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哈工大研发新型石英音叉 显著提升痕量气体检测性能
2025年07月30日 09:18:17
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：671
哈尔滨工业大学马欲飞教授课题组成功研制新型四叉指石英音叉，显著提升了激光光谱痕量气体检测性能。该设计通过增加叉指数量扩大了应力集中区域，有效提高了声波或热弹性波的检测效率，并能在相同激励下产生更强的压电信号。
哈尔滨工业大学航天学院马欲飞教授课题组在激光光谱气体传感技术领域取得重要进展。该团队成功设计出一种新型四叉指石英音叉，大幅提升了痕量气体检测的灵敏度和性能。相关研究成果已发表于中国科学院主管的国际学术期刊《光电进展》(Opto-Electronic Advances, OEA)。
痕量气体指大气中体积分数远低于1%的气体成分，如氮氧化物、碳氢化合物和硫化物等。尽管含量极微，这些气体却与酸雨、温室效应及臭氧层破坏等重大环境问题密切相关。发展高灵敏度痕量气体检测技术，对于环境保护、工业监控、医疗诊断及火灾预警等领域具有重要意义。
当前激光光谱气体传感领域主要采用石英增强光声光谱(QEPAS)和光致热弹光谱(LITES)两大技术。QEPAS技术于2002年提出，突破了传统光声光谱对气室尺寸的限制，适用于小体积样本检测，但其核心元件石英音叉的电极易受腐蚀性或氧化性气体破坏。马欲飞课题组于2018年首创的LITES技术则具有高灵敏度、快速响应和非接触式全波段检测优势，与QEPAS技术形成互补。
为进一步提升QEPAS和LITES系统的检测灵敏度，优化核心探测元件石英音叉成为关键。马欲飞课题组创新性地设计出四叉指石英音叉。该设计通过增加叉指数目扩大应力集中区域，显著提升了声波或热弹性波的检测效率，能在相同激励条件下产生更强的压电信号，同时集成了低共振频率、大叉指间距等优势特征。
研究人员选用乙炔作为目标气体进行严格测试。结果显示，基于新型四叉指音叉的QEPAS系统信噪比较标准双叉指音叉系统提高4.67倍，配备优化的声学微谐振管时信噪比更可提升至147.72倍，在370秒平均时间下对乙炔的最低检测限达到21 ppb。在LITES系统中，信噪比提高4.52倍，100秒平均时间下最低检测限为96 ppb。
课题组建立的理论仿真模型有力支撑了实验结果：QEPAS仿真中四叉指音叉最大应力和表面电荷密度分别达到标准音叉的11.1倍和15.9倍；LITES仿真中其表面温差是标准音叉的11.4倍。该研究为开发下一代高灵敏度、小型化痕量气体传感器奠定了重要技术基础。
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