[发明专利]大振臂间距音叉式石英晶振与石英增强光声光谱测声器

说明书

技术领域

本发明涉及气体传感头的结构设计，具体为一种大振臂间距音叉式石英晶振与石英增强光声光谱测声器。

背景技术

光声光谱技术是检测微量气体浓度的一种极有用的技术。早在1938年，苏联学者Veingerov及其合作者完成了一系列实验，制造了第一台以红外辐射源作为光源的气体光声分析仪。但因缺乏继续提高检测信噪比的技术，限制了光声方法的进一步发展。一直到1986年Kerr等发表了第一篇采用激光作为光源的激光光声谱论文后，重新燃起了人们对光声方法的兴趣，使光声技术开始进入了蓬勃发展的新阶段。

尤其是最近几年发展起来的石英增强光声光谱技术，使用电子表中的音叉式石英晶振代替传统光声光谱中的测声器件麦克风，来对气体吸收调制光后产生的声波进行探测，使探测装置体积大大缩小，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(微型声音谐振腔)组成，叫做石英增强光声光谱测声器。尽管单独一只音叉式石英晶振就能够完成对气体信号的测量，但加入两只细管后可以通过对声波的进一步搜集及能量积累，使信号大大增强。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g，振臂的宽度为w，长度为l，厚度为t。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。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。

目前，大多数石英增强光声光谱测声器使用的是商用标准音叉。共振频率为32.768kHz，每个振臂的几何尺寸为g＝0.3mm,l＝3.8mm,w＝0.6mm。使用商用标准音叉，结合近红外光源，已经制作出许多性能优异的光声光谱测声器。然而，气体分子位于中红外区域的基频振动带要比位于近红外区域的泛频振动带高1-2个数量级，使用中红外光源，探测气体分子的基频振动带能够获得更高的探测灵敏度。但是，随着激光波长向中红外推进，光束的直径变大，由于音叉振臂的间距g＝0.3mm是固定的，光束准直变的更加困难。早期的解决方案是把微型声音谐振腔的长度变短，以方便准直，但损失了一部分探测灵敏度。实际上，影响中红外光准直的直接因素是音叉振臂的间距g，如果能把间距g做宽将非常方便中红外光束准直。

另一方面，改变了音叉式石英晶振振臂间距，将使整个音叉的尺寸变大。音叉与地面的垂直性，微型声音谐振腔与音叉振臂侧面的垂直性无法被严格保证，反而不利于水平的中红外光束的通过。早期发展的近红外石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置和方法(201410520583.0)使用于组装近红外的商用标准音叉式石英晶振，如果使用在这里，它的夹具结构容易夹断较长的音叉式石英晶振振臂，已经不能适用于新的音叉式石英晶振结构，这样我们需要发展新的组装方法以适用于工业流水线组装。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱测声器不便于中红外光学准直，组装效率低下的技术问题。