[发明专利]在流体中操作的优化的机械共振器

说明书

本发明涉及一种共振器，其包括叉齿，叉齿的边缘之间的宽度(Wb')接近λ/2。然后，一个边缘上的压力变化与另一边缘上的压力变化相位相反。因此，改善了具有所述波长的入射波的声耦合。选择边缘之间的宽度与叉齿的高度之间的比，使得仅存在用于叉齿的弯曲振动的基本模式。本发明涉及嵌入到实心共享基部中的音叉的叉齿，同时避免支承件中的能量损失，其中，实心共享底部被优化以包含音叉中的能量。最后，音叉有利地与包括刚性反射屏的、用于容纳声学能量的装置组合。

技术领域

本发明的技术领域是机械共振器，该机械共振器旨在集成到测量仪器中，具体地，集成到检测大气中化学元素的存在并测量它们的浓度的仪器中。

背景技术

共振器是仪器的敏感元件。共振的频率、稳定性和品质与共振器的尺寸、几何形状、组成材料和环境有关。共振是通过外部手段维持的。

共振器的品质因数被限定为以动能和变形势能的形式存储在共振器中的能量与在一个振荡周期期间损失的能量之间的比。

最著名的机械共振器中的一个是在制表业中使用的石英音叉。共振通过调谐电子电路维持，但是音叉的两个叉齿的机械共振的质量确保了共振频率的稳定性和纯度。

由于该共振器被封装在已经产生真空的壳体中，因此能量基本上损失于固定支承件上。

图1示出了在厚度T＝0.2mm的石英板中形成的示例性钟表共振器。音叉由两个相同的平行的平行六面体叉齿1形成，两个叉齿1在其一端处与固定至支承件的共享部分2成一体。因此，音叉相对于中心平面π对称。叉齿在板的平面中的尺寸为：长度Lb＝3.8mm且宽度Wb＝0.6mm。

为了便于加工，叉齿之间的狭槽的宽度Ws为0.2mm，换句话说，狭槽的宽度Ws等于板的厚度T。

叉齿的长细比被限定为其长度Lb与其宽度Wb之间的比。因此，在示出的例子中，长细比约为6.3。

在钟表音叉的机械共振频率(32.768kHz)下，两个叉齿通过在板的平面内弯曲而相位相反地振动。长细比足够大，使得机械应力基本上是在叉齿的长度上交叉分布的膨胀应力和压缩应力，但是机械应力在其快速衰减的共享部分中很少存在，这减少了当附接至基部的区域与叉齿嵌入区域相距一定距离时的能量损失。因此，这种共振器的品质因数通常约为80000。

调谐的外部电子电路通过以适当和已知的方式布置在叉齿上的电极来保持共振。

这些共振器的受控实施和低生产成本促进了它们在除了钟表之外的技术领域中的使用，诸如，在计量领域中使用。

这种类型的共振器被用于测量物理量的应用中：由电极检测例如由加速或旋转引起的叉齿变形，除了它们的激励共振模式(称为驱动模式)的功能之外，还可通过改变相关物理值而具有检测共振模式(称为检测器模式)的功能(FR2954489)。

这些共振器还可以在存在流体的情况下使用，例如，流体通常为诸如地球大气的气体或气体混合物。

流体的存在改变了共振器中的能量损失。除了固定支承件中的损失之外，还出现与叉齿和流体的粘性摩擦有关以及与由叉齿的运动而产生的流体的压力变化相关的声耦合有关的损失。

本领域的现有技术包括用于标题为“石英增强光声光谱学(A.A.Kosterev等人，OPTICS LETTERS/27期，第21号/2002年11月1日)”的文章中介绍的称为石英增强光声光谱学(QEPAS)的测量技术的钟表调谐叉的使用。

声波是保持音叉共振的外部介质。如果温度和压力P恒定，则波在给定流体中以恒定速度c行进。在压力和温度的正常条件下的地球大气中，声速约为340米/秒。

最后，声音的波长λ与其频率f和传播速度c之间的关系通过以下关系式给出：λ＝c/f(R)。