免校准石英音叉增强激光光谱技术实现高精度甲烷痕量气体检测

本文推荐一种基于石英音叉（QTF）增强激光光谱的免校准痕量气体传感系统，结合波长调制光谱（WMS）与2f/1f谐波归一化算法，有效抑制环境光强波动干扰，提升甲烷（CH4）检测灵敏度与稳定性，在308秒积分时间内精度达20 ppb，为环境监测与生物医学气体检测提供创新解决方案。

　　

Section snippets

Experimental setup

近红外（NIR）连续波（CW）分布式反馈（DFB）半导体二极管激光器作为开发光谱传感系统的理想光源，具有体积小、功耗低、稳定性好、寿命长和成本低等优势。基于HITRAN数据库模拟的空气中CH₄及常见干扰分子（H₂O、CO₂）在近红外区域的指纹吸收谱如图1(a)所示。为规避水汽交叉干扰问题……

Results and discussion

实验测试了作为探测器性能关键参数的石英音叉（QTF）共振频率响应特性。图4(a)展示了QTF在不同频率下的归一化响应幅度及其洛伦兹线型拟合结果。拟合结果表明，QTF具有6.58 Hz的本征频率响应带宽、32759.11 Hz的最佳中心频率和12780的品质因子。为维持信号……

Conclusion

本研究提出了一种用于实时CH₄浓度监测的免校准QTF增强激光光谱（QTFELS）气体传感系统。系统采用工作波长约1.65 μm的近红外DFB半导体激光器，结合常规32 kHz QTF与30米多通池，构建了WMS检测平台以验证免校准算法。实验通过单一QTF实现了WMS一阶（1f）与二阶（2f）信号的同步采集，并建立了强度归一化的WMS-2f/1f模型……