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哈工大研發新型石英音叉 顯著提升痕量氣體檢測性能
2025年07月30日 09:18:17
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：684
哈爾濱工業大學馬欲飛教授課題組成功研制新型四叉指石英音叉，顯著提升了激光光譜痕量氣體檢測性能。該設計通過增加叉指數量擴大了應力集中區域，有效提高了聲波或熱彈性波的檢測效率，并能在相同激勵下產生更強的壓電信號。
哈爾濱工業大學航天學院馬欲飛教授課題組在激光光譜氣體傳感技術領域取得重要進展。該團隊成功設計出一種新型四叉指石英音叉，大幅提升了痕量氣體檢測的靈敏度和性能。相關研究成果已發表于中國科學院主管的國際學術期刊《光電進展》(Opto-Electronic Advances, OEA)。
痕量氣體指大氣中體積分數遠低于1%的氣體成分，如氮氧化物、碳氫化合物和硫化物等。盡管含量極微，這些氣體卻與酸雨、溫室效應及臭氧層破壞等重大環境問題密切相關。發展高靈敏度痕量氣體檢測技術，對于環境保護、工業監控、醫療診斷及火災預警等領域具有重要意義。
當前激光光譜氣體傳感領域主要采用石英增強光聲光譜(QEPAS)和光致熱彈光譜(LITES)兩大技術。QEPAS技術于2002年提出，突破了傳統光聲光譜對氣室尺寸的限制，適用于小體積樣本檢測，但其核心元件石英音叉的電極易受腐蝕性或氧化性氣體破壞。馬欲飛課題組于2018年首創的LITES技術則具有高靈敏度、快速響應和非接觸式全波段檢測優勢，與QEPAS技術形成互補。
為進一步提升QEPAS和LITES系統的檢測靈敏度，優化核心探測元件石英音叉成為關鍵。馬欲飛課題組創新性地設計出四叉指石英音叉。該設計通過增加叉指數目擴大應力集中區域，顯著提升了聲波或熱彈性波的檢測效率，能在相同激勵條件下產生更強的壓電信號，同時集成了低共振頻率、大叉指間距等優勢特征。
研究人員選用乙炔作為目標氣體進行嚴格測試。結果顯示，基于新型四叉指音叉的QEPAS系統信噪比較標準雙叉指音叉系統提高4.67倍，配備優化的聲學微諧振管時信噪比更可提升至147.72倍，在370秒平均時間下對乙炔的最低檢測限達到21 ppb。在LITES系統中，信噪比提高4.52倍，100秒平均時間下最低檢測限為96 ppb。
課題組建立的理論仿真模型有力支撐了實驗結果：QEPAS仿真中四叉指音叉最大應力和表面電荷密度分別達到標準音叉的11.1倍和15.9倍；LITES仿真中其表面溫差是標準音叉的11.4倍。該研究為開發下一代高靈敏度、小型化痕量氣體傳感器奠定了重要技術基礎。
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