《Optics & Laser Technology》：In-situ vehicular soot sensor optimization based on quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
编辑推荐：
石英增强光声光谱技术优化用于碳烟传感器，通过离线换能器耦合和声学微谐振器抑制振动干扰，提升信号强度达四倍，测量不确定性降低超67%，总时长控制在3秒内。
韩正勋|洪俊赫|拉贾瓦桑斯·拉贾塞加尔|李东勋|林明燮|柳智亨
韩国首尔汉阳大学汽车工程系（汽车-计算机融合方向）
摘要
本文介绍了一种基于石英增强型光声光谱（QEPAS）的烟尘传感器，该传感器针对车辆排放测量进行了优化，以实现快速且原位的测量。为减少振动引起的干扰并提高传感器信号强度，采用了离线换能器耦合和声学微谐振器等硬件改进措施。此外，还开发了一种跟踪换能器共振频率变化的方法，以降低测量不确定性，尤其是在长时间高温和高烟尘条件下的测量。实验结果显示，信号强度提高了四倍，测量不确定性降低了67%以上。整个测量过程（包括数据处理）在3秒内完成，确保了高时间分辨率。
引言
空气污染已成为直接影响人类健康和社会福祉的严重问题[1]。特别是不完全燃烧产物是城市空气污染的主要来源[2]，它们在大气中会发生各种化学反应，形成二次污染物，从而加剧其危害[3]。为此，自20世纪60年代以来，各国建立了区域性和多国性的监管框架[4]，以减轻和消除化石燃料排放的有害影响。一个典型的例子是欧洲排放标准，该标准严格限制了包括颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）在内的多种关键排放物的排放[5]。自1992年实施以来，监管范围已从内燃机（ICE）车辆扩展到混合动力和插电式混合动力车辆（HEV和PHEV）。由于这些车辆对公共健康有重大影响，排放标准不断提高。特别是颗粒物排放标准提高了大约三个数量级，并且最近开始将轮胎磨损、刹车磨损和道路灰尘等非排气源的颗粒物排放纳入监管范围[6]。这些趋势凸显了需要先进的技术解决方案，包括新型测量技术、提高传感器精度和实时监测基础设施[7]。
目前已有多种方法用于测量废气中的烟尘（颗粒物的直接副产品）。最简单和最传统的方法是重量分析法，该方法通过过滤器收集废气中的颗粒物并测量其质量变化来确定烟尘浓度[8]。然而，由于过滤器表面材料损失，这种方法可能存在20-30%的测量不确定性[9]。对于装有柴油颗粒过滤器（DPF）的车辆，由于烟尘浓度极低，总质量的增加可能低于测量系统的最低检测限。此外，由于过滤器需要定期更换，这种方法不适合在正常运行过程中进行实时监测。
另一种方法是利用光与物质相互作用的光学方法进行烟尘浓度测量。例如，激光直接照射到废气上，然后测量来自烟尘颗粒的散射光[10]。尽管这种方法具有高灵敏度，但需要精确控制颗粒物以实现准确测量[11]。光学粒子计数器（OPC）和冷凝粒子计数器（CPC）也基于类似原理测量颗粒物浓度，但它们使用聚焦度更高的激光束，导致光学检测体积非常小，从而能够实现单颗粒检测并显著减少对颗粒大小的影响[12][13]。然而，这些仪器需要详细的废气流信息，系统体积较大且成本较高，限制了其在原位排气实验中的应用。
光消光也被用于烟尘测量。例如，不透明度仪测量穿过废气流的入射光和透射光之间的差异。这种方法在现场应用中已被证明有效；然而，其结果也可能受到颗粒物形态和大小的影响，导致与颗粒物质量浓度的非线性关系。此外，该方法无法选择性测量废气流中烟尘的不透明度，在某些烟尘不占主导地位的运行条件下可能存在问题。
烟尘浓度还可以通过测量样品的光反射强度来确定。例如，点式测量仪或乙醇计将废气中的烟尘颗粒收集到过滤器上，然后用探针光束照射样品并测量反射光。这些方法具有相对较低的检测限和高灵敏度，但对于装有柴油颗粒过滤器（DPF）的车辆，采样时间长达10分钟，难以实现实时监测。此外，这些方法不直接测量废气，可能会导致测量结果相对于实际烟尘浓度存在20-50%的误差[14]。用于原位诊断的传感器不应过于敏感于颗粒物大小，并且应在任何烟尘条件下可靠运行，同时具有紧凑性和坚固性。因此，需要一种替代的检测机制来克服上述传感器的缺点，同时满足原位车辆诊断的具体要求。
最后，基于光吸收的传感器也可用于原位气体物种和空气颗粒物浓度的测量[15][16]。光声光谱（PAS）传感器在基于吸收的技术中独树一帜[17]，因为它们具备所有基于吸收的方法的优点，如高灵敏度、良好的目标物种选择性和快速响应[18][19]，而且不需要昂贵的光电探测器。它们通过检测目标物种在周期性激光调制后的非辐射弛豫过程中产生的光声压力波来工作。如果目标物种的吸收光谱具有明显且狭窄的峰值，可以精心选择激光的光学频率，使其仅与该特征对应，从而实现非常高的测量特异性。PAS传感器使用声学换能器（通常是调谐到激光调制频率的麦克风）来探测压力波。
尽管具有这些优势，传统的PAS仍面临一些实际挑战。基于麦克风的检测方法容易受到环境噪声的影响，尤其是在车辆测试等恶劣环境中[20]。此外，高灵敏度的谐振腔需要极其稳定的环境条件，因为温度或气体组成的微小波动可能导致共振频率变化，从而显著降低信号强度。石英音叉（QTF）可以替代麦克风，提高传感器的灵敏度、经济性和便携性，这一点通过多种基于光学吸收的传感系统的性能提升得到了证明[21][22][23]。在本研究中，针对车辆废气中的烟尘测量，优化了一种基于石英增强型光声光谱（QEPAS）的检测技术。由于烟尘颗粒具有宽带吸收光谱，测量特异性会降低，但对光源波长的敏感性也会降低，因此可以使用更高功率的光源[24]。通过优化传感器硬件和改进数据处理算法，解决了信号水平低和由于烟尘积累、高温和振动导致的测量不确定性等问题。
技术细节
石英增强型光声光谱
PAS继承了基于光学吸收的诊断技术的所有优点，如高灵敏度和特异性，同时所需的光学硬件较少。它可以通过查询现有数据库中的目标物种和干扰物种的吸收光谱来检测广泛的物种和浓度。PAS的基本原理如下所述[25]。
实验装置
图1展示了通用QEPAS技术的示意图。来自激光源（Thorlabs, L852H1，128 mW）的入射光束通过光学系统（Thorlabs, LT230220P-B）在QTF附近精确聚焦，以激发目标物种。通过激光控制器（MLD203CHBE, Thorlabs）调制激光驱动电流，生成恒定波长的激光脉冲。20 mA到200 mA之间的波形分别对应激光的开启和关闭状态。
结果与讨论
使用实验室环境中的烟尘替代物，通过实验验证了仪器参数优化方法和测量不确定性降低技术。测量在基本共振频率下进行，因为与更高谐波频率相比，该频率在抑制非共振背景噪声方面更有效。柴油发动机排放的颗粒物尺寸通常在150-600 nm范围内[38]，我们之前的研究已经证实了这一点。
结论
通过多种光声和电子改进，基于QEPAS的烟尘传感器得到了优化，以更好地适应车辆尾气排放条件。离线QEPAS配置经过优化，即使在长时间高温和高烟尘条件下也能提供稳健且改进的激光-换能器耦合。尽管换能器共振频率不断变化，但通过使用AmR和改进的预放大器，测量灵敏度得到了进一步提高。
作者贡献声明
韩正勋：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、概念构思。洪俊赫：可视化、数据管理、概念构思。拉贾瓦桑斯·拉贾塞加尔：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。李东勋：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。林明燮：撰写——审稿与编辑。柳智亨：验证、监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府（MSIT）资助，项目编号RS-2025-24683109）和韩国技术发展院（KIAT）（由韩国政府（MOTIE）资助，项目编号P0017120，属于工业专家能力发展计划）的支持。
