光声效应已有 150 多年历史：当气体被光照加热时，脉冲光会在气体中产生周期性的压力波或声波，其频率可与特定气体一一对应。这一效应为在极低气体浓度下进行高精度检测提供了基础。

然而，尽管灵敏度极高，传统光声检测技术长期只在小众领域应用，关键原因在于其依赖谐振腔进行声学放大。谐振腔对空气压力、温度以及机械应力的微小变化都非常敏感。要获得准确测量，系统必须始终精确锁定正确的谐振频率，这在实际环境中十分困难。

发光二极管带来的关键进展

Fraunhofer IPM 的 Christian Weber、Katrin Schmitt 和 Johannes Herbst 团队在这一难题上取得了突破。他们提出了一种新的传感器原理：利用小型发光二极管持续监测传感器自身的谐振频率，并自动调整光激励，使系统始终工作在最佳谐振状态。

团队将原本的“缺点”转化为“特性”。传感器壁会吸收辐射并产生强烈的光声信号，以往这被视为干扰源。研究人员重新审视这一现象，提出利用第二光源，通过传感器壁快速测定谐振频率的方案。

Fraunhofer IPM 集成传感系统组项目负责人 Weber 解释道：“传感器壁吸收辐射并产生强光声信号。过去这被看作问题，但我们换个角度：这或许正是一种可利用的特性！现在我们结合第二光源，通过传感器壁快速测量谐振频率。”

借助这一方法，谐振放大在环境条件波动时仍能保持稳定。同时，由于硬件设计大幅简化，新型传感器的成本约为传统设备的十分之一。

泄漏检测中的首个成功应用

这一简化方案的优势已在首个重要应用中得到验证：Schütz Messtechnik 已将该技术用于天然气管网检测。为了及早发现泄漏，需要在空气中识别极低浓度的甲烷。

Fraunhofer IPM 光谱与过程分析组项目负责人 Herbst 指出：“测量腔体积从此前约 4 升缩小到约 4 毫升，测量速度和精度都显著提升。更小的体积也让系统更加便携，适用场景更广。”

另一重要应用方向是气体绝缘高压系统。借助这项新传感技术，首次可以对绝缘气体质量进行连续、集成式监测，为可靠状态评估和提升运行安全性提供了关键基础。

跨学科合作推动技术落地

该技术能够迅速走向市场，离不开多方紧密合作。Weber 凭借其关于光声学的博士研究获得 2025 年 Hugo Geiger 奖；热测量技术与系统组负责人 Schmitt 以及在激光光谱领域具备深厚经验的 Herbst 共同推动了技术转移。众多同事的支持也为方案的成熟与应用起到了重要作用。

这项获奖的传感器原理充分展示了高水平研究的技术影响力。Schmitt 表示：“当看到最终产品时，能说一句‘这里面有 Fraunhofer 的成果’，总是让人非常欣慰。”

目前的甲烷传感器只是起点。基于谐振光声学的更多应用已经可以预见，从工业过程监控到繁忙道路的环境监测都在其覆盖范围内。凭借运行稳健、选择性高以及成本优势，这项技术有望从根本上改变气体检测的方式。