基于E型共振腔的光声流动气体传感器：微孔设计实现快速响应与高灵敏度检测

针对传统T型光声池(T-PAC)在流动气体检测中响应速度与噪声难以平衡的问题，研究人员提出了一种集成扩散微孔和硅悬臂梁的E型共振光纤光声传感器(E-PAC)。通过将50 mm共振管完全嵌入缓冲腔并设计250 μm微孔，将C2H2检测响应时间从359 s缩短至22 s，实现48.7 ppb检测限和2.9×10-9 cm-1·W·Hz-1/2的NNEA系数，为变压器故障监测等领域提供新型快速检测方案。

　　

在电力设备监测、环境分析和医疗诊断等领域，痕量气体检测技术始终面临灵敏度与响应速度难以兼得的挑战。传统方法如可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)受限于体积和灵敏度，电化学传感器易受电极老化影响，而色谱技术又难以满足实时检测需求。尤其对于变压器故障产生的C₂H₂等特征气体，现有光声光谱(PAS)技术中T型光声池(T-PAC)存在气体交换效率低、响应时间长达数分钟的缺陷。大连理工大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究中，创新性地提出E型共振光纤光声传感器(E-PAC)，通过微孔-悬臂梁协同设计破解了这一技术困局。

研究团队采用COMSOL多物理场仿真优化共振腔结构，结合光纤布拉格光栅(FBG)声波检测技术，构建了集成激光激发、声学共振和光学检测的完整系统。实验选用1532.8 nm分布式反馈(DFB)激光器激发C₂H₂分子，通过锁相放大技术提取微弱的声波信号。

原理分析及仿真
通过声-固耦合仿真发现，将传统T型结构改为全嵌入式E型设计可使声压增益提高3.2倍。微孔设计使气体扩散路径缩短87%，理论计算显示250 μm孔径可在22 s内完成90%气体置换，突破传统扩散模型的限制。

实验设置与结果
在130 ppm C₂H₂/Air测试中，无微孔结构的响应时间为359 s，而双微孔设计将其锐减至22 s。流量实验表明，在0-200 mL/min范围内，微孔结构使流量噪声降低42%，同时保持NNEA系数稳定在10^-9量级。

结论
该研究通过E-PAC结构创新实现了三个突破：一是将响应时间压缩至传统方法的1/16，二是使检测限达到48.7 ppb（优于QEPAS技术），三是体积缩小35%便于集成。这种设计为电力设备在线监测提供了新范式，其微孔加速扩散机制对开发其他流式检测器件具有普适指导意义。作者团队特别指出，该技术下一步将应用于变压器油中溶解气体分析(DGA)系统，有望将故障预警时间提前72小时以上。