[发明专利]双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置

说明书

本发明涉及一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。本发明的目的是解决现有的音叉式石英晶振一次泛频模式探测灵敏度不高的技术问题。本发明采用的技术方案是：一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振、与音叉式石英晶振相匹配的微型声音共振腔Ⅰ、微型声音共振腔Ⅱ和一个用于固定音叉式石英晶振以及微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的支架；所述微型声音共振腔Ⅱ和微型声音共振腔Ⅰ设在音叉式石英晶振振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。本发明中使用双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置具有灵敏度高的优点。

技术领域

本发明属于光声光谱气体传感头及气体探测装置技术领域，具体涉及一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。

背景技术

石英增强光声光谱是传统的光声光谱一个变种，它是一种非常实用的技术，能够被使用在环境监控，工业过程控制和医疗分析等多个领域。石英增强光声光谱区别于传统光声光谱的特征在于它使用一只品质因子很高的音叉式石英晶振代替麦克风，来探测目标气体在吸收激发光后产生的声波。石英增强光声光谱的光谱测声器主要包含音叉式石英晶振和微型声音共振腔(通常由两根不锈钢毛细管构成)。尽管音叉式石英晶振本身能够完成对气体信号的测量，但配备微型声音共振腔后可以使信号大大增强。图1为音叉式石英晶振的正视图，音叉式石英晶振具有两个振臂，音叉式石英晶振在受到外部声波激励后，振臂沿图中箭头所指方向往复振动，为描述方便将音叉式石英晶振的振臂上与振动方向垂直的面称为内外振动面；与振动方向平行的面(即纸面上所看到的面以及背后的面)称作音叉式石英晶振的振臂侧面；两个振臂之间的间隙称为振臂间隙，如图1所示的振臂间隙方向向上。音叉式石英晶振下部有两个电极，各连接一个管脚，一个管脚与信号地相连接，另一个管脚用于输出因振动产生的电信号。两只细管被分置于音叉式石英晶振两边，管子轴心均与光路同轴，组成微型声音共振腔，光束通过第一根细管后从两振臂间通过然后通过第二根细管，见图2所示。被测气体吸收了光能之后，由于气体的碰撞退激发，释放声能，声能在微型声音共振腔中积累，再传递给音叉式石英晶振，引起音叉式石英晶振两振臂振动，紧接着音叉式石英晶振通过压电效应把机械振动能转化为电信号，而这些电信号的强度就正比于被探测的气体浓度。石英增强光声光谱技术结合了光声光谱和音叉式石英晶振的主要优点，形成了一个紧凑的、可靠的、低成本的光谱测声器。

2013年以前，石英增强光声测声器使用的是商用标准音叉式石英晶振，它的基频共振频率为32.7kHz，振臂间距为300μm。这些商用的音叉式石英晶振主要用途是在手机和石英手表中作为时间基准。在近红外波段，基于商用标准音叉式石英晶振的高灵敏气体传感器已经被广泛应用。但是，由于激光的高斯光束直径随着激光波长的增大而变大，300μm的振臂间距限制了音叉式石英晶振用于长波长的中红外和太赫兹波段。因此，大间距的音叉式石英晶振被设计。由于振臂间距变大，这些定制的音叉式石英晶振都有较低的振动频率，导致微型声音共振腔太长，大间距带来的准直优势被破坏。

另一方面，通过仔细设计音叉式石英晶振的几何结构，可以使音叉式石英晶振的一次泛频振动品质因子大大高于基频振动品质因子。由于石英增强光声光谱传感器的探测灵敏度与音叉式石英晶振的品质因子成正比，这就为我们提供了一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的方法。但目前公开的一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的装置，仍采用传统的石英增强光声光谱测声器配置，即由音叉式石英晶振和一个微型声音共振腔组成，虽然配备声音共振腔后可以使检测信号有所增强，但仍存在灵敏度不高的问题，而且传统的气体探测装置中使用了多个激光光源，增加了传感器功耗，同时也影响探测灵敏度。

发明内容

本发明的目的是解决现有的音叉式石英晶振一次泛频模式探测灵敏度不高的技术问题，提供一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。