图1 （a）研制的光声光谱变压器油中溶解气体在线监测仪；（b）研制的中红外多组分光声光谱微量气体检测仪；（c）研制的高灵敏度激光光声光谱仪；（d）中国计量科学研究院检测报告

本人在近几年负责和参与设计了多套光声光谱仪，包括基于红外热辐射光源的光声光谱多组分微量气体检测仪（如图1(a)和图1(b)所示）和基于近红外光纤放大激光光源的高灵敏光声光谱仪（如图1(c)所示），其中，基于红外热辐射光源的光声光谱多组分微量气体检测仪可实现对CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO和CO₂等6种气体的实时测量，检测灵敏度小于1ppm；基于近红外光纤放大激光光源的高灵敏光声光谱仪对H₂S和C₂H₂的检测灵敏度分别达到15ppb和0.37ppb，图1(d)是该仪器在中国计量科学研究院测试的检测报告（报告编号：NHqt2017-7102）。

研制了独具特色的基于近红外激光-中红外热辐射组合光源的多组分气体检测仪，该方案兼顾了高精度和低成本，解决了传统方案中的低浓度乙炔检测难题。

开展了基于光纤光声传感的油中溶解气体原位检测技术，实现了油气分离与光声气体检测的一体化设计，传感探头可直接安装到变压器的取油口，操作简单、方便施工。

最新研制的全激光光声光谱气体分析仪，利用6个近红外DFB激光器，对CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2的检测极限分别达到0.05ppm、0.3ppm、0.2ppm、0.01ppm、5ppm、10ppm。

开发了油中溶解乙炔气体快速检测仪，结合激光光声光谱和动态顶空快速脱气技术，检测极限达到0.05μL/L，单次测量时间10分钟。

分解产物检测是六氟化硫电气设备状态评估的有效手段；分解组分主要有SO2、H2S、CO等

基于光纤光声传感的SF6分解产物H2S检测技术：

基于光纤光声传感的SF6分解产物SO2检测技术：

采用新型光声光谱专利技术，解决了高浓度甲烷和二氧化碳背景对微量乙烯、乙炔和一氧化碳测量的严重干扰难题，研制了目前世界上唯一的能用于煤矿采空区自然发火监测的光学气体检测仪器，具有检测精度高、测量时间短、操作简单、免维护等特点。

发明了基于光纤光声传感的煤矿自然发火监测技术，探头具有本质安全、远距离传输的特点：

研制了世界上首台基于光纤声波传感的全光学光声光谱多组分气体分析仪，用于温室气体、有毒有害等环境气体检测。

基于光纤声波传感的全光学光声光谱气体分析仪

研制了二氧化氮（NO2）气体分析仪，检出限：1ppb：

研制的NO2光声光谱分析仪器；与高新园区七贤岭国家监控站的数据对比

研制的基于紫外光声光谱技术的NO2/SO2气体分析仪，利用频分复用技术实现了双组份气体的同时测量，检测极限为10ppb左右：

研制的氟利昂泄漏气体检测仪，可实现H1301、R134a和R410A的同时检测，检测极限1ppm：

研制的二氧化碳检测仪器，检出限：1ppm

采用2μm DFB激光器，检出限：1ppm

本科研团队自上世纪90年代起开始从事光声光谱微量气体检测技术方面的研究工作，积累了丰厚的研究基础与经验。依托国家自然科学基金面上项目、鞍山激光产业园资助项目和多项企业委托项目，设计了全光学激光光声光谱仪，新型近红外激光光声光谱仪集成了近红外宽带可调谐光纤激光器、高灵敏光纤悬臂梁声波传感器和共振式光声池，实现了对多种特征气体的高灵敏测量，其中对乙炔、氨气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯的极限检测灵敏度达到40 ppt、80ppt、5 ppb、400ppb、1000 ppb、30 ppb和80 ppb，达到国际领先水平。

图1 基于光纤声波传感器的高灵敏激光光声光谱系统结构

在基于光纤声波传感器的光声光谱研究方面，本项目组设计了基于Parylene-C膜光纤声波传感器的多组分光声光谱系统，对CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂、CO和CO₂等6种气体的检测了灵敏度分别达到0.21ppm、0.13 ppm、0.16 ppm、0.11 ppm、0.15 ppm和0.48 ppm（Photoacoustic spectroscopy based multi-gas detection using high-sensitivity fiber-optic low-frequency acoustic sensor. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 260: 357-363.）。本人在近期提出了一种光纤悬臂梁增强型共振光声光谱方案（Research on fiber-optic cantilever-enhanced photoacoustic spectroscopy for trace gas detection, 2017 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Measurement Technology and Systems. International Society for Optics and Photonics, 2018, 10621: 1062108.），采用光纤悬臂梁声波传感器对1.4kHz光声信号的高灵敏探测，结合干涉-强度解调法，系统对NH₃的检测灵敏度达到3ppb。在此基础上设计了如图7所示的痕量C₂H₂检测系统，结合快速光谱解调法，测量的不同浓度C₂H₂气体的二次谐波信号如图2所示，系统在200s测量时间下对C₂H₂的极限灵敏度达到80ppt，比前期实验结果提高了1个数量级（Chen K, Yu Q, Gong Z, et al. Ultra-high sensitive fiber-optic Fabry-Perot cantilever enhanced resonant photoacoustic spectroscopy[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 268: 205-209.）。在光纤声波传感器增强型光声光谱研究中，项目申请人还提出了一种提高检测灵敏度的悬臂梁与光声池的频率匹配方法（发明专利：一种悬臂梁与光声池双共振增强型光声光谱检测系统及方法，申请号：201710820332.8）以及一种基于快速光谱解调法的光声锁相探测方法（发明专利：一种扫描激光干涉型光纤声波锁相探测系统及方法，申请号：201711233282.X）。

图2 基于光纤声波传感器的高灵敏激光光声光谱系统探测的二次谐波信号

用于气体微泄漏监测的光纤光声气体传感器：

为充分发挥全光学光声光谱的本质安全和可远距离测量优势，设计了一种如图3所示的用于气体微泄漏监测的光纤光声传感系统（Fiber-optic photoacoustic sensor for remote monitoring of gas micro-leakage. Optics Express, 2019.），探头中气室体积仅为70 μL，对C2H2的检测极限达到ppb量级。本技术方案实现了光声检测单元和油气分离单元的一体化，光声激发光和探测光均采用光纤传输，不仅使光声气体传感探头具有电磁免疫特性，还可以实现远距离光纤遥测。最新设计的单光纤光声气体传感器的气室体积仅仅10μL，实物图如图4所示。

图3 (a)光纤光声探头结构示意图；(b)光纤光声探头的频率响应；(c)气体微泄漏遥测实验系统示意图；(d)连续测量不同浓度乙炔的实验结果

图4 单光纤光声气体传感器

1.1 光纤FPI声波传感器研究

在光纤FPI声波传感器研究方面，本人已掌握了声波传播与耦合理论、声波敏感膜材料制备、传感器结构和光学探测等关键技术。本项目组前期先后研制了基于聚对苯二甲酸乙二酯醇(PET)膜、银膜和Parylene-C膜的的光纤声波传感器，其中当磁控溅射的银膜厚度为500nm，直径为6mm时，研制的光纤声波传感器的等效噪声声压可以达到40μPa/Hz^1/2，1.6kHz频率下的压力灵敏度达到5.97nm/Pa（High-sensitivity fiber-optic acoustic sensor for photoacoustic spectroscopy based traces gas detection. Sensors and Actuators B: Chemical, 2017, 247: 290-295.）。设计的基于500nm厚度的Parylene-C膜的光纤声波传感器在次声波段具有极高的响应度，可达到2.2μm/Pa，等效噪声声压为22.1μPa/Hz^1/2。（High-sensitivity Fabry-Perot interferometric acoustic sensor for low-frequency acoustic pressure detections. Journal of Lightwave Technology, 2017, 35(24): 5276-5279.）

图1 基于不锈钢悬臂梁的光纤声波传感器实物图

图2 光纤悬臂梁声波传感器的频率响应

光纤悬臂梁声波传感器是本项目组的最新研究成果，其在稳定性、检测灵敏度和线性度方面相比膜片式声波传感器具有明显的优势（Chen K, Gong Z, Guo M, et al. Fiber-optic Fabry-Perot interferometer based high sensitive cantilever microphone[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2018.）。图1是本项目组在近期研制的基于不锈钢悬臂梁的光纤声波传感器实物图，悬臂梁尺寸为1.5 mm×0.8 mm，厚度为10 μm。图2是光纤悬臂梁声波传感器的频率响应，在1kHz频率附近的灵敏度超过200 nm/Pa。

1.2 光纤FPI声波传感器解调技术研究

为解决传统干涉-强度解调法和迈克尔逊干涉解调法存在的稳定性差和精度低等问题，提出了一种基于光纤白光干涉仪（WLI）的F-P腔长高速动态解调法（A fiber-optic Fabry-Perot accelerometer based on high-speed white light interferometry demodulation. Journal of Lightwave Technology, 2017, 36(9): 1562-1567.）。在此基础上，设计了如图3所示的基于高速光谱解调的光纤悬臂梁声波传感器，大幅度提高了声波探测的灵敏度、动态范围和稳定性，1kHz频率下腔长解调的噪声密度低至1.06 pm/Hz^1/2。在10 mPa声压下，与世界领先的微音器制造商英国Brüel & Kjær公司生产的4189型电容式微音器的对比实验结果如图4所示，新型光纤悬臂梁声波传感器探测的声波信号的信噪比比电容式微音器高出1个数量级，在1kHz下的等效噪声声压达到5μPa/Hz^1/2，是目前已知的最好水平（Chen K, Yu Z, Yu Q, et al. Fast demodulated white-light interferometry-based fiber-optic Fabry–Perot cantilever microphone[J]. Optics letters, 2018, 43(14): 3417-3420.）。

图3 基于高速光谱解调的光纤悬臂梁声波传感器解调系统

图4 光纤悬臂梁声波传感器和电容式微音器探测的声波信号的频谱对比图

4通道光纤FBG/F-P传感器解调仪

最新科研成果：采用FPGA进行信号处理，实现20kHz高速解调；F-P腔长解调分辨率：约30pm；信噪比相比电麦克高1-2个数量级；结合硅基悬臂梁，最小可检测声压达到0.5μPa/√Hz

本人拥有10多年的光电子电路、微弱信号检测与仪器设计经验。设计的多通道锁相放大模块性能稳定可靠，已应用于近50台科学仪器、油田测井仪器和光谱仪器中。

专业定制各种用途锁相放大仪器及模块,其特点在于体积小、功能针对性强，特别适合多通道微弱信号检测和系统集成 。开发的32通道、48通道、双通道同步数字锁相放大器（包含光探测模块）已应用于科学院所的飞秒激光光谱测量实验、TDLAS气体检测、光声光谱信号探测、压电陶瓷谐振特性研究、涡流无损检测和荧光光谱探测中，性能优异。

锁相放大模块或仪器的功能根据客户要求定制，主要性能参数如下：

• 频率范围：0-100MHz

• 工作模式：固定频率或者扫描模式

• 参考信号：内参考或者外参考

• 通道数：1-256

• 输入电压:1nV-5V

• 积分时间：1ms-10s

• 谐波次数：1-8

• 通信接口：USB、RS232或者RS485

• 定制功能：支持

已设计的锁相放大器如下：