基于光声光谱的微量气体检测实验设计与实现

王晓娜，陈 珂，周新磊，于清旭

（1. 大连理工大学 物理学院，辽宁 大连 116024；

2. 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁 大连 116024）

微量气体检测技术在大气环境监测、人类疾病的医学呼出气诊断、植物生理学研究以及国家安全领域等方面扮演着重要的角色[1-3]。常用的微量气体检测技术主要有气相色谱技术、质谱技术、电子气体传感技术、化学发光分析技术及激光光谱技术等[4-5]。近年来，作为吸收光谱技术中的一种，气体光声光谱技术因为其超高的检测灵敏度、快时间响应、可连续采样、能实时监测、以及体积小成本低等优点，得到国内外学者的广泛关注，是微量气体检测领域的前沿技术之一[6-9]。

大连理工大学光信息与科学技术实验室在微量气体的光声光谱检测技术方面做了大量的研究工作，并取得了较好的研究成果[10-16]。为将最新科技研究热点融入教学，改进已有实验教学内容，以实验室的最新研究成果为基础，为学生精心设计了“基于光声光谱的微量气体检测技术”的实验教学项目。本实验教学项目将为学生提供一个新的现代光学技术实验平台，能让学生从实践的角度学习掌握激光原理、激光技术、分子光谱和光谱分析等技术和知识，加深学生对现代光学技术的掌握深度，并培养、训练学生的创新思维与科研能力。

1 光声光谱原理

光声光谱气体检测技术基于气体的光声效应实现对浓度的定量测量，系统基本结构如图1所示，在特定波长的调制光辐射的作用下，光声池中的待测气体分子吸收光能量后被激发到高能级，在无辐射跃迁过程中将能量转化为平动能，引起气体温度和压强的改变，进而产生声波信号，即光声信号[17]。光声信号的激发和探测过程是一个电、光、热、声的能量转换过程，如图2所示。

图1 光声光谱气体检测系统基本结构图

图2 光声信号的激发和探测过程

系统中传声器探测到的光声信号的大小S可用下式表示：

式中，sm为传声器的探测灵敏度，Pl为光声激发光功率，F是光声池的池常数，c是样品气体浓度，α是待测气体对应吸收谱线的吸收系数。

2 总体设计方案

光声光谱微量气体检测系统如图3所示，主要包括中红外激光光源、光声池、光学斩波器、锁相放大器以及计算机。宽带可调谐CO2激光器输出的红外激光，经过斩波器的强度调制后耦合至共振式光声池中；光声池中的待测气体分子在调制激发光的作用下产生光声压力波；根据传声器探测到的光声信号的幅度反演出光声池中待测气体的浓度信息。图4为该实验系统的实物图。

图3 光声光谱微量气体检测系统结构示意图

图4 光声光谱微量气体检测系统实物图

3 主要功能单元

光源、光声池、控制系统、信号采集与处理系统是光声光谱气体检测系统的核心部分，它们的性能直接决定了气体检测的灵敏度和精度。

3.1 可调谐CO2激光器

图5 可调谐CO2激光器结构示意图

本实验中使用实验室自制的宽带可调谐CO2激光器作为光源，其基本结构如图5所示。CO2激光器主要由谐振腔、气路控制系统、高压电源、控制与监测系统等组成。谐振腔由超低热膨胀系数的殷钢腔架、放电管、全反镜、光栅、可调光阑组成。激光器的放电管由高纯度石英玻璃加工制成。两个阳极处于放电管两端，阴极在放电管中间。混合气体经过特殊设计的“蛇形管”后流入放电管中，这种特别的设计使得气体沿着放电管的切线方向进入“蛇形管”后，形成一个“旋转的气体柱”，这样，气体能够得到更充分的冷却。气体流经放电管，在另一端抽走，此过程中光轴与气流、电流方向一致。气体流动的目的是补充新鲜的工作气体，并排除CO2与电子碰撞时分解出来的CO。激光器采用高压直流放电激励的方式。激光电源的输出电流对激光器的正常工作影响很大，而且当激光电源输出电流太大时，可导致放电管中气体温度上升，从而降低输出激光的光功率。激光器采用高压直流放电激励的方式，放电电流密度和谐振腔内气体压强存在最佳值，使得输出功率最大。随着电流密度的增加，激光上能级激发速率加快，但此时温度的升高又会增加激光下能级粒子数密度，降低激光转换效率，因而存在电流最佳值。同样，气体压强增高时，一方面由于气体分子密度增加使反转集居数增加；另一方面，气体分子间的加速碰撞会阻碍热量向管壁的传递，从而导致气体温度升高，降低激光输出效率，所以也存在最佳值。实验表明，电流密度与压强的最佳值几乎与放电管直径成反比。实验中放电电流及气体压强的最佳值也作为实验内容的一部分让学生自己调节、获得，以加深其对CO2激光器结构及工作原理等知识的理解。

实验中的待测气体为乙烯（C2H4），其吸收谱和CO2激光器的输出光谱图如图6所示（图中C2H4吸收线在上，CO2辐射带在下）。可以看出，C2H4的吸收带与 CO2激光器的辐射带恰好存在重合，因此 C2H4分子可以吸收经调制的CO2激光而激发产生光声信号。

图6 C2H4吸收谱及其与CO2激光器的辐射带重合情况

3.2 光声池的设计

气体光声光谱系统中使用的光声池通常按照工作模式被分为非共振式和共振式两类。共振式光声池的结构相对复杂，但声波的共振增强效应和较高的工作频率对于改善信噪比有显著的作用，因此能够获得更高的气体检测灵敏度，并且光声池中两端的缓冲室设计可以大幅减小窗片吸收产生的固体光声信号，以及从进气口和出气口耦合的环境噪声的影响，从而可以实现对气体的连续流动采样检测。

实验中光声信号的激发、累积和拾取是在如图 7所示的一阶纵向共振式光声池（图7中的一阶纵向共振池）中进行的。该典型设计以两端带有缓冲室的H形腔体结构为主要特征，由于当激光调制频率等于光声池的共振频率时，光声信号在光声池内形成驻波，其波腹位于光声池的中间位置。因此，传声器（微音器）安装于光声池的中间处。配合光束质量较好的相干光源使用，对 C2H4的极限检测灵敏度可达 10-9量级甚至更高。

光声池为圆筒状腔体结构，黄铜材质具有导热系数高的优点。光声池的入射端配有氟化钙光学窗片（图7中布儒斯特窗），另一端安装镀有高反射金膜的反射镜，使激光在其表面发生反射，双程光吸收进一步增强光声信号的幅度。外圆柱状腔体中的光声共振管的共振频率仅与光声池的尺寸和结构有关。针对不同的实验气体，共振管的材质也各不相同，对于吸附性较强的气体，聚四氟乙烯材料的共振管较为合适。本实验所测的气体为乙烯气体，没有强吸附性，因而本文使用噪声更低的铜材质作为共振管（外表面镀金膜）。共振管的两端配有缓冲室（图7中的λ/4陷波滤波器，尺寸：φ50 mm×50 mm），能够大幅减小流动气体对光声测量的影响。光声池内壁经抛光处理，可以有效减小因池壁吸收产生的固体光声效应引起的干扰。

图7 高灵敏度一阶纵向共振光声池典型结构

3.3 激光控制系统设计与开发

激光器的控制系统是激光器的重要组成部分，它对于激光器的稳定运行及方便学生操作具有重要意义。采用单片机进行系统的底层控制和监测。控制系统主要功能包括：（1）激光工作气体控制与监测；（2）激光电源电流控制与监测；（3）谐振腔的控制。图 8是控制系统的实物图。

图8 激光控制系统实物图

激光工作气体（CO2）首先经过电磁截止阀，主控电路板可以通过继电器控制电磁截止阀的状态。单片机接收到从上位机发出的设置某一路气体流量的命令后，通过数模转换芯片即可对气体质量流量控制器进行设置，以此来控制气体的流量。此外，通过读取气体质量流量控制器的输出电压值，并将此数据发送到上位机，以实时监测气体的流量。

激光电源是气体激光器的关键部件之一，其目的在于实现在一定气压下，大体积内工作气体的长时间均匀稳定的连续辉光放电，尽可能地提高放电的均匀性和稳定性，延长工作气体的使用寿命，有效地防止弧光放电。本系统中的激光器采用高压直流放电激励的方式。激光电源的输出电流对激光器的正常工作影响很大，而且当激光电源输出电流太大时，可导致放电管中气体温度上升，从而可降低输出激光的光功率。因此需要对激光电源的输出电流及放电管的管压降进行实时有效地监控。控制系统可以依靠单片机的自动控制性能，对某些操作进行自动控制与操作，增加对系统控制的灵活性，而且操作人员还可方便地通过计算机控制界面对整个控制系统进行有效的控制。另外，为了保证激光器的稳定运行，必须对激光器进行实时的监测。本系统中起辉电压在5000～6000 V之间，工作电流在4～10 mA之间。

谐振腔中光束有横模和纵模两种模式。本激光器中，在谐振腔中加入小孔光阑选出基横模。对于纵模选择，采用反射光栅作为谐振腔的一个反射镜，只有某个波长的光束可以在谐振腔内产生振荡，从而实现单纵模工作，此时谐振腔工作处于自准状态，零级为激光谱线的输出，单片机控制步进电机转动光栅后改变入射角，即可改变激光振荡波长，从而实现对波长的大范围调谐，并且保持激光光束的输出方向不变。

3.4 数据采集和信号处理软件

采用 LabVIEW 平台开发数据采集和信号处理软件，主要完成与单片机的通信、气路控制、激光电源控制、数据采集与信号处理等功能。仪器控制部分包括对激光器放电电流、气体流量及激光器开关的控制，控制界面如图 9(a)所示。数据采集与信号处理部分包括对激光器输出谱线功率及光声信号的采集，显示界面如图 9(b)所示，激光器输出谱线功率的采集用来对光声信号做归一化处理，以降低由于激光输出功率波动对气体浓度检测造成的影响，提高测量精度。

图9 基于LabVIEW的数据采集和信号处理软件的控制界面和显示界面

4 实验数据及处理

4.1 调制频率的确定

实验中，首先要求学生确定最佳调制频率，只有当调制频率和光声池的共振频率相同时才能激发出最强的声波信号，提高测试灵敏度。本实验设计用于测量微量乙烯（C2H4）气体，通过调节斩波器的斩波频率，测得光声信号幅度与斩波频率的关系如图10所示，实验结果表明当斩波频率为1.596 kHz时，可以获得最大的光声信号。

图10 光声信号幅度与斩波频率的关系

4.2 光声信号与气体浓度关系的标定

在最佳调制频率确定后，实验需测试不同浓度的C2H4气体与其光声信号幅度的关系。不同浓度的乙烯气体用纯度为 99.999%的高纯氮气稀释来获得，实验结果如图11所示。

图11 光声信号幅度与乙烯体积分数的关系

线性拟合结果表明，标定的乙烯气体的线性度均在 0.999以上，从而在实际测量中，根据检测到的光声信号可以反推出对应C2H4浓度。

5 结语

本文依据大连理工大学光信息科学与技术实验室的最新科研成果，设计了一套全新的实验教学系统——光声光谱微量气体检测。该实验教学项目更新并充实了现有实验教学内容，将最前沿的科技研究热点问题融入教学，很好地激发了学生学习专业知识的积极性和主动性。本文的研究希望能为各兄弟院校在实验教学方面提供有益的参考。