[發明專利]基于光激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201410153732.4
• 申請日: 2014-04-17
• 公開（公告）號: CN103884419B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 董磊;武紅鵬
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 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

本發明涉及音叉式石英晶振諧振頻率的測量技術，具體是一種基于光激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法及裝置。

背景技術

音叉式石英晶振是用具有壓電效應的石英材料做成的石英晶體諧振器，如圖1所示，其外觀呈“Y”形。這種石英音叉自面世以來便由于其諧振頻率穩定、體積小巧、品質因數高、價格低廉、使用壽命長等諸多優點被廣泛使用。尤其是近年來發展迅速的石英音叉增強光聲光譜技術、掃描探針顯微鏡技術以及微量化學分析技術更是將音叉式石英晶振的應用領域進一步拓寬至了氣體檢測、微觀成像、物質分析等高精尖領域。音叉式石英晶振在這些應用領域的高效率工作均依賴于其諧振頻率的精確測定。然而，由于材料特性、加工工藝、使用環境等因素的影響往往會造成其實際固有頻率與標定的諧振頻率間存在一定的誤差，因此，對石英音叉實際諧振頻率的快速精確測定意義重大。

傳統石英晶振諧振頻率的測量方法是以電激勵的方式使音叉起振而后通過探測石英晶體壓電效應產生的微弱電信號最終完成測量。測量時石英晶振的兩個電極分別被用作激勵端和測量端，在掃描激勵端所加正弦波頻率的同時，對由壓電效應產生的激發電流從測量端進行了測量并通過尋找激發電流最大值對應的掃描頻率最終確定音叉的共振頻率。這種探測方法雖然可以滿足眾多音叉應用領域的頻率檢測需求但仍存在一定的應用限制。首先，傳統頻率檢測方法中由于壓電效應產生的電信號非常微弱而在其測量端配置了前置放大電路，這樣的操作雖然解決了探測的需求但電子器材的引入造成其極易受到外界強電磁場的干擾，從而使這種方法在惡劣電磁場環境中無法被使用。另外，傳統測量方法需將石英音叉連接在配套的測量電路中進行檢測，因此要求音叉要便于拆卸組裝，這在很大程度上限制了傳統方法在當今高度集成化的電子產品領域中的應用。

發明內容

本發明為解決目前測量音叉式石英晶振的固有頻率時易受外界惡劣電磁環境影響導致結果不準確的技術問題，提供一種基于光激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法及裝置。

本發明所述的基于光激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法采用以下技術方案實現的：一種基于光激勵的音叉式石英晶振諧振頻率的測量方法，包括以下步驟：（a）對待測音叉式石英晶振采用激光光束進行激勵，對激光光束的強度進行調制，使激光光束的強度調制頻率在音叉式石英晶振的固有頻率附近進行掃描；（b）在對激光光束強度調制的頻率進行掃描的同時引入一束探測光入射至音叉式石英晶振的任意一個振臂的外側面上，探測光打在振臂外側面后產生的反射光與探測光所在平面呈豎直平面且該平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外側面；探測光與振臂外側面所成角度為10°~80°；（c）采集固定在空間位置上的一個接收面接收到的反射光因反射方向變化引起的強度變化信息，并將其強度轉化為相應的電信號，電信號變化幅度最大時表示此時音叉式石英晶振與激光發生共振；（d）對反射光的電信號進行解調，得到反射光強度變化量隨掃描頻率變化的頻率響應曲線，根據頻率響應曲線就可以得到待測音叉式石英晶振的固有頻率。

區別于傳統的頻率檢測技術，本申請設計了一種基于光學激勵音叉振蕩的非接觸式石英晶振諧振頻率快速測量方法。其原理是當外部激勵信號頻率（激勵光的頻率）與石英晶振的固有頻率相同時，音叉式石英晶振可與激勵信號形成共振從而引起音叉振臂的強烈振動。基于這一事實，可通過使用強度可被調制的光源產生強度按一定頻率改變的激勵光與音叉式石英晶振作用并依靠共振效應使音叉兩振臂起振，而后將一束未加調制的平行光（探測光）打在音叉式石英晶振任一振臂上，把振動信號轉化為光的強度變化信號，通過本領域技術人員熟知的解調方法得到反射光的強度變化幅度隨激勵光的掃描頻率變化的頻率響應曲線，頻率響應曲線中光信號強度變化幅度最大時即代表此時音叉式石英晶振的頻率就是它的固有頻率。探測光與振臂外側面之間的角度以及位置關系能夠保證反射光的強度變化幅度與振臂的振動幅度之間呈嚴格的線性關系，這樣才能夠保證測量結果的準確性。本方法優點是整個過程中不再依賴石英晶體的壓電效應以及放置非常近的前置放大器，用于接收發射光的裝置能夠被放置的很遠，從而很好的解決了前面提到的測量音叉頻率時易受外界電磁環境干擾技術問題，滿足了各音叉應用領域的頻率檢測需求。