基于光声光谱技术的环境污染源微量气体传感器的研究

污染源微量气体对环境造成的危害极大，对这些微量气体的检测是环境保护不可缺少的环节。针对目前微量气体传感器不能同时探测几种气体和探测灵敏度有待提高的问题，本项目拟研制一种基于激光光声光谱（PAS）技术的污染源微量气体传感器。该传感器摒弃了传统的采用分光仪分光的方法，而采用我们自行研制的高效微纳米硅光子器件- - 谐振环进行分光；并借助激光外调制技术和高转换效率光声池的设计理念，不仅在分光技术方面取得突破，实现对几种不同种类污染气体的同时测量，而且具有抗强腐蚀、测量灵敏度高（预计能达到0.1ppm量级）的特点。本项目还将深入探讨谐振环的分光机制和高效光声转换原理，探索品质因子与光声池几何结构、粘性系数和热导率等之间的内在联系，构建相应的探测气体浓度与激光发射功率的数学模型，研究高灵敏度耐腐蚀光声池的设计和优化原理，探讨光声微弱信号的采集及特征提取方法，为环境污染评价提供技术支持。

针对常规气体检测仪存在三高一低（检测气体种类少、分辨率低和实时性差、体积大）的问题，设计了基于谐振环分光技术的光声光谱微量气体探测仪，并对相关理论进行系统深入探讨。提出了一种基于微谐振环阵列分光技术的微量气体探测方法及探测器，并设计了一种双端波导-光纤耦合器高效耦合激光到光波导中，利用多个基于光波导的谐振环阵列，精确地从宽谱光源中选择所需要的多个单色光波长，同时对多个不同气体进行精确测量。系统结构简单、紧凑，测量精度高，且易于集成制造。针对待测微量气体含有多种气体成分，而且待测信号幅度极其小，属于微弱信号，常规方法难以准确判断气体的种类与浓度的问题，研发了高灵敏度多组分微量气体种类与浓度检测技术。根据光声信号转换机制，提出基于RLC模型的光声池检测理论，设计了高灵敏度高品质因素的光声池，发明了一套多组分微量气体的检测装置，避免了各种可能噪声信号的产生，能有效探测0.08ppm的气体(优于0.1ppm的预期目标)，达到了国内领先水平；针对探测后的多组分气体强噪声背景下的微弱信号放大问题，提出了一种基于阻尼扰动的Duffing方程微弱信号检测方法，并采用区域分隔方法和容错率概念，实现了系统状态的自动判别；采用变尺度差分方法的Duffing方程抗噪性能、检测精度相比于传统的Duffing方程都有很大的提高，实际测出的信号相对误差都小于5%，经放大后的信号强度比原始信号采集到的信号强度提高6个数量级，该方法具有对信号无损放大作用。针对微量气体检测有效监控，设计了基于图像处理的信号传输装置，达到实时在线监控和数据及时发布的目的。其中谐振环分光理论与方法、光声转换理论以及微弱信号特征提取与探测方法具有重要的科学价值。基于该项目研制的气体检测系统具有快速、准确、高灵敏度和耐腐蚀的特性，易于集成与小型化，对于环境污染源的检测具有重要的社会价值与经济价值。所开发的气体检测仪已经在大型企业的大气污染监测、电力变压器油中气体在线监测、矿井井下瓦斯检测等方面获得了广泛应用，产生了良好的社会和经济效益，为企业创收突破亿元。