[发明专利]石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感头的结构设计，具体为一种石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法。

背景技术

实时探测空气中的痕量气体在工业过程控制，环境检测，医疗分析，废气排放监测等各个领域中都有重大应用。而光声光谱技术作为一种传统光谱探测技术以其零吸收背景，高探测灵敏度，探测没有波长选择性等优点被广泛运用于以上各个领域。尤其是近几年发展起来的石英增强光声光谱技术，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（简称石英音叉）和两只细管（微型声音共振腔）组成，叫做石英增强光声光谱测声器。尽管单独一只石英音叉就能够完成对气体信号的测量，但加入两只细管后可以使信号大大增强。图1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1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两振臂间通过然后通过第二根细管，见图2所示。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。

石英增强光声光谱测声器的性能由两个因素决定：第一是测量的环境；第二是其结构设计。环境参数包括被测气体压力和温度。结构设计包括两只细管的内外径、长度和细管相对于音叉的位置。石英增强光声光谱测声器对压力和温度的依赖，已经被研究，并能够很好的被从理论上解释。两只细管的内外径和长度对光谱测声器性能的影响也被研究，实验发现细管长度为小于半个且大于四分之一个声波波长的时候灵敏度最高。但是两个细管相对与音叉的位置却未见有人优化和报道。这是因为对于一个裸音叉（没有两个细管），它的最佳探测位置是在从顶端向下0.7mm的振臂间隙处，因此人们自然把细管也放在距离音叉顶端向下0.7mm的振臂间隙处。但由于细管的存在，细管和音叉之间产生了相互作用，结果上面提到的位置将不再是最佳位置，最佳位置必须由实验研究决定，这决定了必须方便灵活的对石英增强光声光谱测声器进行组装调整，但在对石英增强光声光谱测声器进行组装调整时，石英音叉离细管的距离、石英音叉离细管顶端的高度、石英音叉和振臂侧面的垂直性通常使用体式显微镜进行测量，必然会造成误差，导致目前石英增强光声光谱测声器个体差异较大，生产效率低下。因此非常需要一种能够精确快速的实现石英音叉与微型声音谐振腔组装调试的装置以及相应方法。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱测声器探测灵敏度不高，组装效率低下且精度不高的技术问题，提供一种石英增强光声光谱测声器及其辅助安装装置和方法。

一种石英增强光声光谱测声器，包括一个石英音叉以及与石英音叉相配的一对微型声音谐振腔，还包括一个用于固定石英音叉以及微型声音谐振腔的结构支架；所述结构支架包括一个立方体，立方体的顶部沿一条中心线向下开有凹槽，凹槽的中心处向下开有通孔；凹槽的两边形成一对凸起的呈立方结构的细管托盘；所述石英音叉穿过通孔且石英音叉的振动方向与凹槽的走向平行；所述一对细管托盘的顶部均开有一个用于放置微型声音谐振腔且轴线与石英音叉振臂侧面垂直的沟槽；所述一对微型声音共振腔各放置在一个沟槽内，两个微型声音共振腔的轴线重合并穿过石英音叉的间隙且微型声音谐振腔的顶部与细管托盘的顶部平面相切。

采用本发明所述装置，石英音叉以及微型声音谐振腔可以方便的固定安装，便于快速的测量；整个装置结构小巧简单，使用方便。