专利名称：双石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体传感技术，具体为一种双石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。
背景技术：
气体分子存在于人类生活的整个空间，与人类的经济、产业活动，身体健康等息息相关。随着中国工业化进程的不断加速，大量有毒危险气体的排放严重的影响了人类的健康和生存。同时在石油、化工、航天、医学、环境等领域中，需要对衍生气体分子进行高精度高选择性的监控，以优化各种工业过程。基于分子光谱学的气体检测技术由于其灵敏度高、选择性好、可在线实时检测等优点，在近几年来逐渐受到人们的重视。尤其是光声光谱，以其对光源波长无选择性及探测灵敏度与功率成正比的特性，更是被广泛的应用。2002年美国莱斯大学激光科学组率先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和两只细管组成。图7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7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，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。这种配置被叫做双管配置。随后，为进一步提高其灵敏度，两个细管的几何尺寸被进一步优化。也有人仅仅使用一只单独的长管作为声音谐振腔，长管中部被开一狭缝，长管相当于被分成两段，只剩一小部分连接；音叉式石英晶振被放置在长管中部的侧面，长管狭缝与音叉式石英晶振的间隙所在位置相对，以便更好的满足共振条件，这种配置叫做单管配置。但当前无论哪种配置，并怎样通过变换谐振腔管与音叉式石英晶振的位置、尺寸，优化实验装置，都无法使探测灵敏度进一步提高，因为在现有的装置下探测灵敏度已经到达了一个最优值；另一方面，以上装置都存在一个不足之处，由于音叉式石英晶振的高Q特性(Q是指石英晶振的品质因数，品质因数=存储能量/每周期损耗能量，品质因数越高响应带宽越窄)，使得其响应带宽只有约2.5Hz,甚至更低，而它的响应频率会随着环境参数的变化，例如温度、湿度、压力等而变化，因此每次在进行气体探测时，都必须对其共振频率进行测量，然后再使用其共振频率(一次谐波探测)或共振频率一半(二次谐波探测)对其光源进行调制，否则音叉式石英晶振将不会响应气体吸收光能之后释放的声波。这使得当前的气体探测装置操作较为繁琐，探测效率较低。
发明内容
本发明为解决目前气体探测装置探测灵敏度不高、操作较为繁琐的技术问题，提供一种双石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。本发明所述双石英晶振光谱测声器是采用以下技术方案实现的:一种双石英晶振光谱测声器，包括一个双石英晶振组件；所述双石英晶振组件包括振臂间隙相对排列的且具有一定空隙的两个音叉式石英晶振，所述两个音叉式石英晶振的振臂侧面相互平行；每个音叉式石英晶振均有一个管脚与信号地相连接；每个音叉式石英晶振不与信号地连接的管脚共同连接有一个前置放大器。应用时，光束从两个音叉式石英晶振之间的空隙穿过。采用本发明所述的双石英晶振组合方式利用了音叉式石英晶振之间的耦合效应，使它们的响应曲线合并，它们之间的阻抗减小，Q值进一步降低，而调制频率范围明显增大，能够有效增强探测灵敏度。进一步的，所述双石英晶振组件还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔；所述微型声音谐振腔中部外侧面开有与两个音叉式石英晶振的振臂间隙平行对齐的狭缝，所述两个音叉式石英晶振的振臂部分插入狭缝之中。音叉式石英晶振插入狭缝之中但并不与管壁相接触。这种组合方式在音叉式石英晶振对耦合作用的基础上，增加了微型声音谐振腔与音叉式石英晶振对之间的耦合作用，使得Q值进一步降低，而调制频率范围也进一步的增大，探测灵敏度得到了进一步的提高。管子(微型声音谐振腔)只在与振臂间隙方向相垂直的部分通过很窄的部分相连接。这种组合方式需要比较精细的机械加工，由于音叉式石英晶振振臂插入微型声音谐振腔的深度较浅，微型声音谐振腔与音叉式石英晶振对之间的耦合性不是很强，但微型声音谐振腔的中心无遮挡物，非常容易进行光束准直。进一步的，所述双石英晶振组件还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔；所述微型声音谐振腔中部外侧面与振臂间隙方向垂直的两侧各开有一个狭缝，所述每个音叉式石英晶振的振臂均部分的插入两个狭缝之中。微型声音谐振腔与振臂间隙方向垂直的两侧各开有一个狭缝，整个管子只在与振臂间隙相对的两侧留有很窄的部分连接；两个音叉式石英晶振的振臂插入狭缝中，位于上部的振臂插入上方的狭缝，下方的振臂插入下方的狭缝，管子的连接部分位于振臂间隙之中。音叉式石英晶振不与管壁相接触。这种组合方式不仅具备前一种方式的所有优点，而且由于音叉式石英晶振振臂能够进一步插入微型声音谐振腔，耦合性进一步增强；同时由于两个音叉式石英晶振的振臂从管子中心连接处插入到微型声音谐振腔内部，光束必须从两振臂之间通过，因此这种组合方式不仅需要精细的机械加工，也需要进行仔细的光学准直。进一步的，所述双石英晶振组件还包括对称设在音叉式石英晶振对的空隙两侧的轴向与音叉式石英晶振对的振臂侧面垂直的由两只单管组成的微型声音谐振腔。这种组合方式实际上相当于一对微型声音谐振腔组成一个微型谐振腔，两个音叉式石英晶振相当于部分的进入到微型谐振腔的内部。这种组合方式并不需要精细的机械加工，音叉式石英晶振振臂插入微型谐振腔的深度很深，使得整个系统的Q值能够从单个音叉式石英晶振的12000左右下降到4000左右，因此这种组合属于强耦合方式，调制带宽也进一步加宽；由于两个音叉式石英晶振的振臂插入到微型谐振腔内部，光束必须从两振臂间隙通过，因此这种方式需要进行仔细的光学准直。图5为双石英晶振组件与单石英晶振组件响应曲线的对比图。所述的单石英晶振组件即指传统方法上所采用的部件及其配置方式。图中横轴为频率(Hz)，纵轴为当外加激发信号时，单石英晶振组件或双石英晶振组件响应电压的幅值平方(任意单位)。SI为单个裸音叉式石英晶振的响应曲线，响应带宽只有2.5Hz ；S2为单石英晶振加一个由两只单管组成的微型谐振腔的响应曲线，响应带宽为3.5Hz ；S3曲线为上面说到的第三种配置方式下，即两个管子组成的微型声音谐振腔与两个音叉式石英晶振的组合得到的响应曲线，由于两个微型声音谐振腔与两个音叉式石英晶振存在强耦合效应，使得响应带宽为7.4Hz，大大宽于单石英晶振组件的响应带宽。图6为双石英晶振组件与单石英晶振组件在同等实验环境下测量的空气中水的信号强度的对比图。图中横轴为激光电流(mA)，纵坐标为信号强度(V)。SI为单个音叉式石英晶振测量的信号幅值；S2为单石英晶振加一个微型谐振腔(由两个管子组成)测量的信号幅值；S3为上面说到的第三种组合方式下，即两个微型声音谐振腔与两个音叉式石英晶振组合得到的信号幅值。从图中可以看出，S3信号是S2的3倍，是SI的46倍，探测灵敏度得到了显著提高。进一步的，还包括一个位于双石英晶振组件外部的底部设有孔的气室；气室的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口和一个出射窗口；所述入射窗口、双石英晶振组件和出射窗口位于同一光路上；所述气室上端靠近出射窗口一侧的位置设有气体入口 ；气室的下端靠近入射窗口一侧的位置设有气体出口 ；所述音叉式石英晶振以及微型声音谐振腔通过设于其下部的支座固定在气室的内壁上；两个音叉式石英晶振上的相应管脚并联并穿过孔后分别与信号地及前置放大器相连接。进行测量时，待测气体连续的从气体入口流入气室中，并从气体出口流出，探测光经过入射窗口、双石英晶振组件和出射窗口后出射；双石英晶振组件将待测气体吸收光能后由于分子之间的碰撞退激发产生的声能能量转化为相应的电信号并通过前置放大器输入至相应的分析装置进行分析。本发明所述的气体探测装置是采用以下技术方案实现的:一种气体探测装置，包括光源、以及与光源相连接的光源驱动器；光源出射光路上顺次设有光束聚焦器和光谱测声器；还包括顺次连接的第一锁相放大器和信号发生器；信号发生器的调制信号输出端与光源驱动器的调制端口相连接；信号发生器的一个同步信号输出端与第一锁相放大器的同步信号输入端相连接；还包括数据采集卡和计算机系统；第一锁相放大器的信号输出端与数据采集卡的一个信号输入端相连接；数据采集卡的信号输出端与计算机系统的信号输入端相连接；所述光谱测声器采用双石英晶振光谱测声器；双石英晶振光谱测声器的前置放大器的信号输出端与第一锁相放大器的信号输入端相连接；所述入射窗口、双石英晶振组件和出射窗口顺次位于光束聚焦器的出射光路上。对痕量气体进行检测时，信号发生器以二分之一 Cf0为双石英晶振组件共振频率)的频率输出正弦调制信号给光源驱动器，光源驱动器的电流被所述正弦调制信号调制后供应给光源，对输出光进行波长调制，光源发出的光经过双石英晶振光谱测声器后，双石英晶振组件将接收到的振动转换成相应的电信号并将此电信号传给前置放大器，前置放大器将此电信号放大后传输给第一锁相放大器，第一锁相放大器同时接受信号发生器送来的同步信号对光电探测器信号进行二次谐波解调，解调出的包含有待测气体浓度信息的电信号被数据采集卡采集，数据采集卡将采集到的信号输入至计算机系统，计算机系统在相应软件的支持下将接收到的信号转换成相应的图像并显示出来，待测气体的浓度可以从图像中直接读出；所述的相应软件为本领域技术人员的公知技术，是易于编写的。对某种气体进行测量时，应事先通过已知浓度的该种气体对测量装置进行标定，标定后的装置就能对该种气体进行测量。所述的标定方法为本领域技术人员所公知的技术。进一步的，还包括顺次位于双石英晶振光谱测声器出射光路上的待测气体参考池及光电探测器；光电探测器通过信号输出端连接有一个第二锁相放大器，所述第二锁相放大器通过信号输入端与光电探测器相连接；信号发生器的另一个同步信号输出端与第二锁相放大器的同步信号输入端相连接，第二锁相放大器的信号输出端与数据采集卡的另一个信号输入端相连接；计算机系统的信号输出端与光源驱动器的调制端口相连接。待测气体参考池、第二锁相放大器、数据采集卡及计算机系统共同组成了本发明的反馈系统。待测气体参考池内充有与待测气体成分相同的气体，由气室出射的光在经过气体参考池后进入光电探测器，光电探测器将接受的光信号转换成相应的电信号，然后送给第二锁相放大器，第二锁相放大器同时接受信号发生器送来的同步信号对光电探测器信号进行三次谐波解调，得到鉴频信号，鉴频信号被数据采集卡采集，由计算机系统进行PID信号规整，并根据鉴频信号调整光源驱动器的输出电流，通过光源驱动器控制激光器波长始终保持在待测气体的被测吸收线上；光源输出的探测光波长高于待测气体的吸收线(即吸收频率时)，降低光源驱动器的电流使探测光的波长降低；当探测光的波长低于待测气体的吸收线时，升高光源驱动器的电流使探测光的波长升高；如此实时调整光源输出的探测光波长始终保持在待测气体的吸收线上。反馈系统的引入能够将光源发射的光波长锁定在待测气体的被测吸收线上，避免了以往光源必须按照频率范围不断由低到高进行扫描的过程，有效提闻了探测效率。本发明所用前置放大器、锁相放大器、信号发生器均为本领域的常用仪器，有多种型号可供选择；所述PID信号规整为本领域技术人员常用的方法。本发明的有益效果是:一、使用双石英晶振组件对目标气体进行探测，打破了当前单个石英晶振对目标气体进行探测很难进一步提升灵敏度的瓶颈；二、双石英晶振组件的使用并不是信号的单纯叠加效果，而是通过音叉式石英晶振对之间以及音叉式石英晶振对与微型声音谐振腔之间的耦合效应，使它们之间的阻抗很小，能量能够在它们之间交换，致使双石英晶振光谱测声器品质因数Q降低，但信号反而增强；三、在共振频率几乎不变时，品质因数Q的降低使带宽进一步增加，这样，双石英晶振光谱测声器能够使用在很宽调制频率范围内，避免了单石英晶振对目标气体进行检测时必须频繁测量其共振频率的技术要求；四、待测气体参考池及反馈系统的引入使激光波长能够始终停留在被测吸收线的位置，而无需对被测线进行周期性扫描，提高了探测效率；五、气体入口和气体出口的位置设置可以保证被测气体从微型声音谐振腔的一端进，从微型声音谐振腔的另一端出，这样气体能够迅速充满微型声音谐振腔，达到快速检测目的。
图1为本发明所述双石英晶振组件具体实施时的一种结构以及管脚连接示意图。图2为本发明所述双石英晶振组件具体实施时的第二种结构以及管脚连接示意图。图3为本发明所述双石英晶振组件具体实施时的第三种结构以及管脚连接示意图。图4为本发明所述气体探测装置结构示意图。
图5为采用图3所述双石英晶振组件与单石英晶振组件的响应曲线对比示意图。
图6为采用图3所述双石英晶振组件与单石英晶振组件在同等实验环境下测量
空气中水汽后的结果对比图。图7音叉式石英晶振的主视结构示意图。1-光源，2-光束聚焦器，3-光谱测声器，4-平面反射镜，5-凹面反射镜，6_待测气体参考池，7-光电探测器,8-前置放大器,9-电磁屏蔽罩，10-信号发生器，11-第一锁相放大器，12-计算机系统，13-数据采集卡，14-第二锁相放大器，15-光源驱动器，31-入射窗口，32-出射窗口，33-微型声音谐振腔，34-气体出口，35-气体入口，36-音叉式石英晶振，37-双石英晶振组件，38-气室，331-狭缝，61-第一入射窗口，62-第一出射窗口。
具体实施例方式一种双石英晶振光谱测声器，包括一个双石英晶振组件37 ;所述双石英晶振组件37包括振臂间隙相对排列的且具有一定空隙的两个音叉式石英晶振36，所述两个音叉式石英晶振36的振臂侧面相互平行；每个音叉式石英晶振36均有一个管脚与信号地相连接；每个音叉式石英晶振36不与信号地连接的管脚共同连接有一个前置放大器8。所述双石英晶振组件37还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔33 ;所述微型声音谐振腔33中部外侧面开有与两个音叉式石英晶振36的振臂间隙平行对齐的狭缝331，所述两个音叉式石英晶振36的振臂部分插入狭缝331之中。如图1所示。所述双石英晶振组件37还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔33 ;所述微型声音谐振腔33中部外侧面与振臂间隙方向垂直的两侧各开有一个狭缝331，所述每个音叉式石英晶振36的振臂均部分的插入两个狭缝之中。如图2所示。所述双石英晶振组件37还包括对称设在音叉式石英晶振对的空隙两侧的轴向与音叉式石英晶振对的振臂侧面垂直的由两只单管组成的微型声音谐振腔33。如图3所示。还包括一个位于双石英晶振组件37外部的底部设有孔的气室38 ;气室38的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口 31和一个出射窗口 32 ;所述入射窗口 31、双石英晶振组件37和出射窗口 32位于同一光路上；所述气室38上端靠近出射窗口 32 —侧的位置设有气体入口 35 ;气室38的下端靠近入射窗口 31 —侧的位置设有气体出口 34 ;所述音叉式石英晶振36以及微型声音谐振腔33通过设于其下部的支座固定在气室38的内壁上；两个音叉式石英晶振36上的相应管脚并联并穿过孔后分别与信号地及前置放大器8相连接。一种气体探测装置，包括光源1、以及与光源I相连接的光源驱动器15 ;光源I出射光路上顺次设有光束聚焦器2和光谱测声器3 ;还包括顺次连接的第一锁相放大器11和信号发生器10 ;信号发生器10的调制信号输出端与光源驱动器15的调制端口相连接；信号发生器10的一个同步信号输出端与第一锁相放大器11的同步信号输入端相连接；还包括数据采集卡13和计算机系统12 ;第一锁相放大器11的信号输出端与数据采集卡13的一个信号输入端相连接；数据采集卡13的信号输出端与计算机系统12的信号输入端相连接；所述光谱测声器3采用双石英晶振光谱测声器；双石英晶振光谱测声器的前置放大器8的信号输出端与第一锁相放大器11的信号输入端相连接；所述入射窗口 31、双石英晶振组件37和出射窗口 32顺次位于光束聚焦器2的出射光路上。还包括顺次位于双石英晶振光谱测声器3出射光路上的待测气体参考池6及光电探测器7 ;光电探测器7通过信号输出端连接有一个第二锁相放大器14，所述第二锁相放大器14通过信号输入端与光电探测器7相连接；信号发生器10的另一个同步信号输出端与第二锁相放大器14的同步信号输入端相连接，第二锁相放大器14的信号输出端与数据采集卡13的另一个信号输入端相连接；计算机系统12的信号输出端与光源驱动器15的调制端口相连接。所述双石英晶振光谱测声器3的出射光路上设有平面反射镜4，所述平面反射镜4与双石英晶振光谱测声器3的出射光路所成角度为45°，平面反射镜4的反射光路上设有一个凹面反射镜5 ;所述凹面反射镜5与平面反射镜4的出射光路所成角度为45°，所述凹面反射镜5的出射光路与双石英晶振光谱测声器3的出射光路方向相反；所述待测气体参考池6位于凹面反射镜5的出射光路上。所述双石英晶振光谱测声器3的入射窗口 31及出射窗口 32均与光路非垂直，所述入射窗口 31入射面与光路所成角度为75° 85° (可选择75°、80°、85° );所述出射窗口 32的出射面与光路的反向延长线所成角度为75° 85° (可选择75°、80°、85° )。所述前置放大器8的外部设有一个电磁屏蔽罩9。双石英晶振光谱测声器3的入射窗口 31及出射窗口 32均与光路非垂直，避免了光束反馈，有效压制了干涉条纹的出现；电磁屏蔽罩9能够有效屏蔽电磁噪声，避免引入外界噪声干扰；电磁屏蔽罩9 一般由洋白铜做成；电磁屏蔽罩9接信号地，前置放大器8被放置在离双石英晶振光谱测声器3小于IOcm的范围内。平面反射镜4和凹面反射镜5构成一个180度光路翻转组合件，能够使光路折叠，有效利用空间，使气体探测装置的体积大大缩小；凹面反射镜5的使用使光束在通过待测气体参考池6时有轻微的会聚作用，不仅避免了使用透镜带来的光电探测器7饱和的可能，也避免了自由光束带来的光电探测器7信号弱的缺点。光束由第一入射窗口 61进入待测气体参考池6，由第一出射窗口 62出射。第一入射窗口 61出射面与光路成75°角，第一出射窗口 62出射面与光路所成角度为75°。光源I可采用近红外的DFB激光器，中红外的QCL激光器，或者宽带的LD，LED准激光源。具体应用时，信号发生器10以双石英晶振光谱测声器3共振频率& 一半的频率值(f)输出正弦波，通过光源驱动器15对光源I进行调制，被调制的光通过待测气体参考池6后，被光电探测器7转换为相应的电信号送给第二锁相放大器14,第二锁相放大器14解调出3f信号后由数据采集卡13采集，送给计算机系统12进行PID规整，然后送到光源驱动器15对激光电流进行补偿，使激光波长始终停留在被测气体吸收线上。而双石英晶振光谱测声器3探测到的被测气体信号通过前置放大器8进行放大后送给第一锁相放大器11，解调出2f信号，由数据采集卡13采集，送给计算机系统12进行显示。以下结合附图介绍三种具体的实施例:实施例1如图1所示，微型声音谐振腔是一根管子，在两侧面打狭缝，狭缝的宽度在0.35mm-lmm之间，音叉式石英晶振被分别插入。这种方式需要比较精细的机械加工，由于石英晶振振臂插入微型谐振腔的深度较浅，耦合性不是很强，但微型声音谐振腔的中心无遮挡物，非常容易进行光束准直。实施例2如图2所示，微型声音谐振腔仍然是一根管子(和第一种的管子一模一样)，在管子的上下两面打狭缝，狭缝的宽度在0.35mm-lmm之间，音叉式石英晶振被分别从管子连接处插入，管子中间连接处的宽度小于音叉的两振臂之间的距离(〈0.3mm) 0这种方式不仅具备第一种方式的所有优点，而且由于音叉式石英晶振振臂能够进一步插入微型声音谐振腔，耦合性进一步增强，由于两个音叉式石英晶振的振臂从管子中心连接处插入到微型谐振腔内部，光束必须从两振臂之间通过，因此这种方式不仅需要精细的机械加工，也需要进行仔细的光学准直。实施例3 如图3所示，微型谐振腔由两个不锈钢细管组成，两个音叉式石英晶振相对插入两个管子之间，两个音叉式石英晶振顶面之间距离为0.1mm-1mm之间。这种方式相当于是分立的两根不锈钢细管组成一个微型谐振腔，因此并不需要精细的机械加工，音叉式石英晶振振臂插入微型谐振腔的深度很深，使得整个系统的Q值能够从单个音叉式石英晶振的12000左右下降到4000左右，因此这种属于强耦合方式，使得调制带宽进一步加宽，由于两个音叉式石英晶振的振臂插入到微型谐振腔内部，光束必须从两振臂之间通过，因此这种方式需要进行仔细的光学准直。应用时微型声音谐振腔长度为5mm-15mm之间，内径为0.4mm-1.2mm之间，外径为0.之间；音叉式石英晶振36的共振频率为32.768kHz ο
权利要求
1.一种双石英晶振光谱测声器，其特征在于包括一个双石英晶振组件(37);所述双石英晶振组件(37)包括振臂间隙相对排列的且具有一定空隙的两个音叉式石英晶振(36)，所述两个音叉式石英晶振(36)的振臂侧面相互平行；每个音叉式石英晶振(36)均有一个管脚与信号地相连接；每个音叉式石英晶振(36)不与信号地连接的管脚共同连接有一个前置放大器(8)。
2.如权利要求1所述的双石英晶振光谱测声器，其特征在于所述双石英晶振组件(37)还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔(33);所述微型声音谐振腔(33)中部外侧面开有与两个音叉式石英晶振(36)的振臂间隙平行对齐的狭缝(331)，所述两个音叉式石英晶振(36)的振臂部分插入狭缝(331)之中。
3.如权利要求1所述的双石英晶振光谱测声器，其特征在于所述双石英晶振组件(37)还包括一个穿过所述音叉式石英晶振对之间空隙的轴向与音叉式石英晶振对振臂侧面垂直的微型声音谐振腔(33);所述微型声音谐振腔(33)中部外侧面与振臂间隙方向垂直的两侧各开有一个狭缝(331)，所述每个音叉式石英晶振(36)的振臂均部分的插入两个狭缝之中。
4.如权利要求1所述的多石英晶振光谱测声器，其特征在于所述双石英晶振组件(37)还包括对称设在音叉式石英晶振对的空隙两侧的轴向与音叉式石英晶振对的振臂侧面垂直的由两只单管组成的微型声音谐振腔(33)。
5.如权利要求广4中任一项所述的双石英晶振光谱测声器，其特征在于还包括一个位于双石英晶振组件(37)外部的底部设有孔的气室(38);气室(38)的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口( 31)和一个出射窗口( 32 );所述入射窗口( 31)、双石英晶振组件(37 )和出射窗口(32)位于同一光路 上；所述气室(38)上端靠近出射窗口(32) —侧的位置设有气体入口(35);气室(38)的下端靠近入射窗口(31) —侧的位置设有气体出口(34);所述音叉式石英晶振(36 )以及微型声音谐振腔(33 )通过设于其下部的支座固定在气室(38 )的内壁上；两个音叉式石英晶振(36)上的相应管脚并联并穿过孔后分别与信号地及前置放大器(8)相连接。
6.一种气体探测装置，包括光源(I)、以及与光源(I)相连接的光源驱动器(15);光源(I)出射光路上顺次设有光束聚焦器(2 )和光谱测声器(3 );还包括顺次连接的第一锁相放大器(11)和信号发生器(10);信号发生器(10)的调制信号输出端与光源驱动器(15)的调制端口相连接；信号发生器(10)的一个同步信号输出端与第一锁相放大器(11)的同步信号输入端相连接；还包括数据采集卡(13)和计算机系统(12);第一锁相放大器(11)的信号输出端与数据采集卡(13)的一个信号输入端相连接；数据采集卡(13)的信号输出端与计算机系统(12)的信号输入端相连接；其特征在于所述光谱测声器(3)采用如权利要求5所述的双石英晶振光谱测声器；双石英晶振光谱测声器的前置放大器(8)的信号输出端与第一锁相放大器(11)的信号输入端相连接；所述入射窗口(31)、双石英晶振组件(37)和出射窗口(32)顺次位于光束聚焦器(2)的出射光路上。
7.如权利要求6所述的气体探测装置，其特征在于，还包括顺次位于双石英晶振光谱测声器(3 )出射光路上的待测气体参考池(6 )及光电探测器(7 );光电探测器(7 )通过信号输出端连接有一个第二锁相放大器(14),所述第二锁相放大器(14)通过信号输入端与光电探测器(7)相连接；信号发生器(10)的另一个同步信号输出端与第二锁相放大器(14)的同步信号输入端相连接，第二锁相放大器(14)的信号输出端与数据采集卡(13)的另一个信号输入端相连接；计算机系统(12)的信号输出端与光源驱动器(15)的调制端口相连接。
8.如权利要求7所述的气体探测装置，其特征在于，所述双石英晶振光谱测声器(3)的出射光路上设有平面反射镜(4)，所述平面反射镜(4)与双石英晶振光谱测声器(3)的出射光路所成角度为45°，平面反射镜(4)的反射光路上设有一个凹面反射镜(5);所述凹面反射镜(5)与平面反射镜(4)的出射光路所成角度为45°，所述凹面反射镜(5)的出射光路与双石英晶振光谱测声器(3)的出射光路方向相反；所述待测气体参考池(6)位于凹面反射镜(5)的出射光路上。
9.如权利要求61中任 一项所述的气体探测装置，其特征在于，所述双石英晶振光谱测声器(3)的入射窗口(31)及出射窗口(32)均与光路非垂直，所述入射窗口(31)入射面与光路所成角度为75° 85° ;所述出射窗口(32)的出射面与光路反向延长线所成角度为75° 85。。
10.如权利要求61中任一项所述的气体探测装置，其特征在于，所述前置放大器(8)的外部设有一个电磁屏蔽罩(9)。
全文摘要
本发明涉及气体传感技术，具体为一种双石英晶振光谱测声器及采用该测声器的气体探测装置。解决了目前气体探测装置探测灵敏度不高、操作较为繁琐的技术问题。一种双石英晶振光谱测声器，包括一个位于双石英晶振组件外部的底部设有孔的气室；气室的侧壁上沿光路分别设有一个入射窗口和一个出射窗口；所述入射窗口、双石英晶振组件和出射窗口位于同一光路上。一种气体探测装置，包括光源、以及与光源相连接的光源驱动器；光源出射光路上顺次设有光束聚焦器和光谱测声器；还包括顺次连接的第一锁相放大器和信号发生器。本发明通过双石英晶振组件的巧妙布置解决了目前气体探测中探测灵敏度不高且需要频繁测量石英晶振频率的技术问题。
文档编号G01N21/27GK103175790SQ20131004234
公开日2013年6月26日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者董磊, 贾锁堂, 尹王保 申请人:山西大学