專利名稱：基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體傳感裝置，尤其是一種基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲 光譜氣體傳感裝置。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，環(huán)境問題也日漸凸顯。人們?yōu)榱藢Νh(huán)境污染進行有效 地監(jiān)測和預(yù)測，作了不懈的努力，試圖通過光聲光譜技術(shù)來探測物質(zhì)的成分或含量，如在 2005年6月2日公告的美國發(fā)明專利說明書US2005/0117155A1中提及的一種“石英增強 光聲光譜裝置”。它意欲提供一種采用石英音叉的光聲光譜裝置來探測氣體物質(zhì)的成分或 含量。它的構(gòu)成為激光器及其光路上置有的聚焦透鏡、管狀諧振腔和石英音叉，以及激光器 的輸入端與函數(shù)發(fā)生器電連接，石英音叉的輸出端與鎖相放大器電連接，函數(shù)發(fā)生器的輸 出端與鎖相放大器的輸入端電連接；其中，管狀諧振腔為分置于石英音叉兩邊的兩只長度 為2. 45mm、內(nèi)直徑為0. 3 0. 5mm的細管，這兩只細管的管軸心均與光路同軸，聚焦透鏡的 焦點位于石英音叉的音叉切口處。探測時，函數(shù)發(fā)生器發(fā)出石英音叉共振頻率&的的 正弦調(diào)制信號來調(diào)制激光器的輸出，位于石英音叉的音叉切口附近的待測氣體樣品吸收受 調(diào)制的激光后將產(chǎn)生頻率與石英音叉的共振頻率fo相同的聲波，由于聲波的頻率等于石英 音叉的共振頻率，因此聲波的振動將激發(fā)石英音叉產(chǎn)生共振。因石英音叉具有壓電效應(yīng)，故 此共振的石英音叉將產(chǎn)生壓電電流信號，此信號經(jīng)鎖相放大器在共振頻率&處進行解調(diào)， 從而得到氣體樣品的吸收譜。但是，這種裝置存在著不足之處，首先，為形成共振，光路即激 光束必須通過兩只細管及石英音叉的音叉切口，而音叉切口的寬度一般僅為0. 2 0. 3mm, 因此，激光源的光束質(zhì)量必須非常的好，即聚焦后的光斑必須能通過石英音叉的音叉切口， 這既增大了裝置調(diào)整的難度，又增加了裝置的制造成本和使用成本；其次，用于共振增強信 號的兩只細管間隔有石英音叉，以及石英音叉與兩只細管間又存在著間隔，使聲共振條件 并沒有完全滿足，大大地降低了共振增強的效果；再次，石英音叉的音叉切口極大地限制了 其兩邊所加細管的內(nèi)徑大小，管內(nèi)徑越大增強效果越小，而小的管內(nèi)徑卻給激光束的布置 帶來了極大的復(fù)雜性，激光束必須嚴格地穿過兩只細管的中心以及石英音叉的音叉切口的 中心，如果激光束射到細管的管壁或石英音叉的一個臂上，那將會引起噪聲，且激光束偏離 石英音叉的音叉切口的中心也將會大大地降低共振信號的強度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實 用，使用方便的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置。為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為基于聲諧振腔的石英音叉增強 型光聲光譜氣體傳感裝置包括激光器和其光路上的聚焦透鏡、管狀諧振腔，以及石英音叉、 與所述激光器輸入端電連接的函數(shù)發(fā)生器、與所述石英音叉輸出端電連接的鎖相放大器， 所述管狀諧振腔的管軸心與所述光路同軸，所述聚焦透鏡的焦點位于所述管狀諧振腔中，所述函數(shù)發(fā)生器的輸出端與所述鎖相放大器的輸入端電連接，特別是所述管狀諧振腔為中部置有狹縫的聲諧振腔，所述聲諧振腔的長度為< 10mm、夕卜 直徑為< 1mm、內(nèi)直徑為< 0. 6mm，所述狹縫的寬度為< 0. 2mm、長度為<聲諧振腔的內(nèi)直 徑；
所述石英音叉的音叉臂位于所述狹縫處，其與狹縫間的距離為彡0. 001mm。作為基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置的進一步改進，所述 的狹縫與聲諧振腔的管長相垂直；所述的聚焦透鏡的焦點位于聲諧振腔中的狹縫處；所述 的聲諧振腔的長度為8mm、外直徑為0. 7mm、內(nèi)直徑為0. 45mm ；所述的狹縫的寬度為0. 15mm、 長度為0. 45mm ；所述的石英音叉的共振頻率為32. 76kHz ；所述的音叉臂的平面與聲諧振腔 相平行、且音叉切口與狹縫的縫長平行對齊設(shè)置，或音叉臂的平面與聲諧振腔相垂直、且音 叉臂中的一只與狹縫的縫長平行對齊設(shè)置，或音叉臂的平面與聲諧振腔相平行、且音叉切 口的頂端與狹縫的縫深垂直對齊設(shè)置；所述的激光器為分布反饋式半導(dǎo)體激光器或量子級 聯(lián)激光器；所述的激光器與聚焦透鏡間的光路上串接有光纖和準直透鏡；所述的激光器的 輸入端與函數(shù)發(fā)生器間串接有激光控制器；所述的鎖相放大器與激光控制器間串接有計算 機；所述的石英音叉的輸出端與鎖相放大器間串接有前置放大器；所述的聲諧振腔位于樣 品池中，所述樣品池上分別置有入射窗口、出射窗口和進氣口、出氣口。相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，采用中部置有狹縫的聲諧振腔，且聲諧振腔 的尺寸限定為長度彡10mm、外直徑彡1mm、內(nèi)直徑彡0. 6mm，狹縫的寬度彡0. 2mm、長度彡聲 諧振腔的內(nèi)直徑，同時將石英音叉的音叉臂置于狹縫處，音叉臂與狹縫間的距離> 0. OOlmm 的結(jié)構(gòu)，使其既具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、裝配調(diào)整和使用均方便的特點，又對激光源的要求 不高，大大地降低了制造和使用維護的成本，還能因設(shè)定的聲諧振腔的尺寸范圍來確保其 的一階共振頻率為石英音叉的共振頻率& ；其二，用于共振增強信號的聲諧振腔僅為一根 細管，避免了多只細管與石英音叉相互間對聲共振的影響，使聲諧振腔中的聲共振條件發(fā) 揮到了極致，大幅度地提升了共振增強的效果，經(jīng)多次測試，其輸出的共振增強信號為現(xiàn)有 裝置輸出的信號的3 5倍；其三，共振增強信號的采集使用緊貼于聲諧振腔中部狹縫處的 音叉臂，既杜絕了激光束射到細管的管壁或石英音叉的一個臂上而引起的噪聲，又不會發(fā) 生激光束偏離石英音叉的音叉切口的中心將會大大地降低共振信號的強度的情況，使其的 抗干擾性強、工作穩(wěn)定可靠。作為有益效果的進一步體現(xiàn)，一是優(yōu)選狹縫與聲諧振腔的管長相垂直，聚焦透鏡 的焦點優(yōu)選位于聲諧振腔中的狹縫處，均利于最大限度地獲得共振增強信號；二是聲諧振 腔的長度優(yōu)選為8mm、外直徑為0. 7mm、內(nèi)直徑為0. 45mm，狹縫的寬度優(yōu)選為0. 15mm、長度 為0. 45mm，石英音叉的共振頻率優(yōu)選為32. 76kHz，這種較佳的參數(shù)配合不僅可獲得較高的 共振增強信號，還因32. 76kHz的石英音叉的共振頻率基本不受噪聲的影響，且只有石 英音叉的兩個臂進行對稱的反向振動時才會產(chǎn)生壓電電流，故來自遠處的頻率為石英音叉 共振頻率fo的聲波并不能使石英音叉進行對稱的振動，從而使其具有超強的抗外界干擾能 力；三是優(yōu)選音叉臂的平面與聲諧振腔相平行、且音叉切口與狹縫的縫長平行對齊設(shè)置，或 優(yōu)選音叉臂的平面與聲諧振腔相垂直、且音叉臂中的一只與狹縫的縫長平行對齊設(shè)置，或 優(yōu)選音叉臂的平面與聲諧振腔相平行、且音叉切口的頂端與狹縫的縫深垂直對齊設(shè)置，均 能由狹縫處獲得共振增強信號；四是激光器優(yōu)選為分布反饋式半導(dǎo)體激光器或量子級聯(lián)激光器，激光器與聚焦透鏡間的光路上優(yōu)選串接有光纖和準直透鏡，均易于激光束的傳輸和于聲諧振腔中的調(diào)整；五是激光器的輸入端與函數(shù)發(fā)生器間優(yōu)選串接有激光控制器，鎖相 放大器與激光控制器間優(yōu)選串接有計算機，石英音叉的輸出端與鎖相放大器間優(yōu)選串接有 前置放大器，均便于共振增強信號的獲得和優(yōu)化處理；六是樣品池上優(yōu)選分別置有入射窗 口、出射窗口和進氣口、出氣口，便于對氣體樣品的探測。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中聲諧振腔與石英音叉的音叉臂間的連接方式的一種基本結(jié)構(gòu)示意 圖，由該圖可知，音叉臂的平面與聲諧振腔相平行、且音叉切口與狹縫的縫長平行對齊設(shè) 置；圖3是圖1中聲諧振腔與石英音叉的音叉臂間的連接方式的另一種基本結(jié)構(gòu)示意 圖，由該圖可知，音叉臂的平面與聲諧振腔相垂直、且音叉臂中的一只與狹縫的縫長平行對 齊設(shè)置；圖4是圖1中聲諧振腔與石英音叉的音叉臂間的連接方式的再一種基本結(jié)構(gòu)示意 圖，由該圖可知，音叉臂的平面與聲諧振腔相平行、且音叉切口的頂端與狹縫的縫深垂直對 齊設(shè)置；圖5是對同樣的樣品分別使用現(xiàn)有裝置和本發(fā)明獲得的測量結(jié)果圖，其中，橫坐 標(biāo)為激光注入電流，縱坐標(biāo)為信號強度。圖中的曲線S 0為使用現(xiàn)有裝置測得的結(jié)果，曲線 Sl為使用本發(fā)明中如圖2所示的聲諧振腔與音叉臂間連接方式的情況下測得的結(jié)果，由該 圖可知，使用本發(fā)明測得的信號強度為使用現(xiàn)有裝置測得的信號強度的5倍。
具體實施例方式參見圖1、圖2、圖3和圖4，激光器1的光路2上依次置有光纖3、準直透鏡4、聚焦 透鏡5和樣品池7的入射窗口 6，以及聲諧振腔9和樣品池7的出射窗口 10。其中，樣品池7的上、下側(cè)分別置有進氣口 8和出氣口 12。聲諧振腔9為長度為8mm、外直徑為0. 7mm、內(nèi)直徑為0. 45mm的管狀物，其中部置 有寬度為0. 15mm、長度為0. 45mm的狹縫91。狹縫91與聲諧振腔9的管長相垂直，聲諧振 腔9的管軸心與光路2同軸，聚焦透鏡5的焦點位于聲諧振腔9中的狹縫91處。狹縫91處置有石英音叉11的音叉臂111，該音叉臂111與狹縫91間的距離為 0.001mm。石英音叉11的共振頻率為32. 76kHz，其與狹縫91間連接方式為音叉臂111的平 面與聲諧振腔9相平行、且音叉切口 112與狹縫91的縫長平行對齊設(shè)置，如圖2所示(或 音叉臂111的平面與聲諧振腔9相垂直、且音叉臂111中的一只與狹縫91的縫長平行對齊 設(shè)置，如圖3所示。或音叉臂111的平面與聲諧振腔9相平行、且音叉切口 112的頂端與狹 縫91的縫深垂直對齊設(shè)置，如圖4所示)。 激光器1為分布反饋式半導(dǎo)體激光器(或量子級聯(lián)激光器)，其輸入端與激光控制 器17的輸出端電連接，激光控制器17的輸入端分別與函數(shù)發(fā)生器15的輸出端和計算機16的輸出端電連接，計算機16的輸入和輸出端均與鎖相放大器14的輸入和輸出端電連接，鎖相放大器14的輸入端還與函數(shù)發(fā)生器15的輸出端、前置放大器13的輸出端電連接，前置 放大器13的輸入端與石英音叉11的輸出端電連接。探測時，氣體樣品由進氣口 8進入樣品池7，并散布于整個樣品池7中。探測可使 用掃描和鎖定兩種模式。在掃描模式中，函數(shù)發(fā)生器15輸出的正弦信號通過激光控制器17對激光器1進 行調(diào)制；同時，計算機16控制激光控制器17，使其給激光器1的工作電流以一定的電流步 間增加，如可按步驟以0. ImA的量進行增加?？梢缘玫綒怏w樣品的二次諧波吸收譜，如圖5 中的曲線Sl所示的測量信號。在鎖定模式中，通過激光控制器17把激光器1的工作電流固定在氣體樣品吸收峰 的波長位置處，同時，函數(shù)發(fā)生器15輸出的正弦信號通過激光控制器17對激光器1進行調(diào) 制。此模式便于對氣體樣品的實時監(jiān)測，可得到如圖5中的曲線Sl所示的測量信號。分別使用如圖2、圖3和圖4中的聲諧振腔9與音叉臂111間的連接方式來對空氣 中的水汽進行測量，圖2中的連接方式得出的信號最強，圖3中的連接方式得出的信號為圖 2連接方式的75%左右，圖4中的連接方式得出的信號最差，不到圖2連接方式的30%。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光 譜氣體傳感裝置進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明 的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這 些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，包括激光器(1)和其光路(2)上的聚焦透鏡(5)、管狀諧振腔，以及石英音叉(11)、與所述激光器(1)輸入端電連接的函數(shù)發(fā)生器(15)、與所述石英音叉(11)輸出端電連接的鎖相放大器(14)，所述管狀諧振腔的管軸心與所述光路(2)同軸，所述聚焦透鏡(5)的焦點位于所述管狀諧振腔中，所述函數(shù)發(fā)生器(15)的輸出端與所述鎖相放大器(14)的輸入端電連接，其特征在于所述管狀諧振腔為中部置有狹縫(91)的聲諧振腔(9)，所述聲諧振腔(9)的長度為≤10mm、外直徑為≤1mm、內(nèi)直徑為≤0.6mm，所述狹縫(91)的寬度為≤0.2mm、長度為≤聲諧振腔(9)的內(nèi)直徑；所述石英音叉(11)的音叉臂(111)位于所述狹縫(91)處，其與狹縫(91)間的距離為≥0.001mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是狹縫(91)與聲諧振腔(9)的管長相垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是聚焦透鏡(5)的焦點位于聲諧振腔(9)中的狹縫(91)處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是音叉臂(111)的平面與聲諧振腔(9)相平行、且音叉切口(112)與狹縫(91)的縫長 平行對齊設(shè)置，或音叉臂(111)的平面與聲諧振腔(9)相垂直、且音叉臂(111)中的一只與 狹縫(91)的縫長平行對齊設(shè)置，或音叉臂(111)的平面與聲諧振腔(9)相平行、且音叉切 口(112)的頂端與狹縫(91)的縫深垂直對齊設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是激光器(1)為分布反饋式半導(dǎo)體激光器或量子級聯(lián)激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是激光器⑴與聚焦透鏡(5)間的光路(2)上串接有光纖(3)和準直透鏡(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是激光器(1)的輸入端與函數(shù)發(fā)生器(15)間串接有激光控制器(17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是鎖相放大器(14)與激光控制器(17)間串接有計算機(16)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置，其 特征是石英音叉(11)的輸出端與鎖相放大器(14)間串接有前置放大器(13)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置， 其特征是聲諧振腔(9)位于樣品池(7)中，所述樣品池(7)上分別置有入射窗口(6)、出射 窗口 (10)和進氣口(8)、出氣口(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于聲諧振腔的石英音叉增強型光聲光譜氣體傳感裝置。它包括激光器(1)和其光路(2)上的聚焦透鏡(5)、管狀諧振腔，以及石英音叉(11)、與激光器(1)電連接的函數(shù)發(fā)生器(15)、與石英音叉(11)電連接的鎖相放大器(14)，函數(shù)發(fā)生器(15)與鎖相放大器(14)電連接，特別是管狀諧振腔為中部置有狹縫(91)的聲諧振腔(9)，其長度為≤10mm、外直徑為≤1mm、內(nèi)直徑為≤0.6mm，狹縫(91)的寬度為≤0.2mm、長度為≤聲諧振腔(9)的內(nèi)直徑；石英音叉(11)的音叉臂(111)位于狹縫(91)處，其與狹縫(91)間的距離為≥0.001mm。它的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性強、工作穩(wěn)定、調(diào)整和使用均方便；它可廣泛地用于探測氣體的成分或含量。
文檔編號G01N21/39GK101813621SQ20091011621
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者劉錕, 張為俊, 談圖, 高曉明 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所