哈工大研发单音叉双气体光致热弹性光谱传感器

气体传感技术是工业安全、环境监测及公共卫生领域的基石，能够实现对危险气体泄漏的早期预警和污染物排放的精准追踪。随着工业自动化进程的加速以及环保法规日益严格，市场对能够进行实时同步测量的小型化、低成本多气体检测系统的需求正急剧增长。

LITES技术突破传统局限

光致热弹性光谱（LITES）因其高灵敏度、优异的选择性及非接触式测量能力，已成为痕量气体检测领域极具潜力的技术。与传统的石英增强光声光谱不同，LITES通过检测气体分子吸收调制激光后产生的周期性光热信号进行工作，这使其在腐蚀性气氛和高温火焰等恶劣环境中具有独特的适应性。

然而，现有的多气体LITES系统主要依赖时分复用或频分复用方案。时分复用无法实现真正的同步检测，而传统频分复用则需要为每个通道配备独立的解调单元，导致系统复杂度增加、成本上升以及通道间串扰严重。这些局限性制约了该技术在大规模应用中的推广。

混合频率外差解调架构创新

针对上述痛点，哈尔滨工业大学国家激光空间信息重点实验室马跃飞教授团队在《Light: Advanced Manufacturing》期刊上发表Zui新研究，开发了一种创新的混合频率外差解调（MHD）架构。基于此架构，团队构建了一款基于单一石英音叉（QTF）的双气体LITES传感器，成功实现了甲烷和乙炔的低串扰同步检测。

该工作的核心创新在于混合频率外差解调方案。该技术将不同频率的光热信号转换为共同的中间频载波，从而消除了对多个高频参考源的需求，显著降低了系统同步复杂度和硬件成本。传感器利用单一定制频率石英音叉的基频和一次泛音振动模式，同时检测两种气体成分。

为Zui小化通道间串扰，系统引入了由四阶巴特沃斯滤波器、频率混频电路和窄带锁相放大组成的三级频域隔离机制。综合性能测试表明，通道间串扰被抑制在0.057%以下。两个通道的线性度均表现优异，浓度相关系数R²大于0.999，Zui大非线性误差分别为满量程的1.39%和1.48%，甲烷和乙炔的平均相对系统误差分别为0.95%和0.93%。

在300秒积分时间下，该传感器对甲烷的Zui小检测限达到0.13 ppm，对乙炔为2.93 ppm。马跃飞教授表示：“该架构在保持优异检测性能的同时，极大地简化了多气体LITES系统，为开发集成化、低成本的多气体传感器提供了新的技术路径。”

未来展望与产业化前景

展望未来，团队计划进一步将解调技术集成到专用集成电路（ASIC）中，以实现传感器的微型化和便携化。同时，通过利用石英音叉的更高阶振动模式和额外的激光波长，检测能力将扩展至三种或更多气体物种。团队将在工业和环境场景中开展实地测试，以验证技术的实际性能，推动其在天然气管道监测、化工厂安全及大气环境保护等领域的广泛应用。

这一技术突破不仅展示了中国在高端传感领域的研发实力，也为全球环境监测设备的小型化和低成本化提供了可行的工程方案。对于国内传感器企业而言，这种通过算法与硬件架构创新来降低系统复杂度的思路，值得在物联网感知层设备的研发中借鉴，有助于提升国产传感器在国际市场的竞争力。