基于锤状沟槽型石英音叉的CO光声探测技术

李尚志,吴高米,袁宇鹏,杨 靖,张祖伟,武红鹏,董 磊,马晋毅

(1.中电科芯片技术(集团)有限公司,重庆 401332;2.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)

0 引言

CO是一种无色无味的有毒气体,主要来源于含碳燃料的不完全燃烧,包括汽车尾气、供热锅炉、发电及炼焦等,是造成大气污染的主要原因之一。CO可与羟基(OH)反应形成对流层臭氧,造成对流层污染,因此,CO体积浓度水平成为衡量大气污染程度的重要指标之一。目前环境监测站主要使用非分散红外(NDIR)技术进行大气CO体积浓度的连续监测,其体积浓度检测限为5×10-8,响应时间为5 min。因此,具备10-9级探测灵敏度和快速响应的CO传感器对于城市以及工业排放的实时监测具有重要意义。

石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种用于衡量气体传感的高灵敏度和高选择性的光谱检测技术,其核心器件是由石英音叉(QTF)和微型谐振管(AmR)通过声学耦合构成的光谱测声器[1-3]。其中AmR作为QTF的声学谐振腔,必须根据QTF的共振频率对其尺寸参数(长度和内径)进行优化,从而达到最佳的声学探测性能。由于QTF尺寸小,故QEPAS技术可实现极小体积下的高性能气体传感。CO气体分子吸收最强的基频振动带位于4.6 μm附近,这一波段的激发光可通过中红外量子级联激光器(QCL)产生,但QCL的光束发散角较大,与QTF耦合效果较差。为了实现QCL光源与QEPAS传感器的一体化集成,科研人员做了许多努力,但在系统小型化方面仍存在很多限制[3-5]。如在使用QCL作为激励光源时,需要在光谱测声器前安装空间滤波器对光束进行整形,但这将增加传感系统的体积。同时为了让中红外光束更易通过光谱测声器,要求AmR长度小,内径大,这将导致QEPAS系统的性能退化。

在QEPAS技术中,影响激光源和光谱测声器间光学耦合效率的主要因素是QTF两个振臂的间距,因为光束在传播过程中易被狭窄的间距阻挡,从而产生类条纹背景,导致QEPAS探测性能变差,如传统的共振频率为32.7 kHz的商用标准音叉,其振臂间距仅有0.3 mm。因此,在不使用空间滤波器的情况下会产生上述现象。而振臂间距较大的QTF能与内径较大的AmR耦合,从而允许中红外光束“洁净地”通过光谱测声器。此外,适当设计QTF振臂几何形状可降低其共振频率,有助于增强对CO等低弛豫率气体检测的信号强度。这是由于只有分子弛豫时间远小于调制周期时才能够产生有效声波,否则会造成QEPAS信号降低及相位延迟的情况[6]。因此,通过改变振臂的尺寸和几何形状进行QTF的设计和制作,对于不同场景下的QEPAS传感应用具有重要意义。其中最大的设计要点是获得了具有低共振频率、低电阻值及高品质因数(Q)的QTF,因为这些参数共同决定了QEPAS系统的检测性能[4,7-8]。本文提出了一种大间距、低频率、高Q值、低阻值的锤状沟槽型QTF,实现了与大发散角中红外光束的联用,然后基于该QTF搭建了高灵敏的大气CO传感系统,并通过测试验证了QEPAS系统的准确性和可靠性。

1 音叉设计分析

设计与中红外光束耦合效率高,并能在低弛豫率气体下正常工作的QTF应考虑以下4因素:

1) 振臂间距大,便于光束通过,从而降低噪声水平。

2) 共振频率低,适应低弛豫气体检测。

3) 品质因数高,提升探测性能。

4) 电阻值低,增强压电耦合。

根据欧拉-伯努利方程[9-10],QTF的基频共振频率f与其振臂参数有关:

(1)

式中:E=0.72×1011N/m2为石英的弹性模量;ρ=2 650 kg/m3为石英的密度;l为振臂长度;w为振臂宽度。

QTF的电阻R代表等效谐振电路中的损耗,它决定了压电电荷的产生能力。R与QTF振臂几何参数的关系为

(2)

式中t为振臂厚度。

Q由QTF振臂间的所有能量损耗(如由周围流体造成的损耗、支撑损耗、表面损耗、体积损耗和热弹性损耗等)机制决定。所有损耗同步产生,且每项损耗都是独立的。虽然这些损耗均强烈依赖于QTF振臂尺寸,但目前仍无任何理论模型可使用单一而简洁的公式兼顾所有的损耗机制。根据大量实验数据可得到与QTF振臂尺寸相关的经验方程[5]:

(3)

由式(1)可知,若要降低QTF的共振频率f,设计时须减小QTF振臂宽度(w)、增大振臂长度(l),但这将导致R增大,Q降低。原则上可通过增大t来补偿Q的损失,然而化学刻蚀的石英晶体在t>1 mm时,不能保证其边缘轮廓清晰。相反,增大w、减小l虽能提供良好的Q和R,但会增加QTF的共振频率。

综上分析,该文设计了一款大间距的锤状沟槽型QTF(简称为QTFTG),其结构尺寸如图1所示。图中,振臂长l、厚t、振臂间距g分别为9.4 mm、0.25 mm、1 mm,其中锤状部分振臂宽为2 mm,非锤状部分的振臂宽为1.4 mm。锤状结构的设计能增加QTF振臂顶部的质量,使振臂部分的应力场增强,进一步提升了QTF的压电转化效率。此外,在QTF振臂表面还刻蚀了4个深度为50 μm的矩形沟槽,使不同电极的间距缩短,降低了QTF的电阻值,从而增强了压电信号。在大气压下,QTFTG的共振频率、品质因数及电阻值分别为9 361.2 Hz,15 672和140.3 kΩ。

图1 锤状沟槽型音叉的结构示意图

2 QEPAS传感系统搭建

图2为基于QTFTG的CO传感系统的实验装置图。其中QEPAS光谱测声器由QTFTG和一对“在轴”配置的声学谐振管组成,即QTF垂直插入两个相同的微型管之间。光谱测声器放置在体积为130 cm3的气室中,在气室两侧各安装一个直径为∅25.4 mm、透射率95%的氟化钙光学窗口,以提供光束路径。包含光谱测声器的整个气室部分被称为光声探测模块(ADM)。本文采用中心波长为4.61 μm的QCL作为激励光源,其产生的准直激光束发散角为1 mrad,在距离1.1 m处光斑直径为∅2.7 mm。使用温度控制器和电流驱动器来控制QCL的温度和电流。利用焦距为75 mm的平凸透镜将准直光束在4.3 cm(瑞利长度)处聚焦为一个约0.20 mm2的圆形光斑,从而使激光束无阻挡地通过位于ADM内部的光谱测声器。

为提升探测灵敏度,采用了2f波长调制解调技术,将激光调制频率设置为QTFTG共振频率的1/2(f=f0/2=4.68 kHz)。待测信息经QTF压电效应被转换为电信号,并传输至跨阻抗前置放大器中,然后使用锁相放大器对该信号进行2f解调。此外,向ADM内充入2.5%的水蒸气,有效地提升了气体混合物中的CO分子弛豫率。实验时ADM中气体压力和气体流速分别保持为101.3 kPa和80 cm3/min。

3 实验结果与讨论

3.1 QEPAS系统参数优化

为达到CO传感系统的最佳性能,需要对QEPAS系统的各项参数进行优化。本文首先优化了光谱测声器中AmR的几何参数,优化过程如图3所示。由图可看出,谐振管的最佳长度和内径分别为9.00 mm和∅1.65 mm;当2根谐振管分别安装在距离QTF振臂表面20 μm、距离QTF顶部1.5 mm处时,信噪比(SNR)提升了28倍。

图4 流速及电流调制深度优化

3.2 QEPAS系统性能评估

为了验证QEPAS系统的传感性能,将激光器波长固定在气体吸收线中心,以直接测量的2f信号幅值作为时间的函数,并将采集时间设置为1 s,对大气CO进行连续在线监测。该传感系统被放置在某单位内,对2022年11月15日对该单位的CO浓度进行连续24 h的实时监测,其结果与距离该传感系统7 km处的国家环境监测站(CNEMC)公布的CO体积浓度数据对比如图5所示。CNEMC主要使用NDIR方法进行CO检测。由图5可以看出,基于QTFTG的CO传感系统测得的大气CO体积浓度变化趋势与CNEMC公布的数据非常吻合。此外,NDIR系统的数据更新率较慢(1个数据点/h),而基于QTFTG的CO传感系统的高灵敏度和快速响应能力实现了更快的采样速率,因此能够实现更高精度的CO体积浓度监测。

图5 大气CO体积浓度连续监测图

4 结束语

本文设计了一种振臂间距为1 mm的新型锤状沟槽型QTF,其共振频率为9.36 kHz,品质因数在大气压力下高达15 000。此外,振臂顶端的锤状结构和振臂表面的4个矩形沟槽能提升QTF的压电转化效率,进一步增强了QTF的探测性能。同时在添加2.5%水蒸气的情况下,新型锤状沟槽型QTF可与QCL光源联用并实现10-9级CO检测。基于该QTF的QEPAS传感系统的灵敏度比商用NDIR传感器提升了约1个数量级,比基于标准32.7 kHz商用QTF的QEPAS传感系统的灵敏度提升了约2倍。此外,该传感系统还具有响应时间快和体积小的优势。通过QEPAS传感系统进行大气CO的连续监测,并将数据与环境监测站记录的数据进行比对,验证了该传感系统的准确性和可靠性。这些特征将为QEPAS传感原理样机开发成现场应用的便携式设备提供技术基础。由于QEPAS响应与激光功率成正比,随着高功率QCL光源的高速发展,未来该技术的探测灵敏度能得到进一步提升。