Lastkapazitätsanpassung zur Resonanzfrequenzanpassung bei multi-Quarz-Stimmgabel-verstärkter laserspektroskopischer Sensorik

Es wird erstmals eine neuartige Lastkapazitätsanpassungsmethode vorgeschlagen, um die Resonanzfrequenz einer Quarzstimmgabel (QTF) in einem Multi-QTF-basierten Laserspektroskopie-Gassensor anzupassen. Ein Sensorsystem, das quartzverstärkte photoakustische Spektroskopie (QEPAS) und lichtinduzierte thermoelastische Spektroskopie (LITES) integriert, wurde aufgebaut, um die vorgeschlagene Methode zu validieren. In diesem System besteht das QEPAS-Modul aus QTF1, während das LITES-Modul auf QTF2 basiert. Methan wurde als Zielgas gewählt, um sowohl die Zuverlässigkeit der Methode als auch die Performance des Sensors zu bewerten. Ohne Frequenzanpassung betrug der Unterschied der Resonanzfrequenzen zwischen QTF1 und QTF2 6,67 Hz, was zu einer Überlagerungseffizienz von lediglich 33,7 % für den QEPAS-LITES-Sensor führte. Mit der Anwendung der Lastkapazitätsanpassungsmethode wurde die Lastkapazität von QTF2 justiert, um dessen Resonanzfrequenz der von QTF1 anzunähern. Dadurch konnten die Resonanzfrequenzen beider QTFs erfolgreich abgeglichen werden, was die Überlagerungseffizienz auf 98,7 % steigerte. Der QEPAS-LITES-Sensor mit Lastkapazitätsanpassung zeigte eine starke lineare Konzentrationsantwort. Zudem wurde die Langzeitstabilität mittels Allan-Abweichungsanalyse bewertet. Mit einer mittleren Messzeit von 100 s verbesserte sich die minimale Nachweisgrenze des QEPAS-LITES-Sensorsystems auf 5,91 ppm.