[发明专利]基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。

背景技术

音叉式石英晶振是用具有压电效应的石英材料做成的石英晶体谐振器，如图1所示，其外观呈“Y”形。这种石英音叉自面世以来便由于其谐振频率稳定、体积小巧、品质因数高、价格低廉、使用寿命长等诸多优点被广泛使用。尤其是近年来发展迅速的石英音叉增强光声光谱技术、扫描探针显微镜技术以及微量化学分析技术更是将音叉式石英晶振的应用领域进一步拓宽至了气体检测、微观成像、物质分析等高精尖领域。音叉式石英晶振在这些应用领域的高效率工作均依赖于其谐振频率的精确测定。然而，由于材料特性、加工工艺、使用环境等因素的影响往往会造成其实际固有频率与标定的谐振频率间存在一定的误差，因此，对石英音叉实际谐振频率的快速精确测定意义重大。

传统石英晶振谐振频率的测量方法是以电激励的方式使音叉起振而后通过探测石英晶体压电效应产生的微弱电信号最终完成测量。测量时石英晶振的两个电极分别被用作激励端和测量端，在扫描激励端所加正弦波频率的同时，对由压电效应产生的激发电流从测量端进行了测量并通过寻找激发电流最大值对应的扫描频率最终确定音叉的共振频率。这种探测方法虽然可以满足众多音叉应用领域的频率检测需求但仍存在一定的应用限制。首先，由于传统频率测量方法中音叉的起振及被测电信号的产生均依靠压电效应来完成，而晶体的压电效应具有明显的温度效应且受石英材料外形、切割角度等因素的影响，音叉式石英晶振的压电效应在50℃左右时将变弱并失去规律性，因此，在较高温度的环境中传统频率检测方法将完全失效。其次，传统频率检测方法中由于压电效应产生的电信号非常微弱而在其测量端配置了前置放大电路，这样的操作虽然解决了探测的需求但电子器材的引入造成其极易受到外界强电磁场的干扰，从而使这种方法在恶劣电磁场环境中无法被使用。另外，传统测量方法需将石英音叉连接在配套的测量电路中进行检测，因此要求音叉要便于与测量装置之间拆卸组装，这在很大程度上限制了传统方法在当今高度集成化的电子产品领域中的应用。

发明内容

本发明为解决目前测量音叉式石英晶振的固有频率时易受外界恶劣电磁环境以及高温影响导致结果不准确的技术问题，提供一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。

本发明所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法采用以下技术方案实现的：一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，包括以下步骤：（a）对待测音叉式石英晶振采用声波进行激励，声波的频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；（b）在对声波频率进行扫描的同时引入一束探测光入射至音叉式石英晶振的任意一个振臂的外侧面上，探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为10°~80°；（c）采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光因反射方向变化引起的强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号，电信号变化幅度最大时表示此时音叉式石英晶振与声波发生共振；（d）对反射光的电信号进行解调，得到反射光强度变化量随扫描频率变化的频率响应曲线，根据频率响应曲线就可以得到待测音叉式石英晶振的固有频率。

区别于传统的频率检测技术，本发明设计了一种基于非电学激励音叉振荡的非接触式石英晶振谐振频率快速测量方法。其原理是当外部声激励信号频率与石英晶振的固有频率相同时，音叉式石英晶振可与激励信号形成共振从而引起音叉振臂的强烈振动，此时将一束未加调制的平行光（探测光）打在音叉式石英晶振任一振臂外侧面上，把振动信号转化为光的强度变化信号；探测光与振臂外侧面之间的角度以及位置关系能够保证反射光的强度变化幅度与振臂的振动幅度之间呈严格的线性关系，这样才能够保证测量结果的准确性；通过本领域技术人员熟知的解调方法得到反射光的强度变化幅度随外部扫描频率变化的频率响应曲线，频率响应曲线中光信号强度变化幅度最大时即代表此时音叉式石英晶振的频率就是它的固有频率。本方法可以有效克服恶劣电磁环境带来的不利影响，且可以在较高温度下使用。