[發明專利]雙諧振腔光聲光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置

有效

• 申請號: 201410096854.4
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN103837226A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 董磊
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08;G01N21/25
• 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，具體為一種雙諧振腔光聲光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置。

背景技術

光聲光譜是一種無背景探測技術，也就是說在沒有被測氣體存在時，就沒有光聲信號的產生，因而它是一種非常靈敏的技術，能夠用來探測大氣中的痕量氣體。光聲光譜的兩個最大的優點是它無波長選擇性和它的靈敏度與激發光功率成正比。第一個優點使同一個光聲光譜探測器能夠用于從紫外到中紅外任何類型和任何波長的激光器，并獲得相同的性能。這樣，在同一個光聲池中能夠使用不同波長的光源探測不同氣體實現多氣體傳感探測。第二個優點能夠使光聲光譜傳感器從大功率光源的不斷發展中或者從被增強的激發功率中獲益。

石英增強光聲光譜是光聲光譜的一個變種，它使用了一個高Q因子（品質因子）的石英音叉代替傳統的寬帶麥克風。所述品質因子Q定義為振子在諧振時存儲的機械能與在一個周期內損耗的機械能之比。它保留了傳統光聲光譜的主要特性，同時具有小巧、耐用、便宜的優點。與傳統的光聲池（≥10?cm³）體積比較，石英增強光聲光譜探測模塊僅僅2cm³，與探測光源的體積大小相當。但這同時使光學準直需要直接從毫米量級下降到微米量級。當耦合兩束波長不同的激光束進入一個石英增強光聲光譜測聲器時，例如，設計一個基于石英增強光聲光譜的雙氣體傳感器，由于光學元件的色差存在，這將是非常困難的。光纖器件的使用能夠簡化準直過程，但光纖仍舊是波長選擇元件，不能完成兩束波長不同的激光器光束合并。

另一方面，石英增強光聲光譜測聲器具有很高的Q值，它導致了一個較長的聲能積累時間，即響應時間較長。因此配置石英增強光聲光譜測聲器在吸收線掃描模式下是不實用的。通常的做法是激光波長鎖在目標吸收線中心，從而無法獲得整條吸收線波形。

音叉式石英晶振的結構包括一個豎直設置的音叉形狀的石英（從石英頂部中心向下開有縫隙，稱為振臂間隙），石英的下端部連接有兩個管腳。

發明內容

本發明為解決目前石英增強光聲光譜裝置存在的無法同時用于兩個不同波長的雙光束激光、從而無法實現雙氣體測量以及響應速度太慢、無法工作在光譜掃描模式下的技術問題，提供一種雙諧振腔光聲光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置。

本發明所述的雙諧振腔光聲光譜測聲器是采用以下技術方案實現的：一種雙諧振腔光聲光譜測聲器，包括一個豎直設置的音叉式石英晶振，還包括與音叉式石英晶振相配合的兩個微聲諧振腔；所述每個微聲諧振腔由一對分別水平設置在音叉式石英晶振兩側且垂直于音叉式石英晶振振臂面的鋼制細管組成，每對鋼制細管的中心軸線重合且均穿過音叉式石英晶振的振臂間隙；所述兩個微聲諧振腔上下排列。?

本發明所述的測聲器使用了兩個微聲諧振腔去構建兩個探測通道，每一個微聲諧振腔由兩個鋼制細管組成，被放置在石英晶振兩側，通過管子內氣體中被激發的聲波耦合到音叉式石英晶振上。這樣，兩個波長不同的激光光束能夠從兩邊分別通過兩個微聲諧振腔，避免了合束操作。

雙諧振腔光聲光譜測聲器的設計是建立在這樣一個事實基礎上：在音叉式石英晶振的表面由于微聲諧振腔引起的粘性拖拽效應導致一個較寬的聲波探測靈敏區域，而不是像此前研究人員認為的那樣靈敏點僅僅在開口處向下0.7mm處。圖2顯示了一個微聲諧振腔(由兩個4.4mm長，內徑0.6mm，外徑0.9mm的鋼制細管組成)從音叉頂部不斷向下移動時，在不同位置處獲得的信噪比和石英晶振的Q值。水平軸代表微聲諧振腔中心位置，零點代表音叉式石英晶振的頂端。信噪比在0.2mm到2mm間的變化比較平緩，這里足夠放下兩個緊貼著的管子，形成雙微聲諧振腔石英增強光聲光譜測聲器（即雙諧振腔光聲光譜測聲器）。

由于兩個微聲諧振腔都處在音叉式石英晶振的聲波探測靈敏區域，每個微聲諧振腔都與音叉式石英晶振通過聲能形成了較強的耦合。這樣，在上微聲諧振腔-音叉式石英晶振-下微聲諧振腔之間建立了一個能量傳遞通道。當上微聲諧振腔單獨工作時，音叉式石英晶振會損失一部分能量傳遞給下微聲諧振腔，相反也是如此。這種能量的損耗體現在品質因子Q上，雙諧振腔光聲光譜測聲器品質因子Q都在2000以下，最低可以達到~600。對于一個諧振子來說，它的響應時間可以用Q/πf₀，其中f₀是音叉式石英晶振的共振頻率，低的Q值就必然帶來了快速的動態特性和響應時間。一個~600的品質因子能夠獲得~5ms的快速響應時間，比裸石英晶振的要快23倍左右。