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Photoacoustic and Fiber-Optic Interferometer Spectroscopic Method for Simultaneous Detection of Multiple Trace Gases

化学 水蒸气 微量气体 光纤 干涉测量 光纤传感器 检出限 光声光谱学 光学 折射率 分析化学(期刊) 瑞利散射 激光器 色谱法 物理 有机化学
作者
Huiting Huan,Jialiang Sun,Lixian Liu,Ying Yue,Xueshi Zhang,Le Zhang,Yifan Li,Lingmin Zhang,Yimeng Zhang,Xuesen Xu,Huailiang Xu,Andreas Mandelis
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:97 (27): 14637-14648
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.5c02177
摘要

Dissolved gases in transformer oil are reliable indicators of operating conditions and fault types. Additionally, ambient water vapor can seriously affect the accuracy of photoacoustic dissolved gas analysis systems. Therefore, there is an urgent need for the development of the simultaneous detection of dissolved gases and water. A high-sensitivity, multiple-gas sensing system was developed by combining a differential photoacoustic cell and a water vapor fiber-optic sensor. The acoustic properties of the designed differential photoacoustic cell were analyzed through simulation and experimental validation for the differential and longitudinal modes, and the frequency difference between excitation and nonexcitation optical paths in the longitudinal mode was leveraged, achieving an amplitude response comparable to that of the differential mode. C2H2, CH4, and CO measurements were performed at three resonance frequencies using two DFB and a QCL source. To monitor H2O concentration and evaluate its effect on photoacoustic detection, a fiber-optic Fabry-Perot interferometer was developed using self-assembled microspheres with high specific surface area, single-mode optical fibers, and concentric tapered capillary tubes. Water vapor adsorption on the microspheres altered the refractive index, and cavity-length demodulation was employed to analyze the interference spectra to obtain the water vapor concentration. The water optical sensor showed high sensitivity of ∼112 pm/% for H2O detection. Experimental results demonstrated that the dual-mode multicomponent gas sensor can achieve detection limits of 1.15, 241.07, and 367.32 ppb for CO, C2H2, and CH4, respectively, with corresponding normalized equivalent noise absorption coefficients of 1.53 × 10-8 cm-1·W·Hz-1/2, 4.56 × 10-9 cm-1·W· Hz-1/2, and 3.75 × 10-9 cm-1·W·Hz-1/2.
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