[发明专利]单管共轴光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置

说明书

本发明涉及气体传感技术，具体为一种单管共轴光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。解决了目前石英增强光声光谱中使用大音叉作为测声器时，声学谐振腔与大音叉之间声波耦合效率较低的技术问题。有益效果：一、设计了一种新型的石英增强光声光谱测声器，借助新型音叉式石英晶振大的振臂间隙特点，将一个完整的单管声学谐振腔插入到音叉式石英晶振的振臂间隙。单管声学谐振腔的两侧开有方孔，使声波通过方孔推动音叉式石英晶振的振臂振动而产生电信号。这种单管共轴配置大大提高声波耦合效率，提高探测信噪比。二、单管声学谐振腔内部的驻波模式更接近一维声学谐振腔中的声驻波模式，大大缩短了谐振腔的长度，同时减小了传感器尺寸。

技术领域

本发明涉及气体传感技术，具体为一种单管共轴光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

背景技术

近年来，光声光谱技术作为一种新型光谱探测技术以其零吸收背景，高探测灵敏度，探测器件没有波长选择性等优点被广泛运用于工业控制、农业生产、航空航天检测等各个行业。当一束被调制的激光穿过待测样品时，若光源的发射波长与样品的吸收线波长相吻合时，激光能量就会被样品吸收。吸收了光能量的样品分子被激发到激发态，然后由于激发态的不稳定性会产生碰撞退激发而引起样品周围的气体温度局部升高和降低，进而产生压力波向四周传递，此压力波即为声波。通过声波换能器探测声波压力而转化为电信号就能反演出吸收气体的浓度。

传统的常用光声光谱声波换能器为高灵敏度宽带麦克风，它的缺点是麦克风过宽的响应带宽使得环境噪声容易被带入到探测系统中。2002年美国RICE大学的FRANK教授研究小组发展了一种新型石英增强光声光谱探测技术（QEPAS），该技术采用一个商用的~32kHz音叉式石英晶振来代替传统的宽带麦克风来充当声波换能器。图9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（两振臂相对的两面为内振动面，相背的两面为外振动面）；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9所示的振臂间隙方向向上。

音叉式石英晶振的工作原理是压电效应，当该音叉式石英晶振的两支振臂受到声波的推动时音叉式石英晶振输出电流，然后用前置放大器将电流提取出来，再通过信号后处理反演出所需的气体浓度信号。这种音叉式石英晶振有三个优点：第一，它只在固定的频率~32 kHz附近有响应，对其它频段的声音的响应非常微弱，这造就了基于音叉式石英晶振的传感器有很高的环境噪声免疫能力；第二，它拥有极高的Q值，高Q值在光声光谱技术中意味着更高的信号峰值；第三，音叉式石英晶振只有在对称振动模式（音叉的两只振臂向相反的方向做往复运动）下才能产生电流，因此这更进一步减小了来自音叉外部的噪声声波干扰。为了进一步提高单个音叉式石英晶振探测灵敏度，人们通常加入声学谐振腔。目前国际上流行的音叉式石英晶振和声学谐振腔传感组件配置有两种方式：一、共轴配置（on-beam），在音叉式石英晶振的两个内外振动面分别安装一支不锈钢毛细管作为声学谐振腔，声学谐振腔轴与音叉振臂侧面垂直，以此来积累声波，并使声学谐振腔与音叉共振耦合，从而提高传感器的探测灵敏度。共轴配置的QEPAS传感组件的优点是，相比于无谐振腔的单个音叉能显著地提高灵敏度达30倍，缺点是光束必须从振臂侧面的两个谐振腔和音叉的两振臂间隙（通常小于0.4mm）依次通过，这样增加了对光束质量的要求，加大了准直难度，光束质量很差的光源很难用在共轴配置的QEPAS传感组件中；二、离轴配置（off-beam），在音叉式石英晶振的振臂侧面一侧放置一根侧面开口的不锈钢毛细管作为声学谐振腔，声学谐振腔轴与音叉振臂侧面平行，并让音叉振臂间隙紧贴住声学谐振腔的开口处，以此来使音叉和声学谐振腔相互耦合来提高探测灵敏度。离轴配置的QEPAS传感组件的优点是光束不需穿过音叉振臂间隙，只需要穿过声学谐振腔即可，降低了传感组件对于光束质量的要求，缺点是声波耦合效率低，探测灵敏度相比于共轴配置大打折扣。