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獲悉，該校光電工程學院徐淮良教授團隊劉麗嫻副教授近日在高精度氣體監(jiān)測方面取得新成果，從新型諧振腔設(shè)計、多模式復用和波形工程調(diào)制模式三方面出發(fā)，推動氣體成分傳感技術(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)測具有小、快、準、適應(yīng)性強等優(yōu)勢，在光聲光譜氣體監(jiān)測方面，我們的技術(shù)目前應(yīng)該說與國際最先進技術(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)測主要通過氣相色譜、電化學等方式進行，但這些對應(yīng)的監(jiān)測儀器存在成本高、可檢測氣體有限、使用壽命較短等問題，如何能夠讓氣體監(jiān)測儀成本降低、更加便攜、準確度更高，還能適應(yīng)大多數(shù)氣體不同濃度的檢測？

　　劉麗嫻在團隊負責人徐淮良的指導下，開始探尋這些問題的答案，并將目標對準了“光”。

　　“就像人會有喜歡的顏色一樣，氣體也有‘喜歡’的光譜，面對‘喜歡’的光譜，它們就會呈現(xiàn)特定的反應(yīng)，而且這種‘喜歡’是一一對應(yīng)的?！眲Ⅺ悑菇榻B，正是由于氣體與光譜幾乎一對一匹配的“指紋”式特性，使得通過光來進行氣體檢測成為可能。

　　光對氣體適應(yīng)性很強，通俗地來說就是“不挑食”，只要選對了波段，對任何氣體都可以檢測”，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產(chǎn)生熱量從而有了聲壓的變化，電解麥克風探測到變化后將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大的電信號被處理后即可被相應(yīng)軟件采集到，就會形成與之對應(yīng)的波形顯示圖?！罢且驗楣馀c氣的一一對應(yīng)，和我們采用的‘光-熱-聲’的檢測方式，確保了我們這一臺機器就能夠適用于各種有機、無機氣體同時監(jiān)測。”劉麗嫻解釋道。

　　10滴水一樣大的腔體

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

　　“雖然我們的監(jiān)測方法對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)場也只有痕量氣體，所以我們就要考慮用盡量少的氣體來監(jiān)測?！睔怏w用量少帶來的是高頻調(diào)控的難度升級，如何能夠做到低頻調(diào)控、抗外界擾動？

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

　　在對過程進行優(yōu)化的同時，劉麗嫻也在思考從源頭上予以提升，她同團隊成員一同投入到了量子級聯(lián)激光器波長調(diào)制光聲光譜技術(shù)的研究中。

　　量子級聯(lián)激光器是一種中紅外半導體激光器。之所以選擇中紅外波段，是因為許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。通過量子級聯(lián)激光器從源頭上把對氣體的“刺激”加大，原始信號變大，后續(xù)就能更好地開展研究。

　　量子級聯(lián)激光器可將氣體對中紅外波段的吸收提升兩個量級，因此，在高精度探測時成為必不可少的得力助手，但在中精度探測時，則會兼顧考慮成本問題，更多使用的是電力和光伏光源等形式。

　　優(yōu)勢整合實現(xiàn)萬億級的監(jiān)測

　　為了滿足更多室外場景的監(jiān)測需要，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題。這塊電路板就是FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，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，可以實現(xiàn)整體的緊湊化小型化輕便化，而且各項功能的耦合性也更好。

　　基于FPGA構(gòu)架的激光調(diào)控和光聲信號鎖相解調(diào)模塊，劉麗嫻做到了對氣體的全量程監(jiān)測。全量程監(jiān)測就是用一臺儀器，在不更換、增加傳感器的前提下，對氣體實現(xiàn)從極低濃度到高濃度的監(jiān)測，依據(jù)朗伯比爾定律，在FPGA基礎(chǔ)上的多物理場耦合使儀器可自動識別氣體濃度高低，氣體濃度極低甚至只有痕量級別時用光聲信號進行監(jiān)測，濃度高時通過氣體濃度對頻率的影響進行監(jiān)測，實現(xiàn)了二氧化碳氣體幾十ppt(萬億分之一)至100%濃度超大動態(tài)范圍監(jiān)測。

　　小、快、準、全，劉麗嫻還在對這臺已經(jīng)猶如“六邊形戰(zhàn)士”的氣體監(jiān)測儀進行“升級”?！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)化人機交互，都希望能夠在這個賽道做到更好?！眲Ⅺ悑拐f道。(完)