基于錘狀溝槽型石英音叉的CO光聲探測技術

李尚志,吳高米,袁宇鵬,楊 靖,張祖偉,武紅鵬,董 磊,馬晉毅

(1.中電科芯片技術(集團)有限公司,重慶 401332;2.山西大學 激光光譜研究所,量子光學與光量子器件國家重點實驗室,山西 太原 030006)

0 引言

CO是一種無色無味的有毒氣體,主要來源于含碳燃料的不完全燃燒,包括汽車尾氣、供熱鍋爐、發電及煉焦等,是造成大氣污染的主要原因之一。CO可與羥基(OH)反應形成對流層臭氧,造成對流層污染,因此,CO體積濃度水平成為衡量大氣污染程度的重要指標之一。目前環境監測站主要使用非分散紅外(NDIR)技術進行大氣CO體積濃度的連續監測,其體積濃度檢測限為5×10-8,響應時間為5 min。因此,具備10-9級探測靈敏度和快速響應的CO傳感器對于城市以及工業排放的實時監測具有重要意義。

石英增強光聲光譜(QEPAS)技術是一種用于衡量氣體傳感的高靈敏度和高選擇性的光譜檢測技術,其核心器件是由石英音叉(QTF)和微型諧振管(AmR)通過聲學耦合構成的光譜測聲器[1-3]。其中AmR作為QTF的聲學諧振腔,必須根據QTF的共振頻率對其尺寸參數(長度和內徑)進行優化,從而達到最佳的聲學探測性能。由于QTF尺寸小,故QEPAS技術可實現極小體積下的高性能氣體傳感。CO氣體分子吸收最強的基頻振動帶位于4.6 μm附近,這一波段的激發光可通過中紅外量子級聯激光器(QCL)產生,但QCL的光束發散角較大,與QTF耦合效果較差。為了實現QCL光源與QEPAS傳感器的一體化集成,科研人員做了許多努力,但在系統小型化方面仍存在很多限制[3-5]。如在使用QCL作為激勵光源時,需要在光譜測聲器前安裝空間濾波器對光束進行整形,但這將增加傳感系統的體積。同時為了讓中紅外光束更易通過光譜測聲器,要求AmR長度小,內徑大,這將導致QEPAS系統的性能退化。

在QEPAS技術中,影響激光源和光譜測聲器間光學耦合效率的主要因素是QTF兩個振臂的間距,因為光束在傳播過程中易被狹窄的間距阻擋,從而產生類條紋背景,導致QEPAS探測性能變差,如傳統的共振頻率為32.7 kHz的商用標準音叉,其振臂間距僅有0.3 mm。因此,在不使用空間濾波器的情況下會產生上述現象。而振臂間距較大的QTF能與內徑較大的AmR耦合,從而允許中紅外光束“潔凈地”通過光譜測聲器。此外,適當設計QTF振臂幾何形狀可降低其共振頻率,有助于增強對CO等低弛豫率氣體檢測的信號強度。這是由于只有分子弛豫時間遠小于調制周期時才能夠產生有效聲波,否則會造成QEPAS信號降低及相位延遲的情況[6]。因此,通過改變振臂的尺寸和幾何形狀進行QTF的設計和制作,對于不同場景下的QEPAS傳感應用具有重要意義。其中最大的設計要點是獲得了具有低共振頻率、低電阻值及高品質因數(Q)的QTF,因為這些參數共同決定了QEPAS系統的檢測性能[4,7-8]。本文提出了一種大間距、低頻率、高Q值、低阻值的錘狀溝槽型QTF,實現了與大發散角中紅外光束的聯用,然后基于該QTF搭建了高靈敏的大氣CO傳感系統,并通過測試驗證了QEPAS系統的準確性和可靠性。

1 音叉設計分析

設計與中紅外光束耦合效率高,并能在低弛豫率氣體下正常工作的QTF應考慮以下4因素:

1) 振臂間距大,便于光束通過,從而降低噪聲水平。

2) 共振頻率低,適應低弛豫氣體檢測。

3) 品質因數高,提升探測性能。

4) 電阻值低,增強壓電耦合。

根據歐拉-伯努利方程[9-10],QTF的基頻共振頻率f與其振臂參數有關:

(1)

式中:E=0.72×1011N/m2為石英的彈性模量;ρ=2 650 kg/m3為石英的密度;l為振臂長度;w為振臂寬度。

QTF的電阻R代表等效諧振電路中的損耗,它決定了壓電電荷的產生能力。R與QTF振臂幾何參數的關系為

(2)

式中t為振臂厚度。

Q由QTF振臂間的所有能量損耗(如由周圍流體造成的損耗、支撐損耗、表面損耗、體積損耗和熱彈性損耗等)機制決定。所有損耗同步產生,且每項損耗都是獨立的。雖然這些損耗均強烈依賴于QTF振臂尺寸,但目前仍無任何理論模型可使用單一而簡潔的公式兼顧所有的損耗機制。根據大量實驗數據可得到與QTF振臂尺寸相關的經驗方程[5]:

(3)

由式(1)可知,若要降低QTF的共振頻率f,設計時須減小QTF振臂寬度(w)、增大振臂長度(l),但這將導致R增大,Q降低。原則上可通過增大t來補償Q的損失,然而化學刻蝕的石英晶體在t>1 mm時,不能保證其邊緣輪廓清晰。相反,增大w、減小l雖能提供良好的Q和R,但會增加QTF的共振頻率。

綜上分析,該文設計了一款大間距的錘狀溝槽型QTF(簡稱為QTFTG),其結構尺寸如圖1所示。圖中,振臂長l、厚t、振臂間距g分別為9.4 mm、0.25 mm、1 mm,其中錘狀部分振臂寬為2 mm,非錘狀部分的振臂寬為1.4 mm。錘狀結構的設計能增加QTF振臂頂部的質量,使振臂部分的應力場增強,進一步提升了QTF的壓電轉化效率。此外,在QTF振臂表面還刻蝕了4個深度為50 μm的矩形溝槽,使不同電極的間距縮短,降低了QTF的電阻值,從而增強了壓電信號。在大氣壓下,QTFTG的共振頻率、品質因數及電阻值分別為9 361.2 Hz,15 672和140.3 kΩ。

圖1 錘狀溝槽型音叉的結構示意圖

2 QEPAS傳感系統搭建

圖2為基于QTFTG的CO傳感系統的實驗裝置圖。其中QEPAS光譜測聲器由QTFTG和一對“在軸”配置的聲學諧振管組成,即QTF垂直插入兩個相同的微型管之間。光譜測聲器放置在體積為130 cm3的氣室中,在氣室兩側各安裝一個直徑為?25.4 mm、透射率95%的氟化鈣光學窗口,以提供光束路徑。包含光譜測聲器的整個氣室部分被稱為光聲探測模塊(ADM)。本文采用中心波長為4.61 μm的QCL作為激勵光源,其產生的準直激光束發散角為1 mrad,在距離1.1 m處光斑直徑為?2.7 mm。使用溫度控制器和電流驅動器來控制QCL的溫度和電流。利用焦距為75 mm的平凸透鏡將準直光束在4.3 cm(瑞利長度)處聚焦為一個約0.20 mm2的圓形光斑,從而使激光束無阻擋地通過位于ADM內部的光譜測聲器。

為提升探測靈敏度,采用了2f波長調制解調技術,將激光調制頻率設置為QTFTG共振頻率的1/2(f=f0/2=4.68 kHz)。待測信息經QTF壓電效應被轉換為電信號,并傳輸至跨阻抗前置放大器中,然后使用鎖相放大器對該信號進行2f解調。此外,向ADM內充入2.5%的水蒸氣,有效地提升了氣體混合物中的CO分子弛豫率。實驗時ADM中氣體壓力和氣體流速分別保持為101.3 kPa和80 cm3/min。

3 實驗結果與討論

3.1 QEPAS系統參數優化

為達到CO傳感系統的最佳性能,需要對QEPAS系統的各項參數進行優化。本文首先優化了光譜測聲器中AmR的幾何參數,優化過程如圖3所示。由圖可看出,諧振管的最佳長度和內徑分別為9.00 mm和?1.65 mm;當2根諧振管分別安裝在距離QTF振臂表面20 μm、距離QTF頂部1.5 mm處時,信噪比(SNR)提升了28倍。

圖4 流速及電流調制深度優化

3.2 QEPAS系統性能評估

為了驗證QEPAS系統的傳感性能,將激光器波長固定在氣體吸收線中心,以直接測量的2f信號幅值作為時間的函數,并將采集時間設置為1 s,對大氣CO進行連續在線監測。該傳感系統被放置在某單位內,對2022年11月15日對該單位的CO濃度進行連續24 h的實時監測,其結果與距離該傳感系統7 km處的國家環境監測站(CNEMC)公布的CO體積濃度數據對比如圖5所示。CNEMC主要使用NDIR方法進行CO檢測。由圖5可以看出,基于QTFTG的CO傳感系統測得的大氣CO體積濃度變化趨勢與CNEMC公布的數據非常吻合。此外,NDIR系統的數據更新率較慢(1個數據點/h),而基于QTFTG的CO傳感系統的高靈敏度和快速響應能力實現了更快的采樣速率,因此能夠實現更高精度的CO體積濃度監測。

圖5 大氣CO體積濃度連續監測圖

4 結束語

本文設計了一種振臂間距為1 mm的新型錘狀溝槽型QTF,其共振頻率為9.36 kHz,品質因數在大氣壓力下高達15 000。此外,振臂頂端的錘狀結構和振臂表面的4個矩形溝槽能提升QTF的壓電轉化效率,進一步增強了QTF的探測性能。同時在添加2.5%水蒸氣的情況下,新型錘狀溝槽型QTF可與QCL光源聯用并實現10-9級CO檢測。基于該QTF的QEPAS傳感系統的靈敏度比商用NDIR傳感器提升了約1個數量級,比基于標準32.7 kHz商用QTF的QEPAS傳感系統的靈敏度提升了約2倍。此外,該傳感系統還具有響應時間快和體積小的優勢。通過QEPAS傳感系統進行大氣CO的連續監測,并將數據與環境監測站記錄的數據進行比對,驗證了該傳感系統的準確性和可靠性。這些特征將為QEPAS傳感原理樣機開發成現場應用的便攜式設備提供技術基礎。由于QEPAS響應與激光功率成正比,隨著高功率QCL光源的高速發展,未來該技術的探測靈敏度能得到進一步提升。