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西電團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高精度氣體監(jiān)測(cè)新突破
2025年05月16日 09:46 中國(guó)新聞網(wǎng)

  用激光為氣體做“B超” 西電團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高精度氣體監(jiān)測(cè)新突破

  中新網(wǎng)西安5月15日電 (記者 阿琳娜)記者15日從西安電子科技大學(xué)獲悉,該校光電工程學(xué)院徐淮良教授團(tuán)隊(duì)劉麗嫻副教授近日在高精度氣體監(jiān)測(cè)方面取得新成果,從新型諧振腔設(shè)計(jì)、多模式復(fù)用和波形工程調(diào)制模式三方面出發(fā),推動(dòng)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。

  “光聲光譜氣體監(jiān)測(cè)具有小、快、準(zhǔn)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),在光聲光譜氣體監(jiān)測(cè)方面,我們的技術(shù)目前應(yīng)該說(shuō)與國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)是并跑的”。劉麗嫻表示。

  光譜與氣體的1V1關(guān)系

  常用的氣體監(jiān)測(cè)主要通過(guò)氣相色譜、電化學(xué)等方式進(jìn)行,但這些對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器存在成本高、可檢測(cè)氣體有限、使用壽命較短等問(wèn)題,如何能夠讓氣體監(jiān)測(cè)儀成本降低、更加便攜、準(zhǔn)確度更高,還能適應(yīng)大多數(shù)氣體不同濃度的檢測(cè)?

圖為光聲光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀。西安電子科技大學(xué)供圖
圖為光聲光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀。西安電子科技大學(xué)供圖

  劉麗嫻在團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人徐淮良的指導(dǎo)下,開始探尋這些問(wèn)題的答案,并將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了“光”。

  “就像人會(huì)有喜歡的顏色一樣,氣體也有‘喜歡’的光譜,面對(duì)‘喜歡’的光譜,它們就會(huì)呈現(xiàn)特定的反應(yīng),而且這種‘喜歡’是一一對(duì)應(yīng)的。”劉麗嫻介紹,正是由于氣體與光譜幾乎一對(duì)一匹配的“指紋”式特性,使得通過(guò)光來(lái)進(jìn)行氣體檢測(cè)成為可能。

  光對(duì)氣體適應(yīng)性很強(qiáng),通俗地來(lái)說(shuō)就是“不挑食”,只要選對(duì)了波段,對(duì)任何氣體都可以檢測(cè)”,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(huì)產(chǎn)生熱量從而有了聲壓的變化,電解麥克風(fēng)探測(cè)到變化后將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大的電信號(hào)被處理后即可被相應(yīng)軟件采集到,就會(huì)形成與之對(duì)應(yīng)的波形顯示圖!罢且?yàn)楣馀c氣的一一對(duì)應(yīng),和我們采用的‘光-熱-聲’的檢測(cè)方式,確保了我們這一臺(tái)機(jī)器就能夠適用于各種有機(jī)、無(wú)機(jī)氣體同時(shí)監(jiān)測(cè)!眲Ⅺ悑菇忉尩。

  10滴水一樣大的腔體

  滿足了不同氣體同時(shí)監(jiān)測(cè)的需求,劉麗嫻還需要解決小型化快速高精度探測(cè)的難題。

  “雖然我們的監(jiān)測(cè)方法對(duì)氣體本身沒有任何損耗,但是考慮到設(shè)備的應(yīng)用前景,有些病患可呼出的氣量可能很小,有些救援現(xiàn)場(chǎng)也只有痕量氣體,所以我們就要考慮用盡量少的氣體來(lái)監(jiān)測(cè)!睔怏w用量少帶來(lái)的是高頻調(diào)控的難度升級(jí),如何能夠做到低頻調(diào)控、抗外界擾動(dòng)?

  “這臺(tái)儀器里最核心的部件是我們研發(fā)的新型諧振腔,這個(gè)腔體容積只有0.5毫升,相當(dāng)于十滴水大小,我們通過(guò)這個(gè)腔體的設(shè)計(jì),首先滿足了微型化,其次實(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制,保證穩(wěn)定性,第三通過(guò)放大氣體吸收光之后的微弱信號(hào),提高內(nèi)部轉(zhuǎn)換效率,加快監(jiān)測(cè)速度!眲Ⅺ悑怪钢鴮(shí)驗(yàn)臺(tái)上一臺(tái)約為1包A4紙大小的黑色儀器說(shuō)道,“我們?nèi)メt(yī)院做過(guò)常用吸入式麻醉劑七氟烷的監(jiān)測(cè),與商用監(jiān)測(cè)儀相比,我們這臺(tái)機(jī)子能夠更快發(fā)現(xiàn)病人呼出氣體的變化,從而對(duì)手術(shù)提供更好的保障。”

  在對(duì)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí),劉麗嫻也在思考從源頭上予以提升,她同團(tuán)隊(duì)成員一同投入到了量子級(jí)聯(lián)激光器波長(zhǎng)調(diào)制光聲光譜技術(shù)的研究中。

  量子級(jí)聯(lián)激光器是一種中紅外半導(dǎo)體激光器。之所以選擇中紅外波段,是因?yàn)樵S多氣體在該波段有吸收帶,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。通過(guò)量子級(jí)聯(lián)激光器從源頭上把對(duì)氣體的“刺激”加大,原始信號(hào)變大,后續(xù)就能更好地開展研究。

  量子級(jí)聯(lián)激光器可將氣體對(duì)中紅外波段的吸收提升兩個(gè)量級(jí),因此,在高精度探測(cè)時(shí)成為必不可少的得力助手,但在中精度探測(cè)時(shí),則會(huì)兼顧考慮成本問(wèn)題,更多使用的是電力和光伏光源等形式。

  優(yōu)勢(shì)整合實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億級(jí)的監(jiān)測(cè)

  為了滿足更多室外場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)需要,設(shè)備也要盡可能小,便于攜帶,一塊A4紙大小的電路板很好地解決了這一問(wèn)題。這塊電路板就是FPGA,即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,是一種可完成通用功能的可編程邏輯芯片,將所有功能的模塊都放在這塊電路板上,可以實(shí)現(xiàn)整體的緊湊化小型化輕便化,而且各項(xiàng)功能的耦合性也更好。

圖為光聲光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀渲染圖。西安電子科技大學(xué)供圖
圖為光聲光譜溫室氣體監(jiān)測(cè)儀渲染圖。西安電子科技大學(xué)供圖

  基于FPGA構(gòu)架的激光調(diào)控和光聲信號(hào)鎖相解調(diào)模塊,劉麗嫻做到了對(duì)氣體的全量程監(jiān)測(cè)。全量程監(jiān)測(cè)就是用一臺(tái)儀器,在不更換、增加傳感器的前提下,對(duì)氣體實(shí)現(xiàn)從極低濃度到高濃度的監(jiān)測(cè),依據(jù)朗伯比爾定律,在FPGA基礎(chǔ)上的多物理場(chǎng)耦合使儀器可自動(dòng)識(shí)別氣體濃度高低,氣體濃度極低甚至只有痕量級(jí)別時(shí)用光聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè),濃度高時(shí)通過(guò)氣體濃度對(duì)頻率的影響進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了二氧化碳?xì)怏w幾十ppt(萬(wàn)億分之一)至100%濃度超大動(dòng)態(tài)范圍監(jiān)測(cè)。

  小、快、準(zhǔn)、全,劉麗嫻還在對(duì)這臺(tái)已經(jīng)猶如“六邊形戰(zhàn)士”的氣體監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行“升級(jí)”!拔覀円苍诿髋c人工智能技術(shù)的結(jié)合,不管是大數(shù)據(jù)輔助降干擾,還是優(yōu)化人機(jī)交互,都希望能夠在這個(gè)賽道做到更好!眲Ⅺ悑拐f(shuō)道。(完)

責(zé)任編輯:王雨蜻

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