光聲光譜溫室氣體監(jiān)測儀 受訪單位供圖

　　用激光為氣體做“B超”?沒錯!5月14日，記者獲悉，西安電子科技大學研究團隊在高精度氣體監(jiān)測方面取得新突破。在光聲光譜氣體監(jiān)測方面，實現(xiàn)與國際最先進技術(shù)并跑。

　　利用“不挑食”的光

　　去找尋它“喜歡”的氣體

　　常用的氣體監(jiān)測主要通過氣相色譜、電化學等方式進行，但這些對應(yīng)的監(jiān)測儀器存在成本高、可監(jiān)測氣體有限、使用壽命較短等問題，如何能夠讓氣體監(jiān)測儀成本降低、更加便攜、準確度更高，還能適應(yīng)大多數(shù)氣體不同濃度的監(jiān)測?研究團隊成員劉麗嫻在團隊負責人徐淮良的指導(dǎo)下，開始探尋這些問題的答案，并將目標對準了“光”。

　　光如何能夠監(jiān)測氣體?“就像人會有喜歡的顏色一樣，氣體也有‘喜歡’的光譜，面對‘喜歡’的光譜，它們就會呈現(xiàn)特定的反應(yīng)，而且這種‘喜歡’是一一對應(yīng)的。”劉麗嫻說，正是由于氣體與光譜幾乎一對一匹配的“指紋”式特性，使得通過光來進行氣體監(jiān)測成為可能。

　　劉麗嫻說，氣體監(jiān)測根據(jù)場景不同會有不同要求。在日常環(huán)境下需同時監(jiān)測溫室氣體中不同濃度的二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等氣體。在工業(yè)氣體泄漏、消防救援等場景下，要求氣體監(jiān)測快速且準確，同時監(jiān)測儀需要盡量小，便于搬動或者攜帶。

　　“光對氣體適應(yīng)性很強，通俗地說就是‘不挑食’，只要選對了波段，對任何氣體都可以監(jiān)測。”劉麗嫻說，將調(diào)制后的激光打到裝有氣體的光熱池里，吸收了光的氣體就會產(chǎn)生熱量從而有了聲壓的變化，電解麥克風探測到變化后將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大的電信號被處理后即可被相應(yīng)軟件采集到，就會形成與之對應(yīng)的波形顯示圖，“正是因為光譜與氣體的一一對應(yīng)關(guān)系以及我們采用的‘光-熱-聲’的監(jiān)測方式，確保了我們用一臺機器就能同時監(jiān)測各種有機氣體和無機氣體。”

　　光聲光譜氣體監(jiān)測具有小、快、準、適應(yīng)性強等優(yōu)勢。西安電子科技大學光電工程學院徐淮良教授團隊成員劉麗嫻副教授從新型諧振腔設(shè)計、多模式復(fù)用和波形工程調(diào)制模式三方面出發(fā)，推動氣體成分傳感技術(shù)向更快響應(yīng)、更高精度、更多組分發(fā)展。

　　10滴水一樣大的腔體

　　可“逮住”微小氣體

　　滿足了不同氣體同時監(jiān)測的需求，劉麗嫻還需要解決小型化快速高精度探測的難題。“雖然我們的監(jiān)測方法對氣體本身沒有任何損耗，但是考慮到設(shè)備的應(yīng)用前景，有些病患呼出的氣量可能很小，有些救援現(xiàn)場也只有痕量氣體，所以我們就要考慮用盡量少的氣體來監(jiān)測。氣體用量少帶來的是高頻調(diào)控的難度升級，那么，如何才能做到低頻調(diào)控?”劉麗嫻指著實驗臺上一臺約為1包A4紙大小的黑色儀器說，這臺儀器里最核心的部件是團隊研發(fā)的新型諧振腔，腔體容積只有0.5毫升，相當于10滴水大小。腔體滿足了微型化的設(shè)計要求同時實現(xiàn)低頻調(diào)制，保證穩(wěn)定性，使用的時候，通過放大氣體吸收光之后的微弱信號，提高內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率，加快監(jiān)測速度。

　　劉麗嫻告訴記者，團隊去醫(yī)院做過常用吸入式麻醉劑七氟烷的監(jiān)測，與其他監(jiān)測儀相比，這臺儀器能夠更快發(fā)現(xiàn)病人呼出氣體的變化，從而對手術(shù)提供更好的保障。

　　用一臺儀器就可實現(xiàn)

　　對氣體從極低濃度到高濃度的監(jiān)測

　　在對過程進行優(yōu)化的同時，劉麗嫻也在思考從源頭上對監(jiān)測能力進行提升，她同團隊成員一同投入到了量子級聯(lián)激光器波長調(diào)制光聲光譜技術(shù)的研究中。量子級聯(lián)激光器是一種中紅外半導(dǎo)體激光器，許多氣體在該波段有吸收帶，而且吸收線的線寬更符合氣體吸收特性的要求，非常適合用于氣體傳感。劉麗嫻說：“氣體和人一樣，有不同的顏色偏好。團隊通過量子級聯(lián)激光器從源頭上把對氣體的‘刺激’加大，原始信號變大，后續(xù)就能更好地開展研究。量子級聯(lián)激光器可將氣體對中紅外波段的吸收提升兩個量級，因此，在高精度探測時成為必不可少的得力助手，但在中精度探測時，則會兼顧考慮成本問題，更多使用的是電力和光伏光源等形式。”

　　為滿足更多室外場景的監(jiān)測需要，設(shè)備也要盡可能地小，便于攜帶。解決了探測難題，劉麗嫻還要解決設(shè)備的便捷性問題，而一塊A4紙大小的電路板很好地解決了這一問題。這塊電路板就是FPGA，是一種可完成通用功能的可編程邏輯芯片。劉麗嫻將所有的功能模塊都放在這塊電路板上。“這樣可以實現(xiàn)整體的緊湊化、小型化、輕便化，而且各項功能的耦合性也更好。”劉麗嫻說。

　　基于FPGA構(gòu)架的激光調(diào)控和光聲信號鎖相解調(diào)模塊，該團隊做到了對氣體的全量程監(jiān)測，即用一臺儀器，在不更換、增加傳感器的前提下，對氣體實現(xiàn)從極低濃度到高濃度的監(jiān)測。這臺儀器可自動識別氣體濃度高低，氣體濃度極低甚至只有痕量級別時用光聲信號進行監(jiān)測，濃度高時通過氣體濃度對頻率的影響進行監(jiān)測。“我們實現(xiàn)了二氧化碳氣體幾十ppt(萬億分之一)至100%濃度超大動態(tài)范圍監(jiān)測。”劉麗嫻說。

　　記者任娜 通訊員王格