CO2是大气的重要组成成分, 也是现代化工业社会过多燃烧煤炭、 石油和天然气的产物。 一方面大量的人源排放CO2进入大气是引发温室效应最主要因素, 另一方面, CO2是窒息性气体, 在封闭环境积累过高的CO2会导致窒息等安全问题。 因此发展小型化、 高灵敏度的CO2检测技术在大气环境探测、 封闭环境工作区域安全监测等方面具有重要意义和应用需求。 利用近年来快速发展的小型化石英音叉谐振增强光声光谱技术, 采用相对简单的离轴结构方案, 开展了探测CO2的研究。 离轴石英音叉增强型光声光谱技术具有探测模块体积小、 灵敏度高、 抗干扰、 成本低、 功耗低, 对激光器要求低等优点, 在发展低功耗便携式气体传感器方面具有巨大的潜力。 近年来, 尤其是随着近红外激光器技术的逐渐成熟, 为离轴石英音叉增强型光声光谱技术提供质量更好、 能量更高的激励光源, 使得离轴石英音叉增强型光声光谱检测技术具有更高的探测灵敏度, 实现了在低浓度下对气体进行精确的检测。 通过HITRAN 2012分子光谱数据库筛选出适合探测的谱线, 选择2.004 μm近红外分布反馈式半导体激光器作为激励光源, 通过波长调制方式来激发CO2光声信号, 并采用二次谐波检测技术实现光声信号的探测。 实验中通过对进样CO2气体加湿、 优化调制振幅等方式提高检测性能, 实现了空气CO2的探测。 在常压下, 通过配气仪配置不同浓度的CO2样品, 开展了浓度与信号的响应特性研究, 获得了良好的线性响应结果。 同时也开展了相同浓度CO2样品在不同压力下的信号测量研究, 并用Allan方差对系统性能进行评估。 结果表明, 当平均时间为1 000 s时, 系统的探测极限为4×10-3 μL·L-1, 在压力150 Torr时可获得最佳的测量信号, 常压下系统对CO2的最小探测灵敏度为15 μL·L-1, 相应的归一化噪声等效吸收系数为7.33×10-9, 在150 Torr下最小探测灵敏度为6 μL·L-1。

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测, 实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术, 是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外, 还具有信号只跟样品光吸收有关, 不受散射光影响, 零背景,信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和**危化品检测等领域得到了越来越多的应用, 呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术, 近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍, 并分析了其应用前景和未来发展趋势。

针对光声光谱多通道气溶胶检测系统存在结构复杂、体积较大和难以集成的问题,提出了一 种可以产生多通道参数可调脉宽调制(PWM)波的集成调制信号发生系统的设计方案。该系统是基于STM32 处理器和LabVIEW程序来实现的,它通过产生多路频率和幅值可调的PWM信号,实现对多通道光声光谱的同步调制,其具体指标为:幅 值0～9 V连续可调,频率1～72 MHz连续可调,扫频频率550～6000 Hz连续可调。实验表明采用可调PWM波集成系统的多 通道光声光谱系统运行可靠、工作稳定且操作简易,信号与商业信号发生器调制的结果一致,证明了所设计多通道调制器的可行性和可 靠性。所提出的设计方案可为光声光谱或其他光谱类检测系统的集成设计提供参考与借鉴。