專利名稱：音叉式斬光器及使用該斬光器的痕量氣體測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光機電領(lǐng)域，具體為一種音叉式斬光器及使用該斬光器的痕量氣體測
量裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)調(diào)制技術(shù)是用來使光波的某些參數(shù)如強度、頻率、相位、偏振狀態(tài)等按一定的規(guī)律變化的方法。承載信息的調(diào)制光波經(jīng)傳輸后，再由光電探測器及解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)，然后得出所需要的信息。光學(xué)調(diào)制技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到光通信、測距、光學(xué)信息處理、光存儲和顯示等方面，尤其是氣體檢測領(lǐng)域。在氣體檢測領(lǐng)域中，光學(xué)強度調(diào)制更常被人使用，因為在某些情況下，例如:非相干光作為探測光源時，光束的頻率、相位和偏振狀態(tài)是無法進(jìn)行調(diào)制操作的。應(yīng)用光學(xué)調(diào)制技術(shù)對氣體濃度進(jìn)行探測時，探測光與其它一些光源的光(如太陽光)往往一同進(jìn)入探測系統(tǒng)，如果探測光的特性(如強度變化)與其它光源無明顯差異，探測光的信號就很難從諸多光源中區(qū)別開來，因此在進(jìn)行氣體探測時，需要使用斬光器改變探測光的強度，使探測光強度成一定規(guī)律性的變化，如呈正弦曲線變化，這樣包含待測氣體濃度信息的探測光就很容易被解調(diào)出來，探測精度得到了保證，解調(diào)過程及分析過程也就變得簡單。到目前為止，機械式斬光器是最常用的一種用來對光學(xué)強度進(jìn)行調(diào)制的儀器。它是一種電子控制的風(fēng)扇式輪葉，在一定轉(zhuǎn)速下，將連續(xù)光斬斷成一定頻率的周期性斷續(xù)光，把恒定功率的光源改成交變的方波光源。然而，它體積大，加上控制器要占用很大的操作空間，再次由于采用機械式轉(zhuǎn)動的輪葉，使之運轉(zhuǎn)時噪聲較高，而且它受到轉(zhuǎn)速的限制，一般斬光頻率不超過5kHz。這些不足讓它無法滿足一些對斬光頻率要求高，對聲頻噪聲敏感的應(yīng)用領(lǐng)域或者在一些基于新技術(shù)(石英增強光聲光譜)的痕量氣體探測領(lǐng)域，這些領(lǐng)域要求斬光頻率在幾十kHz，普通斬光器的斬光頻率和聲頻噪聲就不能滿足相應(yīng)的技術(shù)要求?；谏鲜隼碛?，有必要發(fā)明一種體積小、噪聲低、斬光速度快和功耗低的簡易裝置，以解決現(xiàn)有斬光器所存在的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決目前機械式斬光器斬光頻率較低和噪聲較大的技術(shù)問題，提供一種音叉式斬光器及使用該斬光器的痕量氣體測量裝置。本發(fā)明所述的音叉式斬光器是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種音叉式斬光器，包括一個音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振包括一對間隔一定、相對且豎直設(shè)置的振臂；所述兩個振臂的底部通過一個基座相連接；音叉式石英晶振的底部設(shè)有兩個電極，其中一個電極與信號地連接，另一個電極連接有用于輸入外部激勵的頻移電容。石英晶振是用石英材料做成的石英晶體諧振器，俗稱晶振。而音叉式石英晶振，外觀呈“Y”形，通常人們使用它作為頻率發(fā)生器，具有穩(wěn)定，抗干擾性能良好的優(yōu)點。音叉式石英晶振還可通過外部激勵產(chǎn)生振動，當(dāng)外部激勵頻率與石英晶振的固有頻率相同時,石英晶振產(chǎn)生共振；相互間隔一定的兩個振臂發(fā)生左右擺動，通過設(shè)定光路的路徑，即可通過左右擺動的振臂來達(dá)到按照特定頻率遮掩或透過光路的目的，進(jìn)而完成斬光的工作。由于石英晶振的振動頻率一般為幾十kHz左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機械式斬光器的斬光頻率，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高速斬光，以滿足一些光電應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)需求。頻移電容能夠?qū)σ舨媸绞⒕д竦墓舱耦l率進(jìn)行微調(diào)，以適應(yīng)實際應(yīng)用中因為各種物理環(huán)境的變化造成的音叉式石英晶振固有頻率的變化；頻移電容是非極性電容，其電容值可調(diào)，可調(diào)范圍一般為I PF至20 pF;希望獲取的目標(biāo)頻率可以由下式計算出來:
權(quán)利要求
1.一種音叉式斬光器，包括一個音叉式石英晶振(31);所述音叉式石英晶振(31)包括一對間隔一定、相對且豎直設(shè)置的振臂(32);所述兩個振臂(32)的底部通過一個基座相連接；音叉式石英晶振(31)的底部設(shè)有兩個電極；其特征在于，其中一個電極與信號地連接，另一個電極連接有用于輸入外部激勵的頻移電容(8 )。
2.如權(quán)利要求1所述的音叉式斬光器，其特征在于還包括一個位于音叉式石英晶振(31)外部的金屬外殼(33);所述金屬外殼(33)側(cè)壁上開有入射窗口(34)和出射窗口(35);所述入射窗口(34)、音叉式石英晶振(31)和出射窗口(35)順次位于同一光路上；所述音叉式石英晶振(31)通過一個支座固定在金屬外殼(33)的內(nèi)底面上；金屬外殼(33)的底面設(shè)有兩個孔，音叉式石英晶振(31)的兩個電極穿過孔后分別與信號地及頻移電容(8)相連接。
3.一種痕量氣體測量裝置，包括光源(I )，以及順次位于光源(I)出射光路上的光束會聚器(2)、斬光器(3)、光束準(zhǔn)直器(4)和探測系統(tǒng)(5);還包括鎖相放大器(6)、函數(shù)信號發(fā)生器(7)和計算機系統(tǒng)(9);函數(shù)信號發(fā)生器(7)的同步輸出端和鎖相放大器(6)的同步信號輸入端連接；探測系統(tǒng)(5)的信號輸出端與鎖相放大器(6)的信號輸入端相連接；鎖相放大器(6)的信號輸出端與計算機系統(tǒng)(9)的信號輸入端相連接；其特征在于，所述斬光器(3)使用如權(quán)利要求2所述的音叉式斬光器；所述函數(shù)信號發(fā)生器(7)的調(diào)制輸出端與頻移電容(8)相連接；入射窗口( 34)、音叉式石英晶振(31)和出射窗口( 35)順次位于光束會聚器(2)的出射光路上；光路與音叉式石英晶振(31)的位置關(guān)系應(yīng)能夠保證音叉式石英晶振(31)的振臂(32)振動時，可以按照一定頻率遮擋或透射光路。
4.如權(quán)利要求3所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述光束會聚器(2)的出射光路穿過兩個振臂(32)之間或任一個振臂(32)的外側(cè)面附近。
5.如權(quán)利要求3或 4所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述光束會聚器(2)的出射光路與兩個振臂(32)相對的側(cè)面相平行。
6.如權(quán)利要求5所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述探測系統(tǒng)(5)包括順次位于光路上的內(nèi)部為空腔的樣品池(51)和光電探測器(50 )，樣品池(51)上沿光路方向裝配有第二入射窗口(511)和第二出射窗口(514);樣品池(51)上還設(shè)有進(jìn)氣口(512)和出氣口(513);所述光電探測器(50)的信號輸出端與鎖相放大器(6)的信號輸入端相連接；所述光源(I)為分布式反饋二極管激光器，音叉式石英晶振(31)的振動頻率為32.768kHz。
7.如權(quán)利要求5所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述探測系統(tǒng)(5)包括一個氣室(59)以及位于氣室(59)內(nèi)的第一音叉式石英晶振(56);氣室(59)的側(cè)壁沿光路順次設(shè)有第三入射窗口(52)和第三出射窗口(55)，光路穿過第一音叉式石英晶振(56)的兩個振臂之間；第一音叉式石英晶振(56)與第三入射窗口(52)之間水平設(shè)有位于光路上的第一微諧振腔(57),第一音叉式石英晶振(56)與第三出射窗口(55)之間水平設(shè)有位于光路上的第二微諧振腔(58);第一微諧振腔(57)與第二微諧振腔(58)相鄰的一端均位于第一音叉式石英晶振(56 )兩個振臂之間；氣室(59 )上還設(shè)有第二進(jìn)氣口(53)和第二出氣口(54);第一音叉式石英晶振(56)的一個電極與信號地連接,另一個電極與鎖相放大器(6)的信號輸入端相連接；所述光源(I)為分布式反饋二極管激光器，兩個音叉式石英晶振的振動頻率均為 32.768kHz ο
8.如權(quán)利要求6所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述樣品池(51)的第二入射窗口(511)和第二出射窗口(514)均與光路非垂直；第二入射窗口(511)入射面與光路的反向延長線所成角度為60° 85° ;第二出射窗口(514)出射面與光路所成角度為60。 85。。
9.如權(quán)利要求7所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述氣室(59)的第三入射窗口(52)和第三出射窗口(55)均與光路非垂直；第三入射窗口(52)入射面與光路的反向延長線所成角度為60°、5° ;第三出射窗口(55)出射面與光路所成角度為60°、5°。
10.如權(quán)利要求5所述的痕量氣體測量裝置，其特征在于，所述光束會聚器(2)采用光纖接口的光束 會聚器或分立光學(xué)元件透鏡組成的光束會聚器。
全文摘要
本發(fā)明涉及光機電領(lǐng)域，具體為一種音叉式斬光器及使用該斬光器的痕量氣體測量裝置。解決了目前機械式斬光器斬光頻率較低和噪聲較大的技術(shù)問題。一種音叉式斬光器，包括一個音叉式石英晶振；所述兩個振臂的底部通過一個基座相連接；音叉式石英晶振的底部設(shè)有兩個電極；其中一個電極與信號地連接，另一個電極連接有用于輸入外部激勵的頻移電容。一種痕量氣體測量裝置，包括光源，以及順次位于光源出射光路上的光束會聚器、斬光器、光束準(zhǔn)直器和探測系統(tǒng)；還包括鎖相放大器、函數(shù)信號發(fā)生器和計算機系統(tǒng)。本發(fā)明通過采用音叉式石英晶振作為斬光器，使得斬光頻率大大提高，達(dá)到了幾十kHz左右，聲頻噪聲卻很低，且結(jié)構(gòu)非常簡單，很好的滿足了相關(guān)技術(shù)要求。
文檔編號G01N21/25GK103149681SQ201310041478
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者董磊, 賈鎖堂, 尹王保 申請人:山西大學(xué)