近日，西安电子科技大学光电工程学院徐淮良教授团队的刘丽娴副教授，在高精度气体监测领域取得重要成果。团队从新型谐振腔设计、多模式复用和波形工程调制模式三方面突破，推动气体成分传感技术向更快响应、更高精度、更多组分方向发展。
“光声光谱气体监测具有小、快、准、适应性强等优势，在光声光谱气体监测方面，我们的技术目前应该说与国际最先进技术是并跑的。”刘丽娴介绍。
光谱与气体的独特关联
常用的气体监测手段主要依赖气相色谱、电化学等方法。然而，这些监测仪器存在成本高昂、可检测气体种类有限、使用寿命不长等诸多问题。那么，怎样才能让气体监测仪成本降低、更便于携带、精度更高，并且能够适应大多数气体不同浓度的检测需求呢？
在团队负责人徐淮良的指导下，刘丽娴开始探寻这些问题的答案，并将目光聚焦于“光”。
光究竟如何实现对气体的检测呢？刘丽娴形象地解释道：“就像人会有喜欢的颜色一样，气体也有‘喜欢’的光谱，面对‘喜欢’的光谱，它们就会呈现特定的反应，而且这种‘喜欢’是一一对应的。”正是由于气体与光谱几乎一对一匹配的“指纹”式特性，使得通过光来进行气体检测成为可能。
光声光谱温室气体监测仪
气体监测根据场景不同会有不同要求。比如，在日常环境下需同时监测出温室气体中不同浓度的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等气体。工业气体泄漏、消防救援等场景下，要求气体监测快速且准确，同时监测仪需要尽量小，便于搬动或者携带。在二氧化碳的监测中，有卧室人体呼出气体ppb（十亿分之一浓度）级的监测，也有在森林等自然环境中百分之几的监测，这就要求气体监测能够满足浓度范围跨度大的需求。
“光对气体适应性很强，通俗地来说就是‘不挑食’，只要选对了波段，对任何气体都可以检测”，刘丽娴介绍，将调制后的激光打到装有气体的光热池里，吸收了光的气体就会产生热量从而有了声压的变化，电解麦克风探测到变化后将声信号转化为电信号，经过放大的电信号被处理后即可被相应软件采集到，就会形成与之对应的波形显示图，“正是因为光与气的一一对应，和我们采用的‘光-热-声’的检测方式，确保了我们这一台机器就能够适用于各种有机、无机气体同时监测。”
10滴水一样大的腔体
在满足了不同气体同时监测的需求后，刘丽娴还需攻克小型化快速高精度探测的难题。
“虽然我们的监测方法对气体本身无损耗，但考虑设备应用前景，有些病患呼出气量可能很小，有些救援现场只有痕量气体，所以我们要考虑用尽量少的气体进行监测。”刘丽娴指出，气体用量少导致高频调控难度升级，如何实现低频调控、抵抗外界扰动成为关键。
“这台仪器最核心的部件是我们研发的新型谐振腔，腔体容积仅0.5毫升，相当于十滴水大小。通过这个腔体设计，首先实现了微型化；其次实现低频调制，保证稳定性；第三，放大气体吸收光后的微弱信号，提高内部转换效率，加快监测速度。”刘丽娴指着实验台上约1包A4纸大小的黑色仪器介绍，“我们用这台仪器去医院监测过常用吸入式麻醉剂七氟烷。与商用监测仪相比，我们的机子能更快发现病人呼出气体的变化，为手术提供更好保障。”
在医院手术室进行七氟烷实测
在优化监测过程的同时，刘丽娴也在思考从源头上提升监测效果。她与团队成员投身于量子级联激光器波长调制光声光谱技术的研究。
量子级联激光器是一种中红外半导体激光器。之所以选择中红外波段，是因为许多气体在该波段有吸收带，且吸收线的线宽更符合气体吸收特性要求，非常适合气体传感。刘丽娴解释：“气体和人一样有不同‘颜色偏好’。比如，相较于黄色，我更喜欢粉色，看到粉色时反应更强烈。对于气体而言，虽然对近红外和中红外波段都有吸收，但对中红外波段吸收更强。所以通过量子级联激光器从源头上加大对气体的‘刺激’，使原始信号变大，后续研究更好开展。”量子级联激光器可将气体对中红外波段的吸收提升两个量级，在高精度探测时是必不可少的得力助手。不过在中精度探测时，考虑成本问题，更多使用电力和光伏光源等形式。
优势整合实现万亿级的监测
“我们不可能把气体都带到实验室检测，为满足更多室外场景监测需求，设备要尽可能小，便于携带。”解决探测难题后，刘丽娴还要考虑设备携带使用的便捷性，一块A4纸大小的电路板解决了这一问题。
光声光谱温室气体监测仪建模图
光声光谱温室气体监测仪渲染图
这块电路板是FPGA（现场可编程门阵列），作为一种可实现通用功能的可编程逻辑芯片，刘丽娴团队将所有功能模块集成于其上。“这种设计实现了设备整体的紧凑化、小型化与轻便化，同时让各项功能的耦合性显著提升。”她介绍道。
基于FPGA构架的激光调控和光声信号锁相解调模块，该团队做到了对气体的全量程监测，即用一台仪器，在不更换、增加传感器的前提下，对气体实现从极低浓度到高浓度的监测。这台仪器可自动识别气体浓度高低，气体浓度极低甚至只有痕量级别时用光声信号进行监测，浓度高时通过气体浓度对频率的影响进行监测，“我们实现了二氧化碳气体几十ppt（万亿分之一）至100%浓度超大动态范围监测。”刘丽娴表示。
未来，刘丽娴还在对这台已经犹如“六边形战士”的气体监测仪进行“升级”。“我们也在摸索与人工智能技术的结合，不管是大数据辅助降干扰，还是优化人机交互，都希望能够在这个赛道做到更好。”
（中国日报陕西记者站 秦峰|王格）
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