[发明专利]多石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感技术，具体为一种多石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

背景技术

气体分子存在于人类生活的整个空间，与人类的经济、产业活动，身体健康等息息相关。随着中国工业化进程的不断加速，大量有毒危险气体的排放严重的影响了人类的健康和生存。同时在石油、化工、航天、医学、环境等领域中，需要对衍生气体分子进行高精度高选择性的监控，以优化各种工业过程。基于分子光谱学的气体检测技术由于其灵敏度高、选择性好、可在线实时检测等优点，在近几年来逐渐受到人们的重视。尤其是光声光谱，以其对光源波长无选择性及探测灵敏度与功率成正比的特性，更是被广泛的应用。2002年美国莱斯大学激光科学组率先使用石英音叉代替传统光声光谱中的麦克风，来对气体进行探测，使装置体积大大缩小，取得了很好的效果。这种装置核心探测部分主要由一只音叉式石英晶振和两只细管组成。图7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；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7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，组成微型声音谐振腔，光束通过第一根细管后从音叉两振臂间通过然后通过第二根细管，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，声能在微型声音谐振腔中积累，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。这种配置被叫做双管配置。随后，为进一步提高其灵敏度，两个细管的几何尺寸被进一步优化。也有人仅仅使用一只单独的长管作为声音谐振腔，长管中部被开一狭缝，长管相当于被分成两段，只剩一小部分连接；音叉式石英晶振被放置在长管中部的侧面，长管狭缝与音叉式石英晶振的间隙所在位置相对，以便更好的满足共振条件，这种配置叫做单管配置。但当前无论哪种配置，并怎样通过变换谐振腔管与音叉式石英晶振的位置、尺寸，优化实验装置，都无法使探测灵敏度进一步提高，因为在现有的装置下探测灵敏度已经到达了一个最优值；另一方面，以上装置都存在一个不足之处，由于音叉式石英晶振的高Q特性（Q是指石英晶振的品质因数，品质因数=存储能量/每周期损耗能量，品质因数越高响应带宽越窄），使得其响应带宽只有约2.5Hz，甚至更低，而它的响应频率会随着环境参数的变化，例如温度、湿度、压力等而变化，因此每次在进行气体探测时，都必须对其共振频率进行测量，然后再使用其共振频率（一次谐波探测）或共振频率一半（二次谐波探测）对其光源进行调制，否则音叉式石英晶振将不会响应气体吸收光能之后释放的声波。这使得当前的气体探测装置操作较为繁琐，探测效率较低。

发明内容

本发明为解决目前气体探测装置探测灵敏度不高、操作较为繁琐的技术问题，提供一种多石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

本发明所述多石英晶振光谱测声器是采用以下技术方案实现的：一种多石英晶振光谱测声器，包括一个多石英晶振组件；所述多石英晶振组件包括顺次排列的至少两个音叉式石英晶振，所述至少两个音叉式石英晶振的振臂侧面相互平行存有空隙且顺次相对排列；每个音叉式石英晶振均有一个管脚与信号地相连接；每个音叉式石英晶振不与信号地连接的管脚共同连接有一个前置放大器。应用时，相邻音叉式石英晶振振臂侧面之间的间距为0.5mm-1cm，光束从音叉式石英晶振的振臂间隙之间穿过；光束与音叉式石英晶振顶端的垂直间距不大于2mm。 

采用本发明所述的多个音叉式石英晶振组合方式利用了音叉式石英晶振之间的耦合效应，使它们的响应曲线合并，它们之间的阻抗减小，Q值进一步降低，而调制频率范围明显增大，能够有效增强探测灵敏度。

进一步的，所述顺次排列的音叉式石英晶振为一对；所述多石英晶振组件还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面平行的微型声音谐振腔；所述微型声音谐振腔中部外侧面开有与两个音叉式石英晶振的振臂间隙平行对齐的狭缝。