[發明專利]單管共軸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: 201610053998.0
• 申請日: 2016-01-27
• 公開（公告）號: CN105651374B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 董磊;鄭華丹;賈鎖堂
• 申請（專利權）人: 山西大學
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08;G01N21/17
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

本發明涉及氣體傳感技術，具體為一種單管共軸光聲光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置。解決了目前石英增強光聲光譜中使用大音叉作為測聲器時，聲學諧振腔與大音叉之間聲波耦合效率較低的技術問題。有益效果：一、設計了一種新型的石英增強光聲光譜測聲器，借助新型音叉式石英晶振大的振臂間隙特點，將一個完整的單管聲學諧振腔插入到音叉式石英晶振的振臂間隙。單管聲學諧振腔的兩側開有方孔，使聲波通過方孔推動音叉式石英晶振的振臂振動而產生電信號。這種單管共軸配置大大提高聲波耦合效率，提高探測信噪比。二、單管聲學諧振腔內部的駐波模式更接近一維聲學諧振腔中的聲駐波模式，大大縮短了諧振腔的長度，同時減小了傳感器尺寸。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術，具體為一種單管共軸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

近年來，光聲光譜技術作為一種新型光譜探測技術以其零吸收背景，高探測靈敏度，探測器件沒有波長選擇性等優點被廣泛運用于工業控制、農業生產、航空航天檢測等各個行業。當一束被調制的激光穿過待測樣品時，若光源的發射波長與樣品的吸收線波長相吻合時，激光能量就會被樣品吸收。吸收了光能量的樣品分子被激發到激發態，然后由于激發態的不穩定性會產生碰撞退激發而引起樣品周圍的氣體溫度局部升高和降低，進而產生壓力波向四周傳遞，此壓力波即為聲波。通過聲波換能器探測聲波壓力而轉化為電信號就能反演出吸收氣體的濃度。

傳統的常用光聲光譜聲波換能器為高靈敏度寬帶麥克風，它的缺點是麥克風過寬的響應帶寬使得環境噪聲容易被帶入到探測系統中。2002年美國RICE大學的FRANK教授研究小組發展了一種新型石英增強光聲光譜探測技術（QEPAS），該技術采用一個商用的~32kHz音叉式石英晶振來代替傳統的寬帶麥克風來充當聲波換能器。圖9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（兩振臂相對的兩面為內振動面，相背的兩面為外振動面）；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9所示的振臂間隙方向向上。

音叉式石英晶振的工作原理是壓電效應，當該音叉式石英晶振的兩支振臂受到聲波的推動時音叉式石英晶振輸出電流，然后用前置放大器將電流提取出來，再通過信號后處理反演出所需的氣體濃度信號。這種音叉式石英晶振有三個優點：第一，它只在固定的頻率~32 kHz附近有響應，對其它頻段的聲音的響應非常微弱，這造就了基于音叉式石英晶振的傳感器有很高的環境噪聲免疫能力；第二，它擁有極高的Q值，高Q值在光聲光譜技術中意味著更高的信號峰值；第三，音叉式石英晶振只有在對稱振動模式（音叉的兩只振臂向相反的方向做往復運動）下才能產生電流，因此這更進一步減小了來自音叉外部的噪聲聲波干擾。為了進一步提高單個音叉式石英晶振探測靈敏度，人們通常加入聲學諧振腔。目前國際上流行的音叉式石英晶振和聲學諧振腔傳感組件配置有兩種方式：一、共軸配置（on-beam），在音叉式石英晶振的兩個內外振動面分別安裝一支不銹鋼毛細管作為聲學諧振腔，聲學諧振腔軸與音叉振臂側面垂直，以此來積累聲波，并使聲學諧振腔與音叉共振耦合，從而提高傳感器的探測靈敏度。共軸配置的QEPAS傳感組件的優點是，相比于無諧振腔的單個音叉能顯著地提高靈敏度達30倍，缺點是光束必須從振臂側面的兩個諧振腔和音叉的兩振臂間隙（通常小于0.4mm）依次通過，這樣增加了對光束質量的要求，加大了準直難度，光束質量很差的光源很難用在共軸配置的QEPAS傳感組件中；二、離軸配置（off-beam），在音叉式石英晶振的振臂側面一側放置一根側面開口的不銹鋼毛細管作為聲學諧振腔，聲學諧振腔軸與音叉振臂側面平行，并讓音叉振臂間隙緊貼住聲學諧振腔的開口處，以此來使音叉和聲學諧振腔相互耦合來提高探測靈敏度。離軸配置的QEPAS傳感組件的優點是光束不需穿過音叉振臂間隙，只需要穿過聲學諧振腔即可，降低了傳感組件對于光束質量的要求，缺點是聲波耦合效率低，探測靈敏度相比于共軸配置大打折扣。