基于多通T型共振增强差分赫姆霍兹光声传感技术的超灵敏气体检测与噪声抑制研究

为解决传统赫姆霍兹光声池(PA cell)声压分布分散、背景噪声大的问题，研究人员设计了一种多通T型共振增强差分赫姆霍兹(MTRDH)光声池，结合T型与赫姆霍兹结构的优势，通过双共振腔和四反射光路将乙炔(C2H2)检测限(LoD)降至105 ppb，归一化噪声等效吸收系数(NNEA)达1.98×10?9 cm?1 W Hz?1/2，为工业危险气体监测提供了高灵敏度解决方案。

　　

【研究背景】
乙炔(C₂H₂)作为工业重要原料与高危气体，其2.1%-80%的爆炸极限对泄漏监测提出严苛要求。当前光声光谱技术(PAS)虽具高灵敏度优势，但传统赫姆霍兹光声池存在声压分布分散、环境噪声干扰等问题，而T型结构又缺乏共模噪声抑制能力。如何兼顾信号增强与噪声抑制成为技术突破的关键。

【研究概览】
暨南大学研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，创新性提出多通T型共振增强差分赫姆霍兹(MTRDH)光声池。通过融合T型集中声压与赫姆霍兹差分降噪特性，结合四反射光路设计，将乙炔检测灵敏度提升至ppb级，为工业安全监测提供新范式。

【关键技术】
研究采用分布式反馈激光器(DFB laser, 1532.68 nm)激发乙炔吸收谱线，通过有限元仿真优化MTRDH结构参数。双直角棱镜实现4次光反射使光程增加3.49倍，差分麦克风阵列结合双毛细管结构抑制气流噪声，最终通过锁相放大器提取信号。

【研究结果】

1. MTRDH PA cell结构
   仿真显示新型结构使声压集中分布于共振腔末端，绝对声压较传统赫姆霍兹池提升2.7倍，品质因数(Q值)提高至48.3。

2. 传感系统搭建
   实验系统集成温控激光驱动器与500 mHz三角波调制，多反射光路使光声信号强度达单通结构的3.49倍，验证了光程增强效应。

3. 不同模式性能对比
   差分模式背景噪声较单端模式降低62%，NNEA系数优化至1.98×10^?9 cm^?1 W Hz^?1/2，显著优于文献报道的T型(625 ppb)和赫姆霍兹结构(409 ppb)。

4. 讨论
   MTRDH结构通过声学-光学协同优化，突破传统结构局限。105 ppb的LoD满足石化行业ppm级监测需求，且体积未显著增加，具备工程应用潜力。

【结论与意义】
该研究通过创新性结构设计实现光声传感性能的阶跃式提升，为危险气体监测提供了兼具高灵敏度与抗干扰能力的解决方案。Zhuobei Deng、Yafei Li等作者指出，该技术可拓展至其他红外吸收气体检测，在工业安全与环境监测领域具有重要应用价值。