[發明專利]多石英晶振光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置

有效

• 申請號: 201310042529.5
• 申請日: 2013-02-04
• 公開（公告）號: CN103175791A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 董磊;賈鎖堂;尹王保
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術，具體為一種多石英晶振光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置。

背景技術

氣體分子存在于人類生活的整個空間，與人類的經濟、產業活動，身體健康等息息相關。隨著中國工業化進程的不斷加速，大量有毒危險氣體的排放嚴重的影響了人類的健康和生存。同時在石油、化工、航天、醫學、環境等領域中，需要對衍生氣體分子進行高精度高選擇性的監控，以優化各種工業過程?；诜肿庸庾V學的氣體檢測技術由于其靈敏度高、選擇性好、可在線實時檢測等優點，在近幾年來逐漸受到人們的重視。尤其是光聲光譜，以其對光源波長無選擇性及探測靈敏度與功率成正比的特性，更是被廣泛的應用。2002年美國萊斯大學激光科學組率先使用石英音叉代替傳統光聲光譜中的麥克風，來對氣體進行探測，使裝置體積大大縮小，取得了很好的效果。這種裝置核心探測部分主要由一只音叉式石英晶振和兩只細管組成。圖7為音叉式石英晶振的正視圖，音叉式石英晶振具有兩個振臂，音叉式石英晶振在受到外部激勵后，振臂沿圖中箭頭所指方向往復振動，為描述方便將音叉式石英晶振的振臂上與振動方向垂直的面稱為內外振動面；與振動方向平行的面（即紙面上所看到的面以及背后的面）稱作音叉式石英晶振的振臂側面；兩個振臂之間的間隙稱為振臂間隙，如圖7所示的振臂間隙方向向上。音叉式石英晶振下部有兩個電極，各連接一個管腳，一個管腳與信號地相連接，另一個管腳用于輸出因振動產生的電信號。兩只細管被分置于音叉式石英晶振兩邊，管子軸心均與光路同軸，組成微型聲音諧振腔，光束通過第一根細管后從音叉兩振臂間通過然后通過第二根細管，被測氣體吸收了光能之后，由于氣體的碰撞退激發，釋放聲能，聲能在微型聲音諧振腔中積累，再傳遞給音叉式石英晶振，引起音叉式石英晶振兩振臂振動，緊接著音叉式石英晶振通過壓電效應把機械振動能轉化為電信號，而這些電信號的強度就正比于被探測的氣體濃度。這種配置被叫做雙管配置。隨后，為進一步提高其靈敏度，兩個細管的幾何尺寸被進一步優化。也有人僅僅使用一只單獨的長管作為聲音諧振腔，長管中部被開一狹縫，長管相當于被分成兩段，只剩一小部分連接；音叉式石英晶振被放置在長管中部的側面，長管狹縫與音叉式石英晶振的間隙所在位置相對，以便更好的滿足共振條件，這種配置叫做單管配置。但當前無論哪種配置，并怎樣通過變換諧振腔管與音叉式石英晶振的位置、尺寸，優化實驗裝置，都無法使探測靈敏度進一步提高，因為在現有的裝置下探測靈敏度已經到達了一個最優值；另一方面，以上裝置都存在一個不足之處，由于音叉式石英晶振的高Q特性（Q是指石英晶振的品質因數，品質因數=存儲能量/每周期損耗能量，品質因數越高響應帶寬越窄），使得其響應帶寬只有約2.5Hz，甚至更低，而它的響應頻率會隨著環境參數的變化，例如溫度、濕度、壓力等而變化，因此每次在進行氣體探測時，都必須對其共振頻率進行測量，然后再使用其共振頻率（一次諧波探測）或共振頻率一半（二次諧波探測）對其光源進行調制，否則音叉式石英晶振將不會響應氣體吸收光能之后釋放的聲波。這使得當前的氣體探測裝置操作較為繁瑣，探測效率較低。

發明內容

本發明為解決目前氣體探測裝置探測靈敏度不高、操作較為繁瑣的技術問題，提供一種多石英晶振光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置。

本發明所述多石英晶振光譜測聲器是采用以下技術方案實現的：一種多石英晶振光譜測聲器，包括一個多石英晶振組件；所述多石英晶振組件包括順次排列的至少兩個音叉式石英晶振，所述至少兩個音叉式石英晶振的振臂側面相互平行存有空隙且順次相對排列；每個音叉式石英晶振均有一個管腳與信號地相連接；每個音叉式石英晶振不與信號地連接的管腳共同連接有一個前置放大器。應用時，相鄰音叉式石英晶振振臂側面之間的間距為0.5mm-1cm，光束從音叉式石英晶振的振臂間隙之間穿過；光束與音叉式石英晶振頂端的垂直間距不大于2mm。?

采用本發明所述的多個音叉式石英晶振組合方式利用了音叉式石英晶振之間的耦合效應，使它們的響應曲線合并，它們之間的阻抗減小，Q值進一步降低，而調制頻率范圍明顯增大，能夠有效增強探測靈敏度。

進一步的，所述順次排列的音叉式石英晶振為一對；所述多石英晶振組件還包括一個穿過所述音叉式石英晶振對之間空隙的軸向與音叉式石英晶振對振臂側面平行的微型聲音諧振腔；所述微型聲音諧振腔中部外側面開有與兩個音叉式石英晶振的振臂間隙平行對齊的狹縫。