哈工大提出光致熱彈光譜傳感新技術，實現單石英音叉實時雙組分氣體傳感

MEMS 2026-06-27 07:11

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麥姆斯咨詢獲悉，近日，哈爾濱工業大學航天學院馬欲飛教授課題組提出基于正交相位調制與李薩如模式解耦的光致熱彈光譜傳感新技術，首次將李薩如振動模型引入多組分光熱氣體傳感領域，實現了單石英音叉對甲烷（CH4）與乙炔（C2H2）的同步檢測。相關研究成果以《用于實時多組分氣體傳感的光致熱彈光譜中的正交相位調制與李薩如模式解耦》(Orthogonal phase modulation and Lissajous mode decoupling in light-induced thermoelastic spectroscopy for real-time multi-component gas sensing)為題發表于《物理學進展報告》（Reports on Progress in Physics）期刊。

在環境監測、工業安全與過程控制等領域，實時多組分痕量氣體檢測具有不可替代的工程價值。以甲烷和乙炔為例，在油氣開采中，甲烷是泄漏的通用示蹤劑，乙炔則常預示局部高溫熱解或電弧等高危故障，同步獲取二者濃度可為故障早期預警提供更豐富的前兆特征。2018年，哈爾濱工業大學馬欲飛課題組提出光致熱彈光譜（Light-induced thermoelastic spectroscopy，簡稱 LITES）技術，使激光穿透待測氣體后聚焦于石英音叉表面，利用其光致熱彈效應反演氣體濃度。憑借非侵入、快速響應和全波段光譜檢測等優勢，LITES為氣體傳感開辟了新途徑并迅速成為研究熱點。然而，傳統單氣體傳感器難以實現雙組分實時同步分析，現有雙組分方案也因多探測元件或時分復用而面臨著系統復雜、無法真正同步的困境。

針對相關問題，馬欲飛課題組首次將李薩如振動模型引入LITES多組分傳感的機理分析，建立了雙路光熱激勵下石英音叉的二維受迫振動模型，揭示了振動軌跡與李薩如圖形的內在聯系，從物理機制層面闡明了相位差與幅值失衡對模式耦合及通道串擾的影響規律，為系統優化與校準提供了理論依據。在正交相位調制方案中，兩束分別對應甲烷和乙炔吸收線的連續波分布反饋激光器，以相同頻率（石英音叉共振頻率的二分之一）、45度相位差的正弦信號進行調制。兩束激光經波分復用器合束后，激勵同一支自行設計的低頻石英音叉，音叉產生的復合壓電信號通過鎖相放大器進行正交解調，從解耦后的X分量與Y分量中獨立反演兩種氣體的濃度信息。

該方案僅需單一調制頻率與單一探測器，在確保實時同步測量的同時顯著降低了系統復雜度。實驗結果表明，該正交相位調制的傳感器（OPM-LITES）對甲烷和乙炔均表現出優異的線性響應特性。在低中濃度區間內，二次諧波信號幅值隨氣體濃度呈穩定的線性增長，線性擬合決定系數R2均達到0.999；進一步拓展至高濃度區間，傳感器響應趨勢依然穩定，展現出寬量程檢測能力。Allan偏差分析進一步驗證了系統的長期穩定性，在200秒（s）積分時間下，甲烷和乙炔的最小探測極限分別達到0.32ppm（ppm為表示百萬分比的濃度單位）和0.29ppm。