噪声测量传感器

噪声污染是主要环境污染之一，但噪声污染与空气污染、水污染不同，它属于物理性污染(或称能量污染)。一般情况下噪声污染并不致命，且与声源同时产生同时消失。噪声源分布很广，较难集中管理。由于噪声渗透到人们生产和生活的各个领域，且能够直接感觉到它的污染，不像其他物质污染那样在产生后果时才受到注意，所以噪声诉讼成为城市环境诉讼案件中最多的。 一、噪声的危害1、对人听力的影响强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤。在噪声长期作用下，听觉器官的听觉灵敏度显著降低，称作“听觉疲劳”，经过休息后可以恢复。若听觉疲劳进一步发展便是听力损失，分轻度耳聋、中度耳聋以至完全丧失听觉能力。据测定，超过115dB的噪声将会造成耳聋。2、诱发多种疾病噪声间接的生理效应是诱发一些疾病。噪声会使大脑皮质的兴奋和压抑失去平衡，引起头晕、头疼、脑涨、耳鸣、多梦、失眠、嗜睡、心慌、记忆力减退、注意力不集中等症状，临床上称之为“神经衰弱症” 噪声还会对心血管系统造成损害，它可使交感神经紧张，从而出现心跳加快，心律不齐，心电图波升高或缺血性改变，传导阻滞，血管痉挛，血压变化等 噪声会加速心脏衰老，增加心肌梗塞发病率。3、对视力的影响噪声可造成眼疼、视力减退、眼花等症状 噪声会使人的胃功能紊乱，出现食欲不振、恶心、肌无力、消瘦、体质减弱等症状。4、对动物的影响噪声能对动物的听觉器官、视觉器官、内脏器官及中枢神经系统造成病理性变化。噪声对动物的行为有一定的影响，可使动物失去行为控制能力，出现烦躁不安、失去常态等现象，强噪声会引起动物死亡。鸟类在噪声中会出现羽毛脱落，影响产卵率等。5、对建筑物的影响当噪声超过140dB时，对轻型建筑开始有破坏作用。如，当超声速飞机在低空掠过时，在飞机头部和尾部会产生压力和密度突变，经地面反射后形成N形冲击波，传到地面时听起来像爆炸声，这种特殊的噪声叫做轰声。在轰声的作用下，建筑物会受到不同程度的破坏，如出现门窗损伤、玻璃破碎、墙壁开裂、抹灰震落、烟囱倒塌等现象。由于轰声衰减较慢，因此传播较远，影响范围较广。此外，在建筑物附近使用空气锤、打桩或爆破，也会导致建筑物的损伤。二、噪声传感器的选择技巧1、灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。2、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。3、线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。4、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。5、精度精度是噪声传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。

近日，来自山东师范大学光学与光子器件技术重点实验室的联合研究团队发表了一篇题为 Open-path sensor based on QCL for atmospheric N2O measurement 的研究论文。Recently, a collaborative research team from the Shandong Provincial Engineering and Technical Center of Light Manipulations & Shandong Provincial Key Laboratory of Optics and Photonic Device, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University published a research paper titled Open-path sensor based on QCL for atmospheric N2O measurement.简介作为重要的温室气体之一，氧化亚氮（N2O）可能导致空气污染和全球变暖。N2O在大气中的寿命很长，更糟糕的是，其全球变暖潜力比二氧化碳高300倍。因此，开发一种快速、实时和高精度的气体传感器系统，用于检测大气中的N2O浓度水平，对于更好地理解全球变暖和气候变化至关重要。调谐二极管激光吸收光谱学（TDLAS）在高灵敏度、选择性和快速响应领域广泛报道，并已被证明是实时检测N2O的可靠工具。基于波长调制光谱学（WMS）的TDLAS已被证明是提高检测灵敏度和降低电子噪声的良好方法。大多数传感器是封闭路径系统。这严重限制了在远程或露天研究中进行连续监测的实际适用性，并限制了测量的空间覆盖范围。为解决这一问题，本文开发了一种紧凑的开放光学路径气体传感器系统。Introduction As one of the important greenhouse gases, nitrous oxide (N2O), can give rise to air pollution and global warming. N2O has a long atmospheric lifetime, and worse its global warming potential is 300 times higher than carbon dioxide. Therefore, the development of a fast, real-time, and high-precision gas sensor system for detecting the atmospheric N2O concentration level is essential for the better understanding of global warming and climate changes.Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), as a versatile technique, has be widely reported for real-time analysis of gas compositions in the field of high sensitivity, selectivity, and fast response and it has been demonstrated as a dependable tool for real-time detection of N2O. Wavelength modulation spectroscopy (WMS) based TDLAS has been proved to be a good method for improving the detection sensitivity and reducing the electronic noise. Most of sensors are closed-path systems. This severely restricts the practical applicability of continuous monitoring in remote or open-field researches, and limits the spatial coverage of the measurements. To address this problem, in this paper, we develop a compact openoptical-path gas sensor system.实验细节基于QCL的开路N2O气体传感器的系统框架如图1所示。它主要由三部分组成：激光系统、光学元件和数据处理部分。激光系统由QCL、激光驱动器和信号发生器组成。光学部件具有检测光路和参考光路。数据处理部分包括数据采集、信号处理和显示模块。The system framework of the open-path N2O gas sensor based on QCL is depicted in Fig. 1. It mainly consists of three parts: the lasersystem, the optical elements, and the data processing section. The laser-system consists of a QCL, a laser drive and a signal generator. The optical component has the detecting and reference optical paths. The data processing section includes the data acquisition, signal processing and display modules.Fig. 1. The N2O sensor system schematic diagram.宁波海尔欣光电科技有限公司为此项目提供了HPQCL-Q&trade 标准量子级联激光发射头，QC750-Touch&trade 量子级联激光屏显驱动器，HPPD-M-B 前置放大制冷一体型碲镉汞（MCT）光电探测器。HealthyPhoton Technology Co., Ltd. , provided a QCL(HPQCL-Q&trade ), a driver(QC750-TouchTM), a HgCdTe photodetector (HPPD-M-B) for this project.HPQCL-Q&trade QC750-Touch&trade HPPD-M-B在这项工作中，需要考虑N2O或其他物质（主要是水蒸气）的光谱吸收干扰，以减少它们对系统特异性和准确性的副作用。如图2(c)所示，根据HITRAN 2016数据库，已经模拟了N2O、CO和CO2的吸收线强度，范围从2020 ~ 2220 cm-1。幸运的是，N2O的独特基本振动带在波数为2200cm-1左右，远离水蒸气的吸收带。因此，室温下的QCL可以达到N2O的基本振动带，检测灵敏度为ppb级。考虑到灵敏度和成本，选择了中心波数为2203.73 cm-1的QCL来检测N2O。QCL的中心电流和温度分别设置为330 mA和36.0 °C。DetailsIn this work, we need to take the spectral absorption interference of N2O or other substances (mostly water vapor) into consideration in order to reduce their side effects on the specificity and accuracy of the system. As depicted in Fig. 2(c), the absorption line intensity of N2O, CO and CO2 have been simulated from 2020 ~ 2220cm-1, according to the HITRAN 2016 database. Fortunately, the unique fundamental vibration band of N2O is around wavenumber of 2200cm-1, which is stay away from the absorption band of water vapor. Therefore, the N2O fundamental vibration band can be reached by room-temperature QCL, and the detection sensitivity is ppb level. Taking sensitivity and cost into consideration, a QCL emitting at center wavenumber of 2203.73 cm-1 was selected for detection of N2O. Of the QCL, the central current and temperature were set at 330 mA and 36.0 ◦ C, respectively.Fig. 2. (a): The relationship between the QCL emission wavenumber and drive current. (b): The dependence the QCL emission wavenumber and temperature. (c): The intensity distribution of absorption lines of N2O, CO and CO2 in the range of 2020 ~ 2220 cm-1.结论我们实现了用一种紧凑的开路气体传感器检测大气中的N2O。在这种传感器中，采用了波长调制光谱学与1f-归一化WMS检测策略，以提高检测灵敏度并消除光强度波动的影响。对20 ppm N2O标准气体进行了校准，标准偏差为0.011 ppm，表明具有高精度。对实验室N2O空气进行了连续7小时的测量，浓度的标准偏差低于1.5 ppb。我们使用Allan偏差分析得出，在1秒的积分时间下，N2O的检测限为1.1 ppb，而在最佳积分时间为95秒时，灵敏度可以提高到0.14 ppb。通过在自然环境中进行的为期两天的实时测量验证了所开发传感器系统的长期稳定性。得出的结果充分证明我们的开放光学路径气体传感器系统具有快速响应、良好稳定性、高灵敏度和卓越的精度。在实际应用方面，该系统可用于检测农田和汽车尾气中的N2O排放。此外，我们认为通过更新具有不同发射波长的QCL，传感器系统还可以检测不同类型的微量气体。Conclusions A compact open-path gas sensor is developed for detection of atmospheric N2O. In such sensor, the wavelength modulation spectroscopy with 1f-normalized WMS detection strategy is employed to improve the detection sensitivity and eliminate the influence of light intensity fluctuations. The 20 ppm N2O standard gas is calibrated and the standard deviation is 0.011 ppm, which demonstrates it has high accuracy.Laboratory N2O air is continuously measured for 7h and the standard deviation of the concentration is below 1.5 ppb. We use Allan deviation analysis to derive that N2O detection limit is 1.1 ppb at integration time of 1 s, and the sensitivity can be improved to 0.14 ppb at an optimal integration time of 95 s. The long-term stability of the developed sensor system is verified by a two-day real-time measurement in ambient air. The derived results well demonstrate our open-optical-path gas sensor system has a fast response, a good stability, a high sensitivity, and an excellent accuracy.In terms of practical application, the developed system can be used to detect N2O emissions in farmland and automobile exhaust. Furthermore, we believe the sensor system can detect different types of trace gases, by updating QCLs with different emission wavelengths.参考来源：Open-path sensor based on QCL for atmospheric N2O measurement,Results in Physics 31 (2021) 104909

精密位移传感器技术比较PIEZOCONCEPT 在其压电级中使用什么类型的位移传感器？为什么它优于其他传感器技术？PIEZOCONCEPT 使用单晶硅传感器，称为Si-HR 传感器。尽管它是应变仪传感器大系列的一部分，但它的性能优于其他两种常用技术（电容式传感器和金属应变仪）。这两种位置传感技术有其自身的特定缺点。 电容式传感器与 PIEZOCONCEPT 公司Si-HR 传感器的比较电容式传感器非常常用。他们提供了不错的表现，但他们对以下情况很敏感：• 气压变化：空气的介电常数取决于气压。电容测量将受到任何压力变化的影响。• 温度变化：同样的，空气的介电常数会随温度变化• 污染物的存在以上所有都会导致一些纳米级的不稳定性，因此如果您想实现真正的亚纳米级稳定性，则需要将它们考虑在内。即使可以对气压和温度进行校正，也无法校正其他因素（污染物、脱气）的影响。这解释了电容式传感器在真空环境中性能不佳的原因。此外，电容式传感器非常昂贵且体积庞大。因此，带有电容传感器的位移台不可能做的有像的 BIO3/LT3 这样薄，即使设计的好也会在稳定性方面进一步牺牲性能。因为它是一种固态技术，所以Si-HR 传感器的电阻不依赖于气压或污染物的存在。其次，温度变化会对测量产生影响（主要是因为材料的热膨胀），但这可以通过使用传感器阵列来纠正。基本上，我们为每个轴平行使用 2 个硅传感器 - 一个用于测量，另一个用于考虑由于温度变化导致的材料膨胀。金属应变计与 PIEZOCONCEPT Silicon HR 技术的比较金属应变计与我们的 Silicon HR 技术（也是应变计）之间的差异更大。金属应变计和硅传感器应变计之间存在两个巨大差异。竞争对手试图说所有的应变仪都具有相同的性能，因为它们测量的是应变。这是不正确的。半导体应变计在稳定性方面与金属应变计有很大不同。金属应变计和Si-HR 传感器（PIEZOCONCEPT 使用）之间的第yi个区别是应变系数：半导体应变仪（Si-HR）的应变系数大约是金属应变仪的 100 倍。更高的规格因子导致更高的信噪比，最终导致更高的稳定性。 更重要的是，第二个区别是金属应变计不能直接安装在弯曲本身上（即实现运动的地方）：金属应变计必须安装在某种“背衬”上。因此，它必须安装在执行器本身上，因为您没有足够的空间将其安装在挠性件上。仅在执行器上测量的问题是压电执行器有很多缺陷......存在蠕变或滞后等现象。因此，由于压电执行器的伸长不均匀，因此仅测量执行器的部分伸长率并不能精确地扣除其完全伸长率。通过对弯曲本身进行测量，我们不会遇到这种“不均匀”问题。由于上述原因，如果您比较应变计（金属）和 PIEZOCONCEPT 的Si-HR 传感器，在信噪比和稳定性方面存在巨大差异。 关于法国PIEZOCONCEPT公司 PIEZOCONCEPT 是压电纳米位移台领域的领宪供应商，其应用领域包括但不限于超分辨率显微镜、光阱、纳米工业和原子力显微镜。其产品已被国内外yi流大学和研究所从事前沿研究的知名科学家使用，在工业和科研领域受到广泛好评。 多年来，纳米定位传感器领域电容式传感器一直占据市场主导地位。但这项技术存在明显的局限性。PIEZOCONCEPT经过多年研究，开发出硅基高灵敏度位置传感器（Silicon HR）技术，Si-HR传感器可以实现更高的稳定性和线性度，以满足现代显微镜技术的更高分辨率要求。 PIEZOCONCEPT的目标是为客户提供一个物美价廉的纳米或亚纳米定位解决方案，让客户享受到市面上蕞高的定位准确性和稳定性的产品使用体验。我们开发了一系列超稳定的纳米定位器件，包含单轴、两轴、三轴、物镜扫描台、快反镜和配套器件，覆盖5-1500um行程，品类丰富，并提供各类定制化服务。与市场上已有的产品相比具有显着优势，Piezoconcept的硅传感器具有很好的稳定性、超本低噪声和超高的信号反馈，该技术优于市场上昂贵的高端电容传感器。因此，我们的舞台通过其简单而高效的柔性设计和超本低噪声电子器件提供皮米级稳定性和亚纳米（或亚纳米弧度）本底噪声。更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。