[发明专利]双谐振腔光声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，具体为一种双谐振腔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

光声光谱是一种无背景探测技术，也就是说在没有被测气体存在时，就没有光声信号的产生，因而它是一种非常灵敏的技术，能够用来探测大气中的痕量气体。光声光谱的两个最大的优点是它无波长选择性和它的灵敏度与激发光功率成正比。第一个优点使同一个光声光谱探测器能够用于从紫外到中红外任何类型和任何波长的激光器，并获得相同的性能。这样，在同一个光声池中能够使用不同波长的光源探测不同气体实现多气体传感探测。第二个优点能够使光声光谱传感器从大功率光源的不断发展中或者从被增强的激发功率中获益。

石英增强光声光谱是光声光谱的一个变种，它使用了一个高Q因子（品质因子）的石英音叉代替传统的宽带麦克风。所述品质因子Q定义为振子在谐振时存储的机械能与在一个周期内损耗的机械能之比。它保留了传统光声光谱的主要特性，同时具有小巧、耐用、便宜的优点。与传统的光声池（≥10 cm³）体积比较，石英增强光声光谱探测模块仅仅2cm³，与探测光源的体积大小相当。但这同时使光学准直需要直接从毫米量级下降到微米量级。当耦合两束波长不同的激光束进入一个石英增强光声光谱测声器时，例如，设计一个基于石英增强光声光谱的双气体传感器，由于光学元件的色差存在，这将是非常困难的。光纤器件的使用能够简化准直过程，但光纤仍旧是波长选择元件，不能完成两束波长不同的激光器光束合并。

另一方面，石英增强光声光谱测声器具有很高的Q值，它导致了一个较长的声能积累时间，即响应时间较长。因此配置石英增强光声光谱测声器在吸收线扫描模式下是不实用的。通常的做法是激光波长锁在目标吸收线中心，从而无法获得整条吸收线波形。

音叉式石英晶振的结构包括一个竖直设置的音叉形状的石英（从石英顶部中心向下开有缝隙，称为振臂间隙），石英的下端部连接有两个管脚。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱装置存在的无法同时用于两个不同波长的双光束激光、从而无法实现双气体测量以及响应速度太慢、无法工作在光谱扫描模式下的技术问题，提供一种双谐振腔光声光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。

本发明所述的双谐振腔光声光谱测声器是采用以下技术方案实现的：一种双谐振腔光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振，还包括与音叉式石英晶振相配合的两个微声谐振腔；所述每个微声谐振腔由一对分别水平设置在音叉式石英晶振两侧且垂直于音叉式石英晶振振臂面的钢制细管组成，每对钢制细管的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振的振臂间隙；所述两个微声谐振腔上下排列。 

本发明所述的测声器使用了两个微声谐振腔去构建两个探测通道，每一个微声谐振腔由两个钢制细管组成，被放置在石英晶振两侧，通过管子内气体中被激发的声波耦合到音叉式石英晶振上。这样，两个波长不同的激光光束能够从两边分别通过两个微声谐振腔，避免了合束操作。

双谐振腔光声光谱测声器的设计是建立在这样一个事实基础上：在音叉式石英晶振的表面由于微声谐振腔引起的粘性拖拽效应导致一个较宽的声波探测灵敏区域，而不是像此前研究人员认为的那样灵敏点仅仅在开口处向下0.7mm处。图2显示了一个微声谐振腔(由两个4.4mm长，内径0.6mm，外径0.9mm的钢制细管组成)从音叉顶部不断向下移动时，在不同位置处获得的信噪比和石英晶振的Q值。水平轴代表微声谐振腔中心位置，零点代表音叉式石英晶振的顶端。信噪比在0.2mm到2mm间的变化比较平缓，这里足够放下两个紧贴着的管子，形成双微声谐振腔石英增强光声光谱测声器（即双谐振腔光声光谱测声器）。

由于两个微声谐振腔都处在音叉式石英晶振的声波探测灵敏区域，每个微声谐振腔都与音叉式石英晶振通过声能形成了较强的耦合。这样，在上微声谐振腔-音叉式石英晶振-下微声谐振腔之间建立了一个能量传递通道。当上微声谐振腔单独工作时，音叉式石英晶振会损失一部分能量传递给下微声谐振腔，相反也是如此。这种能量的损耗体现在品质因子Q上，双谐振腔光声光谱测声器品质因子Q都在2000以下，最低可以达到~600。对于一个谐振子来说，它的响应时间可以用Q/πf₀，其中f₀是音叉式石英晶振的共振频率，低的Q值就必然带来了快速的动态特性和响应时间。一个~600的品质因子能够获得~5ms的快速响应时间，比裸石英晶振的要快23倍左右。