QEPAS)技术[5]，该技术使用体积小巧的音叉式石英晶振(QTF)代替光声池和宽频域麦克风完成光声信号的收集。
由于商用QTF 的共振频率(f0=32.768 kHz)远高于常见环境噪声频率并且当两振臂对称性振动时QTF才能基于石英材料的压电特性产生压电信号因此商用QTF的使用使QEPAS 系统对环境噪声具有很好的免疫力。
此外，微型谐振腔以及谐波调制解调技术的使用进一步提高了基于QEPAS技术的系统探测灵敏度，例如QEPAS技术对CH3OH气体的探测归一化噪声等效吸收系数可达10-11 cm-1·W·Hz-1/2。
光纤型石英增强光声光谱技术研究
光纤型石英增强光声光谱技术研究近年来,随着工业化进程的加速,人类活动对大气环境的影响越来越明显。
随着激光器件的研究进步以及激光光谱技术的发展,使得利用激光光谱式手段来进行痕量气体检测成为了一个热点研究发展方向。
其中,石英增强光声光谱技术(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)以其独特的优势,已成为光谱式痕量气体检测技术研究领域的重要分支。
在传统的QEPAS技术系统中,常采用一组准直聚焦透镜来实现激励光源的光路传输,然而光学准直聚焦系统由于其结构稳定性不佳、组合透镜的尺寸难以减小等缺点,使得系统难以适应一些空间狭小、恶劣等特殊环境的应用要求。
针对这一现状,本文采用光纤束来代替传统光学准直聚焦系统,对光纤型QEPAS系统展开研究。
本文首先对石英增强光声光谱技术的基本原理以及基础理论作出介绍。
简要介绍了气体红外吸收的基本原理,分析了光声效应以及传统光声光谱技术,同时对石英增强光声光谱的典型系统与实现过程作了详述。
最后,针对该技术核心元器件石英音叉研制材料的基本特性以及它在电路系统中的电学特性作了简要介绍。
其次,对QEPAS系统中的激光波长调制技术进行了理论计算。
结合气体红外吸收的基本理论,经过一系列公式推导,得到了系统二次谐波信号与激光波长调制深度的变化规律。
同时,利用有限元软件COMSOL Multiphysics对光纤横截面的光场分布进行模拟,计算出光纤倏逝场的功率比例。
理论仿真计算结果表明:系统存在一个最佳的调制深度,同时随着光纤直径的减小,光纤倏逝场会逐渐增强。
最后,对全光纤结构的QEPAS技术进行了实验研究。
并提出了利用光纤分束器建立多点测量光纤QEPAS系统研究方案,成功实现了痕量气体的空间多点分布测量。
接着开展了光纤倏逝波QEPAS技术的实验研究,并提出了利用单束多锥区光纤分别建立多点倏逝波QEPAS技术实验研究方案,最终成功实现了痕量气体的多点空间分布测量。
光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术
光纤倏逝波型石英增强光声光谱技术何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【摘要】In a conventional system of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy (QEPAS), the size of block-like optical collimation focusing lens group is difficult to reduce, and the structural stability is poor, which makes it hard to adapt itself to some special conditions, such as narrow space and vibrating circumstance. Based on this situation, in this research the fiber evanescent wave technique is combined with QEPAS. Therefore, trace gas detection for acetylene (C2H2) based on an all-fiber structural QEPAS system is developed. To obtain the characteristics of fiber evanescent wave, the optical distribution of micro structural fiber is simulated and the evanescent wave power ratio is calculated based on the COMSOL Multiphysics software. In order to increase the QEPAS 2f signal amplitude, the optical path between fiber taper and quartz tuningfork(QTF)and the laser wavelength modulation depth are optimized. In addition, two kinds of QTFs with different resonant frequencies are optimized. Finally,a QTF with a lower resonant frequency of 30.720 kHz is adopted as the acoustic wave transducer, and a minimum detection limit (MDL) of 6.25×10?4(volume fraction)is obtained with a laser wavelength modulation depth of 0.24 cm?1. To investigate the evanescent wave power of micro structural fiber, the fiber taper diameter is measured by a scanning electron microscope. Subsequently, by combining the diameter of fiber taper with the theoretical calculation results, we determine anevanesc ent wave power of 455.9 μW, and the normalization of noise equivalent absorption (NNEA) which indicates the sensor sensitivity is4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.%采用块状光学准直聚焦透镜组的传统石英增强光声光谱(QEPAS)技术存在体积难以缩减,结构稳定性不佳,无法适应空间狭小、振动复杂的特殊环境等缺点.基于此,将光纤倏逝波技术与QEPAS技术相结合,提出了一种新型微纳结构光纤QEPAS痕量气体检测技术.实验中,为了提高QEPAS系统信号幅值,优化了石英音叉与激光束的空间位置、激光波长调制深度,同时对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终采用共振频率较低的30.720 kHz石英音叉作为声波探测元件,获得的检测极限为6.25×10?4(体积分数),归一化噪声等效吸收系数为4.18×10?7cm?1·W·Hz?1/2.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)002【总页数】8页(P26-33)【关键词】痕量气体检测;石英增强光声光谱;光纤倏逝波【作者】何应;马欲飞;佟瑶;彭振芳;于欣【作者单位】哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001【正文语种】中文1 引言近年来,人类的活动对环境中各种痕量气体种类以及浓度的影响在持续增加,如大气中的温室气体臭氧(O3)、酸雨催生气体氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2),体积分数为10−12—10−6量级,这些气体的浓度上升直接使环境发生改变[1,2].同时,随着工业化进程的加速,工业生产过程中产生的各种痕量气体,如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4),会对人类自身的安全造成影响.因此,对痕量气体进行精确的测量变得十分紧迫.随着激光技术以及光谱技术的不断发展,采用光谱学方法对痕量气体进行测量成为了热点.其中,激光吸收光谱法气体检测技术具有种类鉴别性好、探测灵敏度高、能够实现在线测量等优点,近年来发展迅速.在众多光谱测量技术中,石英增强光声光谱(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)作为一种新型光声光谱探测技术[3],具有更加鲜明的优势.QEPAS技术采用石英音叉(quartz tuning fork,QTF)作为声波探测元件,石英音叉具有体积小、品质因数高、价格低廉等诸多优点[4,5].目前,QEPAS技术被广泛应用于多种痕量气体的检测研究中[6−11].在传统QEPAS技术中,常采用一组块状光学透镜将激光束聚焦穿过石英音叉叉股间隙,因此,这部分光路存在结构稳定性欠佳、探测单元的尺寸难以缩小等缺点,这些因素在一定程度上限制了该技术的实际应用.光纤具有结构稳定、体积小、传输损耗低等一系列优点,在QEPAS技术中有潜在的应用优势[12].本文采用全光纤传输结构,利用光纤倏逝波技术,开展光纤倏逝波型石英增强光声光谱痕量气体检测技术研究.乙炔(C2H2)气体是变压器绝缘油中的溶解气体之一,是表征电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量[13],同时也是聚乙烯生产线上乙烯气流中的污染物之一[14],因此,选择C2H2气体作为测量对象.该研究对C2H2气体浓度的高灵敏度、快速测量在变压器故障诊断、环境监测等领域具有重要意义.2 光纤倏逝场计算倏逝场是指当光以全反射的方式在不同折射率的界面传输时,会有微量的光波渗透到另一折射率介质中,形成一种趋于指数衰减的电磁场,其渗透深度与光波长相当.而在光纤中,光波于纤芯中传输,在纤芯与包层界面发生全反射,因此在光纤包层靠近界面处也会有一部分呈指数衰减的电磁场.光纤倏逝场基本结构如图1所示,将光纤进行相应的处理,可将其直径缩小至与光波长相当,即所谓的微纳结构光纤,于是在光纤与空气的界面处会有一部分光渗透到空气中,这便是光纤倏逝波.若将微结构光纤置于目标探测气体环境中,渗透到空气中的倏逝场就会与周围的介质发生相互作用,本研究正是要利用这种倏逝波作为QEPAS系统中气体吸收的激励源.图1 光纤倏逝场示意图Fig.1.Schematic of fi ber evanescent wave.图2 光纤截面的求解模型Fig.2.Solving model of fi ber interface.图3 不同光纤直径下的截面光场分布(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0,neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514Fig.3.The optical fi eld distribution for different fi ber diameters:(a)D=1.2µm,m=0,neff=1.265727;(b)D=1.0µm,m=0,neff=1.218575;(c)D=0.8µm,m=0, neff=1.152950;(d)D=0.6µm,m=0,neff=1.070514.为掌握微结构光纤中的光场分布以及光纤界面外空间中的光功率分布与大小比例,利用基于有限元分析法的COMSOL Multiphysics软件对光纤的光场分布进行模拟分析以及光功率的理论计算.理论模拟过程中利用COMSOL Multiphysics软件的频域分析功能,首先对光纤结构进行建模,该求解模型为图2所示的两个同心圆,其中,小圆表示光纤截面,外圆表示空气层,模拟的光纤直径为0—3µm,空气层直径为10µm(因为倏逝场渗透深度为光波长量级),折射率分别为1.4378和1.建模完成后,对模型进行精细的网格划分,选择求解模式,由传输激光波长(1.53µm)设置模式分析频率,并以光纤折射率(n=1.4378)为模式的基准点,随后选择物理场与变量,进行计算求解.最终计算直径D=0—3µm范围内的光场分布,部分结果如图3所示.图3中,黑色线圈表示包层与空气层的界面,m表示光的传输模式,neff表示有效折射率,图中光纤直径依次为1.2,1.0,0.8,0.6µm.从计算得到的光纤横截面光场分布可以看出,随着光纤包层直径的减小,溢出光纤包层的光场在空气中的深度增大,同时空气中的光场逐渐变强,即包层直径越小,溢出到空气中的倏逝场越强.根据模拟计算得到的光场结果,利用COMSOL Multiphysics软件的数据后处理,计算不同包层直径下倏逝场的功率与激光总功率之比,最终得到的结果如图4所示.图4 不同光纤直径下的倏逝场功率比例Fig.4.Power fraction of the evanescent wave as a function of fi ber diameter.从图4可以看出,当光纤包层直径大于2µm后,空气中倏逝场的功率大小变化缓慢,在总的光场中所占比例小于10%.而QEPAS技术中,由于信号强度与光场功率成正比,因此,为了增大信号强度,得到更优异的探测极限,拉锥后的光纤直径不宜大于2µm.3 实验装置3.1 激光波长调制深度分析为了便于后续信号处理及增大信噪比,拟采取波长调制及谐波探测的方案[15],这就意味着用低频锯齿波电流使激光器扫描经过整个吸收线,同时用高频正弦波信号对激光器波长进行调制.调制深度是指激光波长调制系数χ与待测目标气体吸收谱线线宽Δγ的乘积.气体吸收系数表达式为式中C为气体浓度,N0为总粒子数密度,S为气体吸收谱线强度,g(v)为标准化线性函数,α0=CN0S/(πγline)为谱线中心吸收系数,x=(v−v0)/γline为无量纲激光波数.当采用频率为ωχ的正弦波进行调制时,x还可以表示为式中ϕ表示采用正弦波调制频率为ωχ时的相位差,改写吸收系数公式,对其进行傅里叶分解,则其中各项傅里叶系数的表达式为在光声光谱技术中,常以二次谐波信号作为被探测的值,其表达式为式中fχ=ωχ/(2π)为调制频率,k为系统转换常数,Ccell为探测器转换系数.由于SPA,2fχ表达式中隐含了χ参量(即隐含了调制深度参量),因此通过优化调制深度便可对QEPAS系统二次谐波信号值进行优化.3.2 实验装置在光纤倏逝波型QEPAS技术实验研究中,设计的实验系统结构如图5所示,系统的控制电路部分主要由波长调制和信号放大解调模块组成,并由电脑通过LabVIEW上位机软件进行操控.由于QEPAS系统信号强度与石英音叉共振频率f0成反比[16],因此,与常见QEPAS技术中共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉不同,实验选用共振频率f0为30.720 kHz的石英音叉.在波长调制技术中,一个正弦波调制周期内激光波长两次经过吸收谱线,因此产生的信号频率是正弦波调制频率的2倍,所以当调制频率f为石英音叉共振频率f0的1/2时,石英音叉能够形成共振,进而产生最大的二次谐波信号,实验中石英音叉参数测定的共振频率f0为30716 Hz,因此正弦波频率f设定为f=f0/2=15358 Hz.锯齿波驱动电流作用是使激光器输出激光扫描经过一段特定的波长,覆盖气体吸收峰,实验中设定的锯齿波频率为1/60 Hz.激光激励源选择1.53µm的连续波分布反馈式(DFB)半导体激光器.该半导体激光器通过光纤输出并连接拉锥后的单模光纤(康宁标准SMF-28e+).将光纤锥区放置于石英音叉叉股之间.整个探测单元(包括石英音叉(QTF)和光纤锥区)放置于气室中.光纤锥区与石英音叉相对位置的局部放大如图5右上侧所示.激光经光纤锥区输出后由功率计接收并检测,该功率计用以实时监测光纤的输出功率,可以测量激光经光纤锥区后的功率损耗情况.实验中,10 MΩ的跨阻抗放大器(TA)将石英音叉探测到的电流信号转化为电压值,锁相放大器用此电压信号解调出二次谐波分量(2f).实验中所用的测量气体为体积分数为2%的C2H2(以N2为背景气体).图5 实验系统结构示意图Fig.5.Schematic of QEPAS system.4 实验结果和分析首先对光纤锥在石英音叉叉股间隙处竖直方向上的位置(Y)进行了优化研究,结果如图6所示.从图中可以看到,当Y＜0.5 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而迅速增大.当0.5 mm ≤Y≤0.9 mm时,2f信号强度处于最优范围内.当Y＞0.9 mm时,QEPAS系统2f信号强度随着Y的增大而逐渐变小.实验结果表明,QEPAS 系统2f信号强度随着Y的变化而发生改变,这主要是因为Y值过小时,作用在石英音叉上的声波能量会有损失(部分声波从音叉叉股上部溢出),而当Y值过大时,声波作用在石英音叉上的等效力矩将会减小,致使石英音叉叉股摆动幅度变小.在后续的实验中,为了获得最强的2f信号幅值,Y值设定为0.7 mm.图6 QEPAS 2f信号幅值随音叉竖直方向位置的变化Fig.6.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of Y.优化光纤锥与石英音叉的相对位置后,进一步通过实验对激光波长调制深度进行优化,实验结果如图7所示.从图中可以看出,系统存在最佳调制深度,根据结果选择的激光波长最佳调制深度为0.24 cm−1.作为对比,实验还对相同条件下、共振频率f0为32.768 kHz的石英音叉进行了研究.最后,向QEPAS系统气室中通入高纯气体N2,并将其测量值作为噪声数据.两种音叉情况下的2f信号波形以及对应的噪声值如图8(a)和图8(b)所示.从图中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉所对应的系统具有更高的2f信号幅值.同时,从噪声测试结果中能够看出,两系统的噪声值基本相当.经计算,f0为30.720和32.768 kHz的石英音叉对应系统的QEPAS信号幅值分别为0.075和0.068 mV,系统探测极限(MDL,用体积分数表示,下同)分别为6.25×10−4和6.90×10−4.由此可见,共振频率较低的石英音叉对应的QEPAS系统能够获得更高的2f信号幅值.根据实验得到的相关参数进行计算,表1列出了该系统的各参数指标,从中可以看出,共振频率为30.720 kHz的石英音叉更适合用于光纤倏逝波QEPAS技术.图7 QEPAS 2f信号幅值随调制深度的变化Fig.7.Amplitude of QEPAS 2f signal as a function of modulation depth.在QEPAS系统中存在一个评价传感器指标的重要参数,即系统的归一化噪声等效吸收系数(NNEA),这是表征传感器检测灵敏度的一个重要参数.NNEA的计算公式为,其中α为气体吸收系数,由系统探测极限经HITRAN数据库计算得到,P为气体吸收峰处的激光功率,Δf为锁相放大器带宽.在NNEA的计算过程中,需要确定激发探测气体的激光功率,即光纤倏逝场的激光功率.根据第1节的理论模拟计算结果(图4)可知,如果获得光纤锥的直径便可得到倏逝场功率比例,因此,利用扫描电子显微镜(SEM)测量光纤直径,拍摄的光纤锥图像如图9所示.测量得到光纤锥直径为1.77µm,根据理论模拟计算结果可知光纤锥对应的倏逝场比例为9.7%.经实验测量,半导体激光器输出功率为6 mW,通过光纤锥后的激光功率为4.7 mW,光纤锥传输损耗为1.06 dB,进一步计算可得光纤锥的倏逝场功率为455.9µW.最终得到系统的归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2.图8 不同共振频率f0下QEPAS系统的2f波形及噪声值 (a)2f信号波形;(b)纯N2条件下实验的噪声值Fig.8.2f signal amplitude and noise of QEPAS system with different resonant frequencies:(a)Amplitude of 2f signal;(b)determined noise in pure nitrogen environment.图9 扫描电子显微镜拍摄的光纤锥Fig.9.SEM image of fi ber taper.表1 不同石英音叉共振频率下系统的探测性能Table 1.Experimental results for QTFs with different resonant frequencies.5 结论将光纤倏逝波技术应用于QEPAS技术中,搭建了全光纤结构的QEPAS测量系统.理论模拟计算了光纤倏逝场的光场分布以及倏逝场功率之比,优化了光束与石英音叉的空间位置、激光波长调制深度,对比了两种不同共振频率的石英音叉,最终在较低共振频率30.720 kHz的石英音叉的实验研究中获得了6.25×10−4的探测极限,计算得到的系统归一化噪声等效吸收系数为4.18 × 10−7cm−1·W·Hz−1/2. 与传统块状光学系统相比,该光纤倏逝波型光路结构有效缩小了QEPAS系统探测单元的体积,提高了系统工作稳定性,有利于QEPAS痕量气体检测技术的实用化.参考文献[1]Khalil M A K,Rasmussen R A 1984 Science 224 54[2]Logan J A,Prather M J,Wofsy S C,McElroy M B 1981 J.Geophys.Res.86 7210[3]Kosterev A A,Bakhirkin Y A,Curl R F,Tittel F K 2002 Opt.Lett.27 1902[4]Liu K,Li J,Wang L,Tan T,Zhang W,Gao X M,Chen W D,Tittel F K 2009 Appl.Phys.B 94 527[5]Ma Y F,Lewicki R,Razeghi M,Tittel F K 2013 Opt.Express 21 1008[6]Zheng H,Yin X,Zhang G F,Dong L,Wu H P,Liu X L,Ma W G,Zhang L,Yin W B,Xiao L T,Jia S T 2015 Appl.Phys.Lett.107 221903[7]Ma Y F,He Y,Zhang L G,Yu X,Zhang J B,Sun R,Tittel F K 2017Appl.Phys.Lett.110 031107[8]Liu K,Zhao W,Wang L,Tan T,Wang G,Zhang W,Gao X,Chen W 2015mun.340 126[9]Dong L,Yu Y J,Li C G,So S,Tittel F K 2015 Opt.Express 23 19821[10]Ma Y F,He Y,Yu X,Chen C,Sun R,Tittel F K 2016 Sensor.Actuat.B 233 388[11]Ma Y F,Yu X,Yu G,Li X D,Zhang J B,Chen D Y,Sun R,Tittel F K 2015 Appl.Phys.Lett.107 021106[12]Ma Y F,He Y,Yu X,Zhang J B,Sun R 2016 Appl.Phys.Lett.108 091115[13]Marshall S T,Schwartz D K,Medlin J W 2009 Sensor.Actuat.B 136 315[14]Miller K L,Morrison E,Marshall S T,Medlin J W 2011 Sensor.Actuat.B 156 924[15]Webber M E,Pushkarsky M,Patel C K N 2003 Appl.Opt.42 2119[16]Ma Y F,Yu G,Zhang J B,Yu X,Sun R,Tittel F K 2015 Sensors 15 7596。
激光激励下石英音叉的振动分析与测量_马斌山_贾书海_张周强_陈花玲
臂上端。仿真结果如图6所示，发现施加力的石英 音叉叉臂和不施加力的石英音叉叉臂产生的变形
不一致，施加力的石英音叉叉臂产生的振幅为
1.29×10-15 m，不施加力的石英音叉叉臂产生的变形 为1.14×10-15 m.
石英音叉叉臂尖端振幅与产生的压电电压之间有
如下关系 [10]
V（x,y）= uL
3 2
但是，国内对于石英增强光声光谱的研究主要
集中于痕量气体检测中，将石英音叉用于远距离光 声光谱检测中的研究并不多见，痕量气体检测中将 光强经过调制的激光汇聚后通过石英音叉臂之间 的缝隙，由于缝隙中的气体吸收激光后产生周期性
膨胀，从而激励石英音叉产生振动 [3−6] ，而光声光 谱遥测装置中直接将被测物体的反射光汇聚后照 射到石英音叉上，由激光的热效应激励起石英音叉 振动。两者激励方式的差异导致不能直接将痕量气 体检测中的结论用于光声光谱遥测，因此，为了探 究光声光谱遥测中石英音叉的激振原理与特性，本 文简化了远距离光声光谱探测中的光路，就简化后 光路中石英音叉的振动进行了理论分析与实验检
图 3 石英音叉结构示意图
图 1 光声光谱遥测原理
2 石英音叉振动测量原理
鉴于上述原因，探究在调制光直接激励下石英 音叉的振动原因，并对其进行测量，对光声光谱遥 测技术的研究具有重要意义。为了对这一问题进行 探究，本文对光声光谱遥测的光路做了适当修改， 暂时先不考虑被测物质，直接将调制后的激光照射 到石英音叉上激励起石英音叉振动，这样做与光声 光谱遥测中石英音叉的激振原理一致，只是由于没 有被测物质对激光的反射与收集环节，所以，照射 到石英音叉上的光功率比较大，更容易激励起石英 音叉振动，石英音叉输出的信号也比较大，但是这 种区别并不影响对激光激励下石英音叉振动原理 的研究。经过修改后的试验系统如图 2 所示。
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QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究程刚;曹渊;刘锟;曹亚南;田兴;陈家金;杨刚;高晓明【摘要】对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算,获得石英音叉前6阶振型与模态频率,认知了第4阶对称摆动振型为有效振动,利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、音臂宽度w1、音臂厚度t、音臂切角θ、音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率(Fre)的影响,敏感度依次为:l1>w1>d>θ>t>h,考虑实际设计情形,筛选出了l1,w1,d与h四个石英音叉设计变量,采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法,以Fre为函数目标,建立l1,w1,d与h的二次回归响应面模型,得到了参数之间的交互作用,利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求,结果表明,在15000 Hz≤Fre≤25000 Hz计算区域内误差较小,基本满足QEPAS系统的计算需求,所提出的研究与设计方法具有一定通用性,可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】8页(P31-38)【关键词】光声光谱;石英音叉;模态;实验设计;响应面法【作者】程刚;曹渊;刘锟;曹亚南;田兴;陈家金;杨刚;高晓明【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室 ,安徽淮南 232001;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031【正文语种】中文【中图分类】Q433.1引言痕量气体的探测在工业生产、环境监测、生物医学等领域有着广泛的应用。
痕量气体检测时必须具有高灵敏度、高选择性、快速响应和实时非破坏的测量特点。
随着激光技术与弱信号检测技术的发展与创新应用，光声光谱现已成为一种有效的、有潜力的痕量气体检测方法，与传统的吸收光谱技术，如TDLAS(tunable diode laser absorption spectroscopy)相比，光声光谱技术具有背景信号低、探测器与波长无关、线性度好、响应范围宽、系统体积小等优点。
光声光谱通常采用麦克风或石英音叉来探测光声信号的，但麦克风式易受到外界声波的干扰，石英音叉式由于利用共振原理产生信号，因而可以避免上述问题，相比而言，石英音叉式并具有体积更小、有效性好等优点，该技术被称为石英音叉增强型光声光谱技术(quartz enhanced photoacoustic spectroscopy，QEPAS)。
当前，国内外学者已对QEPAS系统做出了一定的研究，文献[1]，美国Rice大学Frank.Tittel小组最先提出QEPAS，并进行了系统性的研究；文献[2-3]基于QEPAS技术对H2O，HCl 等进行过探测并构建了多音叉增强光声光谱系统(Multi-QEPAS)；文献[4-5]针对双声波谐振器(AMRS)QEPAS系统进行了研究，以不同光波长对多组分气体进行快速探测；文献[6-7]基于石英音叉基频与泛频特性提出了新型的QEPAS气体探测方法，实现了痕量气体的实时连续探测；文献[8]提出并研究了离轴式QEPAS技术，并获得了装置系统的最优化参数；文献[9]将QEPAS结合数字频率锁定技术建立了一套气体实时探测系数，利用3f信号作为误差反馈信号，保证了长时间检测准确度且提高了工作效率；文献[10]对QEPAS装置中不同功率激光器和空气阻尼对音叉共振特性的影响进行了研究分析。
上述文献主要以QEPAS理论为基础，围绕对系统探测方法、提高探测的准确度与效率进行了研究，相关成果为QEPAS提供了重要的设计依据，然而，QEPAS是以石英音叉共振机理为设计基础的，石英音叉作为关键性部件，其共振特性对系统起着至关重要的作用，QEPAS系统目前普遍采用32.768 kHz的石英音叉来研发设计，石英音叉的结构单一化和共振特性的单一性，在一定程度上局限了QEPAS探测系统的设计宽度，目前针对QEPAS石英音叉共振特性与结构参数设计的研究资料较少，本文将针对QEPAS石英音叉结构振动特性进行系统性研究，为设计新型石英音叉以及QEPAS创新设计提供依据与借鉴。
1 QEPAS系统与石英音叉模型QEPAS由激光器、函数发生器、激光控制器、石英音叉、跨阻抗放大、锁相放大器、采集系统等组成，其探测过程是一个光热效应的过程，系统原理如图1所示。
QEPAS通常采用波长调制的二次谐波探测技术，利用石英音叉共振频率的1/2的正弦波调制激光，待测气体分子吸收光能引起受热膨胀，激发石英音音叉的共振产生压电效应，通过解调换算进而反演待测气体浓度等敏感信息。
QEPAS系统通常采用的石英音叉实物及模型如图2所示，照片实物石英音叉系日本KDS公司生产，出厂标定共振频率为32.768 kHz，如图2(a)所示，由于模型尺寸较小，为保证测量准确性，本文采用数字显微镜进行定标测量，如图2(b)所示。
图1 QEPAS系统探测原理示意图Fig.1 Schematic diagram of QEPAS图2 QEPAS石英音叉实物及模型图(a)：数字显微镜下石英音叉实物图；(b)：三维模型Fig.2 Quartz tuning fork and the model of QEPAS(a): Real map of quartz tuning fork observed under digital microscope; (b): Three-dimensional model2 模态计算与分析2.1 模态分析基本理论在结构模态分析中，计算自由振动位移时，需要考虑阻尼的影响，而本文仅考察石英音叉结构的固有模态频率，因而只求解适应于无阻尼模态求解，无阻尼模态求解是经典的特征值问题，由振动学理论可知，无阻尼的n自由振动微分方程一般形式为[11](1)式(1)中，mij=mji，kij=kji，可写成(2)设式(2)的解为xi=Ai(sinωnt+φ) (i=1, 2，…，n)(3)假设石英音叉发生振动时偏离平衡位置作自由振动时，各xi在同一频率ωn，同一相位角φ作自由振动，式中Ai表示xi的振幅，式可用矩阵表示为(4)式(4)中是一组Ai的n元线性齐次方程组，其非零解的条件为系数行列式等于零，展开后可得的n次代数方程(5)对于石英音叉振动系统仅在平衡位置附近作微小振动来说，从式(5)中可解出的n 个大于零的正实根，也就是多自由度系统各阶固有频率的平方值，一般情况下，这n个频率值互不相等，将各个固有频率按照从小到大的顺序排列为0<ωn1<ωn2<…ωnn-1<ωnn(6)其中最低固有频率ωn1称为第一阶模态固有频率或称基频，后面依次为第二阶、第三阶模态固有频率等。
2.2 有限元仿真网格无关性验证基于所建立的石英音叉三维模型，本文采用有限元方法对石英音叉进行模态仿真计算。
在有限元仿真中，网格划分至关重要，它在一定程度上影响着仿真结果的准确性。
石英音叉三维模型较为简单，拟采用相同网格尺寸进行划分，在网格划分中，保证模型的最小几何体尺寸上不少于两层的划分，保证高效的仿真同时尽可能地将网格划细，为验证所划网格密度对计算结果的影响性，以几何体最小尺寸与网格单元大小的无纲量比值C为参照，以石英音叉能产生压电效应的对称振型模态频率值进行分析对比，模型材料属性与约束条件为：石英音叉材料主要成份为SiO2，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.17，密度为2 300 kg·m-3，对石英音叉实加基座底面约束。
C=xmin/xwmin(7)式(7)中，C为无量纲比值；xmin为几何体最小尺寸，mm；xwmin为网格单元大小，mm。
网格划分无关性验证如图3所示，正方形标记点上方数据为其网格单元数目，图中C步长取0.5，为体现差异性，仿真中依然给出了无量纲比值等于1情况下的网格划分及其结果。
从图中可知，除C=1时情况与其他结果略有差异外，其余网格划分情况下所仿真的结果差异非常微小，仅为0.02%，并且在无量纲比值为3.5后计算结果趋于稳定状态，由此考虑，在石英音叉的模态仿真计算中，网格划分可按C=2进行计算即能保证可靠的精度与计算效率，C=2时的网格划分情况如表1所示。
图3 网格划分无关性验证Fig.3 Unrelated validation of grid partition表1 C=2的网格划分情况Table 1 Grid partition of C=2网格类型雅可比点单元大小/mm公差/mm单元总数最大高宽比例实体网格40.120.0068 8994.52.3 仿真结果与分析模态计算结果中，低阶振型对模型振动影响较大，由文献[12]可知，石英音叉的振动形式分为对称振动与非对称振动，石英音叉为对称振型式的振动视为有效振动，即能激发有效压电效应。
本文选取石英音叉的前6阶振型与模态频率值，依据上节分析方法进行仿真模拟，石英音叉前6阶模态分析结果如图4所示，本文所研究的石英音叉有效振动在前6阶振型中为第4阶振型，从仿真结果中可知，石英音叉的前4阶模态均为摆动振型，第1和3阶摆动振型为沿整体沿同一方向摆动，第2和4阶摆动振型为双臂交错式对向摆动，第5和6阶模态均为扭动振型，第5阶扭动振型为整体扭动，第6阶双臂交错式扭动；从第4阶模态计算频率为31 322 Hz，石英音叉仿真结果如表2所示，与出厂标定值误差仅为4.6%，原因可能在于测量误差、制造误差和仿真误差，但总体说明仿真结果与实际比较吻合，证明了所建模型准确性与仿真方法的有效性，因而通过仿真实验可以为石英音叉后续大规模的设计实验提供帮助。
图4 石英音叉前6阶模态振型图Fig.4 The first 6 modals’ shapes of the quartz tuning fork表2 石英音叉前6阶模态仿真结果与分析Table 2 Simulation results of thefirst 6 modesof quartz tuning fork阶数模态频率/Hz振型标定值/Hz误差/%16 443单向摆动--212 435交错摆动--326 334单向摆动--431 322对称摆动32 7684.6537 978弯曲扭动--664 433交错扭动--3 模态频率影响因素分析石英音叉由压电材料石英晶体制作而成，通常采用蚀刻技术对石英音叉的结构进行切型加工，石英音叉作为QEPAS系统中的敏感性元件，探讨石英音叉的低阶有效共振频率与其结构形状和几何因素之间的关系甚为重要，几何尺寸的改变会引起其低阶有效共振频率阶数的变化，因而在仿真中要注意筛选。