[发明专利]音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光机电领域，具体为一种音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置。

背景技术

光学调制技术是用来使光波的某些参数如强度、频率、相位、偏振状态等按一定的规律变化的方法。承载信息的调制光波经传输后，再由光电探测器及解调系统解调，然后得出所需要的信息。光学调制技术现已经被广泛应用到光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面，尤其是气体检测领域。在气体检测领域中，光学强度调制更常被人使用，因为在某些情况下，例如：非相干光作为探测光源时，光束的频率、相位和偏振状态是无法进行调制操作的。应用光学调制技术对气体浓度进行探测时，探测光与其它一些光源的光（如太阳光）往往一同进入探测系统，如果探测光的特性（如强度变化）与其它光源无明显差异，探测光的信号就很难从诸多光源中区别开来，因此在进行气体探测时，需要使用斩光器改变探测光的强度，使探测光强度成一定规律性的变化，如呈正弦曲线变化，这样包含待测气体浓度信息的探测光就很容易被解调出来，探测精度得到了保证，解调过程及分析过程也就变得简单。

到目前为止，机械式斩光器是最常用的一种用来对光学强度进行调制的仪器。它是一种电子控制的风扇式轮叶，在一定转速下，将连续光斩断成一定频率的周期性断续光，把恒定功率的光源改成交变的方波光源。然而，它体积大，加上控制器要占用很大的操作空间，再次由于采用机械式转动的轮叶，使之运转时噪声较高，而且它受到转速的限制，一般斩光频率不超过5kHz。这些不足让它无法满足一些对斩光频率要求高，对声频噪声敏感的应用领域或者在一些基于新技术（石英增强光声光谱）的痕量气体探测领域，这些领域要求斩光频率在几十kHz，普通斩光器的斩光频率和声频噪声就不能满足相应的技术要求。基于上述理由，有必要发明一种体积小、噪声低、斩光速度快和功耗低的简易装置，以解决现有斩光器所存在的技术问题。

发明内容

本发明为解决目前机械式斩光器斩光频率较低和噪声较大的技术问题，提供一种音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置。

本发明所述的音叉式斩光器是采用以下技术方案实现的：一种音叉式斩光器，包括一个音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振包括一对间隔一定、相对且竖直设置的振臂；所述两个振臂的底部通过一个基座相连接；音叉式石英晶振的底部设有两个电极，其中一个电极与信号地连接，另一个电极连接有用于输入外部激励的频移电容。

石英晶振是用石英材料做成的石英晶体谐振器，俗称晶振。而音叉式石英晶振，外观呈“Y”形，通常人们使用它作为频率发生器，具有稳定，抗干扰性能良好的优点。音叉式石英晶振还可通过外部激励产生振动，当外部激励频率与石英晶振的固有频率相同时，石英晶振产生共振；相互间隔一定的两个振臂发生左右摆动，通过设定光路的路径，即可通过左右摆动的振臂来达到按照特定频率遮掩或透过光路的目的，进而完成斩光的工作。由于石英晶振的振动频率一般为几十kHz左右，远远高于机械式斩光器的斩光频率，因此能够实现高速斩光，以满足一些光电应用领域的技术需求。频移电容能够对音叉式石英晶振的共振频率进行微调，以适应实际应用中因为各种物理环境的变化造成的音叉式石英晶振固有频率的变化；频移电容是非极性电容，其电容值可调，可调范围一般为1 pF至20 pF；希望获取的目标频率可以由下式计算出来：

式中C_原是用来斩光的音叉式石英晶振的等效电容，C_移是频移电容值。

进一步的，所述音叉式斩光器还包括一个位于音叉式石英晶振外部的金属外壳；所述金属外壳侧壁上开有入射窗口和出射窗口；所述入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于同一光路上；所述音叉式石英晶振通过一个支座固定在金属外壳的内底面上；金属外壳的底面设有两个孔，音叉式石英晶振的两个电极穿过孔后分别与信号地及频移电容相连接。

金属外壳不仅能够屏蔽外界电磁场干扰，使斩光效果达到最佳，而且又能阻止音叉式石英晶振两振臂在振动过程中产生的声场外泄，避免影响到探测系统。入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于同一条光路上，是指将一束光由入射窗口射入，该光路可以从音叉式石英晶振两个振臂之间或一个振臂的外侧面附近穿过并由出射窗口射出，光束可以清洁或部分的通过音叉式石英晶振。