双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。本发明专利技术的目的是解决现有的音叉式石英晶振一次泛频模式探测灵敏度不高的技术问题。本发明专利技术采用的技术方案是：一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振、与音叉式石英晶振相匹配的微型声音共振腔Ⅰ、微型声音共振腔Ⅱ和一个用于固定音叉式石英晶振以及微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的支架；所述微型声音共振腔Ⅱ和微型声音共振腔Ⅰ设在音叉式石英晶振振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。本发明专利技术中使用双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置具有灵敏度高的优点。

Double loop excitation qepas phonometer and gas detection device

The invention relates to a double loop excitation qepas phonometer and gas detection device. The object of the invention is to solve the technical problem that the detection sensitivity of an existing tuning fork type quartz crystal primary universal mode is not high. The technical proposal of the invention is: a double loop excitation of qepas phonometer, including a vertically arranged tuning fork quartz crystal, and the tuning fork quartz crystal matching miniature sound resonance cavity I, II and a miniature sound resonance chamber for fixing the tuning fork quartz crystal and bracket micro cavity sound I and II sound micro resonant cavity; the superposition of the miniature sound cavity and micro resonant cavity of the sound of the tuning fork quartz crystal in rallying the location of the gap respectively and along the tuning fork quartz crystal from bottom to two vibration antinode vibration frequency of a pan. The use of double loop excitation of the quartz enhanced photoacoustic gas spectrophone detection device has the advantages of high sensitivity.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光声光谱气体传感头及气体探测装置
，具体涉及一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。
技术介绍
石英增强光声光谱是传统的光声光谱一个变种，它是一种非常实用的技术，能够被使用在环境监控，工业过程控制和医疗分析等多个领域。石英增强光声光谱区别于传统光声光谱的特征在于它使用一只品质因子很高的音叉式石英晶振代替麦克风，来探测目标气体在吸收激发光后产生的声波。石英增强光声光谱的光谱测声器主要包含音叉式石英晶振和微型声音共振腔(通常由两根不锈钢毛细管构成)。尽管音叉式石英晶振本身能够完成对气体信号的测量，但配备微型声音共振腔后可以使信号大大增强。图1为音叉式石英晶振的正视图，音叉式石英晶振具有两个振臂，音叉式石英晶振在受到外部声波激励后，振臂沿图中箭头所指方向往复振动，为描述方便将音叉式石英晶振的振臂上与振动方向垂直的面称为内外振动面；与振动方向平行的面(即纸面上所看到的面以及背后的面)称作音叉式石英晶振的振臂侧面；两个振臂之间的间隙称为振臂间隙，如图1所示的振臂间隙方向向上。音叉式石英晶振下部有两个电极，各连接一个管脚，一个管脚与信号地相连接，另一个管脚用于输出因振动产生的电信号。两只细管被分置于音叉式石英晶振两边，管子轴心均与光路同轴，组成微型声音共振腔，光束通过第一根细管后从两振臂间通过然后通过第二根细管，见图2所示。被测气体吸收了光能之后，由于气体的碰撞退激发，释放声能，声能在微型声音共振腔中积累，再传递给音叉式石英晶振，引起音叉式石英晶振两振臂振动，紧接着音叉式石英晶振通过压电效应把机械振动能转化为电信号，而这些电信号的强度就正比于被探测的气体浓度。石英增强光声光谱技术结合了光声光谱和音叉式石英晶振的主要优点，形成了一个紧凑的、可靠的、低成本的光谱测声器。2013年以前，石英增强光声测声器使用的是商用标准音叉式石英晶振，它的基频共振频率为32.7kHz，振臂间距为300μm。这些商用的音叉式石英晶振主要用途是在手机和石英手表中作为时间基准。在近红外波段，基于商用标准音叉式石英晶振的高灵敏气体传感器已经被广泛应用。但是，由于激光的高斯光束直径随着激光波长的增大而变大，300μm的振臂间距限制了音叉式石英晶振用于长波长的中红外和太赫兹波段。因此，大间距的音叉式石英晶振被设计。由于振臂间距变大，这些定制的音叉式石英晶振都有较低的振动频率，导致微型声音共振腔太长，大间距带来的准直优势被破坏。另一方面，通过仔细设计音叉式石英晶振的几何结构，可以使音叉式石英晶振的一次泛频振动品质因子大大高于基频振动品质因子。由于石英增强光声光谱传感器的探测灵敏度与音叉式石英晶振的品质因子成正比，这就为我们提供了一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的方法。但目前公开的一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的装置，仍采用传统的石英增强光声光谱测声器配置，即由音叉式石英晶振和一个微型声音共振腔组成，虽然配备声音共振腔后可以使检测信号有所增强，但仍存在灵敏度不高的问题，而且传统的气体探测装置中使用了多个激光光源，增加了传感器功耗，同时也影响探测灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有的音叉式石英晶振一次泛频模式探测灵敏度不高的技术问题，提供一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振、与音叉式石英晶振相匹配的微型声音共振腔Ⅰ、微型声音共振腔Ⅱ和一个用于固定音叉式石英晶振以及微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的支架；所述每个微型声音共振腔由一对水平设置在音叉式石英晶振两侧且垂直于音叉式石英晶振的振臂面的不锈钢毛细管组成，每对不锈钢毛细管的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振的振臂间隙；所述支架由上下两个托盘组成，两个托盘的中间垂直向下设有放置音叉式石英晶振的长方形通孔，上、下托盘上还分别设有放置微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的凹槽，且凹槽与长方形通孔垂直，所述微型声音共振腔Ⅱ和微型声音共振腔Ⅰ设在音叉式石英晶振振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。进一步地，所述音叉式石英晶振的臂长为17mm，振臂间距为700μm，振臂的长宽比为17。进一步地，所述不锈钢毛细管的一端面与音叉式石英晶振的振臂侧面距离是20μm。进一步地，所述不锈钢毛细管的长度为8.5mm，内径为1.3mm，外径为1.58mm。本专利技术还提供了一种使用双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置，包括光学部分和电子部分，光学部分包括激光器、光学隔离器、光学环形器、光束准直器Ⅰ、光束准直器Ⅱ、光学相位补偿器、双波腹激发的石英增强光声光谱测声器和铝膜反射镜，激光器的光纤输出端口连接光学隔离器的输入端，光学隔离器的输出端连接光学环形器的第一端口，光学环形器的第二端口通过光纤连接光束准直器Ⅰ，光学环形器的第三端口通过光纤连接光学相位补偿器的输入端，光学相位补偿器的输出端通过光纤连接光束准直器Ⅱ，光束准直器Ⅱ设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅰ的入光侧，光束准直器Ⅰ设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅱ的入光侧，铝膜反射镜设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅱ的出光侧；电子部分包括功率计、激光器驱动、信号发生器、前置放大器、锁相放大器和电脑，功率计设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅰ的出光侧，激光器驱动的控制端连接激光器，信号发生器的信号输出端口连接激光器驱动的调制端口，信号发生器的同步端口连接锁相放大器的同步信号输入端，双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的信号输出端连接前置放大器的信号输入端，前置放大器的信号输出端连接锁相放大器的信号输入端，锁相放大器和功率计的信号输出端连接电脑的信号采集端口。进一步地，所述的光学相位补偿器由一根剥去包层的裸光纤和圆柱形压电陶瓷组成，裸光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷上。本专利技术的有益效果是：本专利技术中的双波腹石英增强光声光谱测声器使用了两个微型声音共振腔，使测声器的探测灵敏度增强，本专利技术中使用该测声器的气体探测装置中只安装了一个激光器，使激光器出射的光束通过相位匹配后三次通过音叉式石英晶振两振臂间隙，同时推动音叉式石英晶振的双波腹振动，相比于多个激光激发，高效利用了单个激光的光束，最小化了传感器功耗，同时探测灵敏度也增强。附图说明图1为现有音叉式石英晶振的主视图；图2为现有石英音叉与微型声音谐振腔构成的石英增强光声光谱测声器；图3为本专利技术双波腹激发的石英增强光声光谱测声器结构示意图；图4为本专利技术基于双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置结构示意图；图5为本专利技术信号幅值随h增长的变化图；图6为本专利技术信号相位随h增长的变化图；图7为本专利技术基于一次泛频振动，三种不同装置下的信号幅值比较。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。如图3所示，本实施例中的一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振1、与音叉式石英晶振1相匹配的微型声音共振腔Ⅰ2、微型声音共振腔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，其特征在于：包括一个竖直设置的音叉式石英晶振(1)、与音叉式石英晶振(1)相匹配的微型声音共振腔Ⅰ(2)、微型声音共振腔Ⅱ(3)和一个用于固定音叉式石英晶振(1)以及微型声音共振腔Ⅰ(2)和微型声音共振腔Ⅱ(3)的支架(5)；所述每个微型声音共振腔由一对水平设置在音叉式石英晶振(1)两侧且垂直于音叉式石英晶振(1)的振臂面的不锈钢毛细管(4)组成，每对不锈钢毛细管(4)的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振(1)的振臂间隙；所述支架(5)由上下两个托盘组成，两个托盘的中间垂直向下设有放置音叉式石英晶振(1)的长方形通孔(20)，上、下托盘上还分别设有放置微型声音共振腔Ⅰ(2)和微型声音共振腔Ⅱ(3)的凹槽，且凹槽与长方形通孔(20)垂直，所述微型声音共振腔Ⅱ(3)和微型声音共振腔Ⅰ(2)设在音叉式石英晶振(1)振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。

【技术特征摘要】
1.一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，其特征在于：包括一个竖直设置的音叉式石英晶振(1)、与音叉式石英晶振(1)相匹配的微型声音共振腔Ⅰ(2)、微型声音共振腔Ⅱ(3)和一个用于固定音叉式石英晶振(1)以及微型声音共振腔Ⅰ(2)和微型声音共振腔Ⅱ(3)的支架(5)；所述每个微型声音共振腔由一对水平设置在音叉式石英晶振(1)两侧且垂直于音叉式石英晶振(1)的振臂面的不锈钢毛细管(4)组成，每对不锈钢毛细管(4)的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振(1)的振臂间隙；所述支架(5)由上下两个托盘组成，两个托盘的中间垂直向下设有放置音叉式石英晶振(1)的长方形通孔(20)，上、下托盘上还分别设有放置微型声音共振腔Ⅰ(2)和微型声音共振腔Ⅱ(3)的凹槽，且凹槽与长方形通孔(20)垂直，所述微型声音共振腔Ⅱ(3)和微型声音共振腔Ⅰ(2)设在音叉式石英晶振(1)振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。2.根据权利要求1所述的一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，其特征在于：所述音叉式石英晶振(1)的臂长为17mm，振臂间距为700μm，振臂的长宽比为17。3.根据权利要求1或2所述的一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，其特征在于：所述不锈钢毛细管(4)的一端面与音叉式石英晶振(1)的振臂侧面距离是20μm。4.根据权利要求1或2所述的一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，其特征在于：所述不锈钢毛细管(4)的长度为8.5mm，内径为1.3mm，外径为1.58mm。5.一种使用权利要求1中的双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置，其特征在于：包括光学部分和电子部分，光学部分包括激光器(7)、光学隔离器(8)、光学环形器(9)、光...

【专利技术属性】
技术研发人员：董磊，郑华丹，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14