[發(fā)明專利]雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器及氣體探測(cè)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710010380.0
• 申請(qǐng)日: 2017-01-06
• 公開（公告）號(hào): CN106802278B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董磊;鄭華丹;賈鎖堂
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山西大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/17
• 分類號(hào): G01N21/17
• 代理公司: 山西五維專利事務(wù)所(有限公司) 14105
• 代理人: 雷立康

本發(fā)明涉及一種雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器及氣體探測(cè)裝置。本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的音叉式石英晶振一次泛頻模式探測(cè)靈敏度不高的技術(shù)問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器，包括一個(gè)豎直設(shè)置的音叉式石英晶振、與音叉式石英晶振相匹配的微型聲音共振腔Ⅰ、微型聲音共振腔Ⅱ和一個(gè)用于固定音叉式石英晶振以及微型聲音共振腔Ⅰ和微型聲音共振腔Ⅱ的支架；所述微型聲音共振腔Ⅱ和微型聲音共振腔Ⅰ設(shè)在音叉式石英晶振振臂間隙的位置分別與沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛頻振動(dòng)的兩個(gè)振動(dòng)波腹的位置重合。本發(fā)明中使用雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器的氣體探測(cè)裝置具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光聲光譜氣體傳感頭及氣體探測(cè)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器及氣體探測(cè)裝置。

背景技術(shù)

石英增強(qiáng)光聲光譜是傳統(tǒng)的光聲光譜一個(gè)變種，它是一種非常實(shí)用的技術(shù)，能夠被使用在環(huán)境監(jiān)控，工業(yè)過程控制和醫(yī)療分析等多個(gè)領(lǐng)域。石英增強(qiáng)光聲光譜區(qū)別于傳統(tǒng)光聲光譜的特征在于它使用一只品質(zhì)因子很高的音叉式石英晶振代替麥克風(fēng)，來(lái)探測(cè)目標(biāo)氣體在吸收激發(fā)光后產(chǎn)生的聲波。石英增強(qiáng)光聲光譜的光譜測(cè)聲器主要包含音叉式石英晶振和微型聲音共振腔(通常由兩根不銹鋼毛細(xì)管構(gòu)成)。盡管音叉式石英晶振本身能夠完成對(duì)氣體信號(hào)的測(cè)量，但配備微型聲音共振腔后可以使信號(hào)大大增強(qiáng)。圖1為音叉式石英晶振的正視圖，音叉式石英晶振具有兩個(gè)振臂，音叉式石英晶振在受到外部聲波激勵(lì)后，振臂沿圖中箭頭所指方向往復(fù)振動(dòng)，為描述方便將音叉式石英晶振的振臂上與振動(dòng)方向垂直的面稱為內(nèi)外振動(dòng)面；與振動(dòng)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(cè)面；兩個(gè)振臂之間的間隙稱為振臂間隙，如圖1所示的振臂間隙方向向上。音叉式石英晶振下部有兩個(gè)電極，各連接一個(gè)管腳，一個(gè)管腳與信號(hào)地相連接，另一個(gè)管腳用于輸出因振動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)。兩只細(xì)管被分置于音叉式石英晶振兩邊，管子軸心均與光路同軸，組成微型聲音共振腔，光束通過第一根細(xì)管后從兩振臂間通過然后通過第二根細(xì)管，見圖2所示。被測(cè)氣體吸收了光能之后，由于氣體的碰撞退激發(fā)，釋放聲能，聲能在微型聲音共振腔中積累，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(dòng)，緊接著音叉式石英晶振通過壓電效應(yīng)把機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而這些電信號(hào)的強(qiáng)度就正比于被探測(cè)的氣體濃度。石英增強(qiáng)光聲光譜技術(shù)結(jié)合了光聲光譜和音叉式石英晶振的主要優(yōu)點(diǎn)，形成了一個(gè)緊湊的、可靠的、低成本的光譜測(cè)聲器。

2013年以前，石英增強(qiáng)光聲測(cè)聲器使用的是商用標(biāo)準(zhǔn)音叉式石英晶振，它的基頻共振頻率為32.7kHz，振臂間距為300μm。這些商用的音叉式石英晶振主要用途是在手機(jī)和石英手表中作為時(shí)間基準(zhǔn)。在近紅外波段，基于商用標(biāo)準(zhǔn)音叉式石英晶振的高靈敏氣體傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。但是，由于激光的高斯光束直徑隨著激光波長(zhǎng)的增大而變大，300μm的振臂間距限制了音叉式石英晶振用于長(zhǎng)波長(zhǎng)的中紅外和太赫茲波段。因此，大間距的音叉式石英晶振被設(shè)計(jì)。由于振臂間距變大，這些定制的音叉式石英晶振都有較低的振動(dòng)頻率，導(dǎo)致微型聲音共振腔太長(zhǎng)，大間距帶來(lái)的準(zhǔn)直優(yōu)勢(shì)被破壞。

另一方面，通過仔細(xì)設(shè)計(jì)音叉式石英晶振的幾何結(jié)構(gòu)，可以使音叉式石英晶振的一次泛頻振動(dòng)品質(zhì)因子大大高于基頻振動(dòng)品質(zhì)因子。由于石英增強(qiáng)光聲光譜傳感器的探測(cè)靈敏度與音叉式石英晶振的品質(zhì)因子成正比，這就為我們提供了一種利用音叉式石英晶振的一次泛頻振動(dòng)模式結(jié)合光聲光譜技術(shù)去探測(cè)痕量氣體的方法。但目前公開的一種利用音叉式石英晶振的一次泛頻振動(dòng)模式結(jié)合光聲光譜技術(shù)去探測(cè)痕量氣體的裝置，仍采用傳統(tǒng)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器配置，即由音叉式石英晶振和一個(gè)微型聲音共振腔組成，雖然配備聲音共振腔后可以使檢測(cè)信號(hào)有所增強(qiáng)，但仍存在靈敏度不高的問題，而且傳統(tǒng)的氣體探測(cè)裝置中使用了多個(gè)激光光源，增加了傳感器功耗，同時(shí)也影響探測(cè)靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的音叉式石英晶振一次泛頻模式探測(cè)靈敏度不高的技術(shù)問題，提供一種雙波腹激發(fā)的石英增強(qiáng)光聲光譜測(cè)聲器及氣體探測(cè)裝置。