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哈工大研發(fā)新型石英音叉 顯著提升痕量氣體檢測性能
2025年07月30日 09:18:17
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點擊量：1444
哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬欲飛教授課題組成功研制新型四叉指石英音叉，顯著提升了激光光譜痕量氣體檢測性能。該設(shè)計通過增加叉指數(shù)量擴(kuò)大了應(yīng)力集中區(qū)域，有效提高了聲波或熱彈性波的檢測效率，并能在相同激勵下產(chǎn)生更強(qiáng)的壓電信號。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院馬欲飛教授課題組在激光光譜氣體傳感技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊成功設(shè)計出一種新型四叉指石英音叉，大幅提升了痕量氣體檢測的靈敏度和性能。相關(guān)研究成果已發(fā)表于中國科學(xué)院主管的國際學(xué)術(shù)期刊《光電進(jìn)展》(Opto-Electronic Advances, OEA)。
痕量氣體指大氣中體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于1%的氣體成分，如氮氧化物、碳?xì)浠衔锖土蚧锏取１M管含量極微，這些氣體卻與酸雨、溫室效應(yīng)及臭氧層破壞等重大環(huán)境問題密切相關(guān)。發(fā)展高靈敏度痕量氣體檢測技術(shù)，對于環(huán)境保護(hù)、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療診斷及火災(zāi)預(yù)警等領(lǐng)域具有重要意義。
當(dāng)前激光光譜氣體傳感領(lǐng)域主要采用石英增強(qiáng)光聲光譜(QEPAS)和光致熱彈光譜(LITES)兩大技術(shù)。QEPAS技術(shù)于2002年提出，突破了傳統(tǒng)光聲光譜對氣室尺寸的限制，適用于小體積樣本檢測，但其核心元件石英音叉的電極易受腐蝕性或氧化性氣體破壞。馬欲飛課題組于2018年首創(chuàng)的LITES技術(shù)則具有高靈敏度、快速響應(yīng)和非接觸式全波段檢測優(yōu)勢，與QEPAS技術(shù)形成互補(bǔ)。
為進(jìn)一步提升QEPAS和LITES系統(tǒng)的檢測靈敏度，優(yōu)化核心探測元件石英音叉成為關(guān)鍵。馬欲飛課題組創(chuàng)新性地設(shè)計出四叉指石英音叉。該設(shè)計通過增加叉指數(shù)目擴(kuò)大應(yīng)力集中區(qū)域，顯著提升了聲波或熱彈性波的檢測效率，能在相同激勵條件下產(chǎn)生更強(qiáng)的壓電信號，同時集成了低共振頻率、大叉指間距等優(yōu)勢特征。
研究人員選用乙炔作為目標(biāo)氣體進(jìn)行嚴(yán)格測試。結(jié)果顯示，基于新型四叉指音叉的QEPAS系統(tǒng)信噪比較標(biāo)準(zhǔn)雙叉指音叉系統(tǒng)提高4.67倍，配備優(yōu)化的聲學(xué)微諧振管時信噪比更可提升至147.72倍，在370秒平均時間下對乙炔的最低檢測限達(dá)到21 ppb。在LITES系統(tǒng)中，信噪比提高4.52倍，100秒平均時間下最低檢測限為96 ppb。
課題組建立的理論仿真模型有力支撐了實驗結(jié)果：QEPAS仿真中四叉指音叉最大應(yīng)力和表面電荷密度分別達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)音叉的11.1倍和15.9倍；LITES仿真中其表面溫差是標(biāo)準(zhǔn)音叉的11.4倍。該研究為開發(fā)下一代高靈敏度、小型化痕量氣體傳感器奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。
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