氣體傳感技術(shù)是工業(yè)安全、環(huán)境監(jiān)測及公共衛(wèi)生領(lǐng)域的基石，能夠?qū)崿F(xiàn)對危險(xiǎn)氣體泄漏的早期預(yù)警和污染物排放的精準(zhǔn)追蹤。隨著工業(yè)自動化進(jìn)程的加速以及環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，市場對能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)同步測量的小型化、低成本多氣體檢測系統(tǒng)的需求正急劇增長。

LITES技術(shù)突破傳統(tǒng)局限

光致熱彈性光譜（LITES）因其高靈敏度、優(yōu)異的選擇性及非接觸式測量能力，已成為痕量氣體檢測領(lǐng)域極具潛力的技術(shù)。與傳統(tǒng)的石英增強(qiáng)光聲光譜不同，LITES通過檢測氣體分子吸收調(diào)制激光后產(chǎn)生的周期性光熱信號進(jìn)行工作，這使其在腐蝕性氣氛和高溫火焰等惡劣環(huán)境中具有獨(dú)特的適應(yīng)性。

然而，現(xiàn)有的多氣體LITES系統(tǒng)主要依賴時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用方案。時(shí)分復(fù)用無法實(shí)現(xiàn)真正的同步檢測，而傳統(tǒng)頻分復(fù)用則需要為每個(gè)通道配備獨(dú)立的解調(diào)單元，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度增加、成本上升以及通道間串?dāng)_嚴(yán)重。這些局限性制約了該技術(shù)在大規(guī)模應(yīng)用中的推廣。

混合頻率外差解調(diào)架構(gòu)創(chuàng)新

針對上述痛點(diǎn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)國家激光空間信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬躍飛教授團(tuán)隊(duì)在《Light: Advanced Manufacturing》期刊上發(fā)表Zui新研究，開發(fā)了一種創(chuàng)新的混合頻率外差解調(diào)（MHD）架構(gòu)?；诖思軜?gòu)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一款基于單一石英音叉（QTF）的雙氣體LITES傳感器，成功實(shí)現(xiàn)了甲烷和乙炔的低串?dāng)_同步檢測。

該工作的核心創(chuàng)新在于混合頻率外差解調(diào)方案。該技術(shù)將不同頻率的光熱信號轉(zhuǎn)換為共同的中間頻載波，從而消除了對多個(gè)高頻參考源的需求，顯著降低了系統(tǒng)同步復(fù)雜度和硬件成本。傳感器利用單一定制頻率石英音叉的基頻和一次泛音振動模式，同時(shí)檢測兩種氣體成分。

為Zui小化通道間串?dāng)_，系統(tǒng)引入了由四階巴特沃斯濾波器、頻率混頻電路和窄帶鎖相放大組成的三級頻域隔離機(jī)制。綜合性能測試表明，通道間串?dāng)_被抑制在0.057%以下。兩個(gè)通道的線性度均表現(xiàn)優(yōu)異，濃度相關(guān)系數(shù)R2大于0.999，Zui大非線性誤差分別為滿量程的1.39%和1.48%，甲烷和乙炔的平均相對系統(tǒng)誤差分別為0.95%和0.93%。

在300秒積分時(shí)間下，該傳感器對甲烷的Zui小檢測限達(dá)到0.13 ppm，對乙炔為2.93 ppm。馬躍飛教授表示：“該架構(gòu)在保持優(yōu)異檢測性能的同時(shí)，極大地簡化了多氣體LITES系統(tǒng)，為開發(fā)集成化、低成本的多氣體傳感器提供了新的技術(shù)路徑?！?/p>

未來展望與產(chǎn)業(yè)化前景

展望未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)一步將解調(diào)技術(shù)集成到專用集成電路（ASIC）中，以實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化和便攜化。同時(shí)，通過利用石英音叉的更高階振動模式和額外的激光波長，檢測能力將擴(kuò)展至三種或更多氣體物種。團(tuán)隊(duì)將在工業(yè)和環(huán)境場景中開展實(shí)地測試，以驗(yàn)證技術(shù)的實(shí)際性能，推動其在天然氣管道監(jiān)測、化工廠安全及大氣環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

這一技術(shù)突破不僅展示了中國在高端傳感領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，也為全球環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的小型化和低成本化提供了可行的工程方案。對于國內(nèi)傳感器企業(yè)而言，這種通過算法與硬件架構(gòu)創(chuàng)新來降低系統(tǒng)復(fù)雜度的思路，值得在物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)備的研發(fā)中借鑒，有助于提升國產(chǎn)傳感器在國際市場的競爭力。