专利名称：石英音叉增强型光声谱气体池的制作方法
技术领域：
本发明属于气体检测技术领域，特别涉及一种用于光声光谱气体检测系统的气体池。
背景技术：
光声光谱检测主要研究气体中低浓度(痕量)物质的检测与定量。光声光谱可以不受被测试样的形状及形态的限制，不需要特殊的前处理，可以保持在原始状态下进行测定，试样用量少。光声光谱气体检测装置主要由光源、光源控制系统、光声池、声敏兀件、放大电路、信号处理系统等组成。作为光声池和声敏元件组合的气体池，是光声光谱气体检测的敏感元件,一般采用微音器(麦克风)作声敏检测元件，其气体池的尺寸大，谐振频率低，品质因数低。现有的采用音叉气体池一般是基于石英音叉增强型结构，比如美国发明专利US2005/0117155A1以及US2007/7245380B2中提及一种石英增强光声光谱装置，其提供一种采用石英音叉的光声光谱装置来探测气体物质的成分或浓度。它的构成为激光器以及光路上放置有聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉，管状谐振腔分置于石英音叉两边的两只长度为2. 45_、内直径为O. 3 O. 5_的细管，两只细管的管轴心均与光路同轴，聚焦透镜的焦点位于石英音叉的音叉切口处。这种装置使用聚焦透镜会聚，因此其光路的光束直径较大，为使光完全进入谐振腔，需要透镜距离石英音叉远，这样不利于小型化且沿程损失大，谐振腔的长度只能定为声波的半波长。其存在的问题是灵敏度低、不易集成体积大。
发明内容
本发明的技术解决问题是，解决现有技术的不足，提供一种高灵敏度、体积小、易集成的石英音叉增强型光声谱气体池。本发明的技术解决方案为石英音叉增强型光声谱气体池，包括第一 c-lens准直透镜、第二 c-lens准直透镜、第一谐振管、第二谐振管、石英音叉、双V型槽固定座和基座；双V型槽固定座、第一 c-lens准直透镜和第二 c-lens准直透镜固定安装在基座上；第一谐振管、第二谐振管和石英音叉固定在双V型槽固定座上；第一谐振管、第二谐振管对称安装在石英音叉两侧；石英音叉位于第一 c-lens准直透镜和第二 c-lens准直透镜的束腰位置；第一谐振管、第二谐振管的轴心与第一 c-lens准直透镜和第二 c-lens准直透镜的轴线同轴；从第二 c-lens准直透镜发出的光路穿过第二谐振管、石英音叉叉指间隙和第一谐振管后到达第一 c-lens准直透镜。在所述石英音叉上方装有Pt温度传感器，用于测量石英音叉附近的环境温度。所述第一谐振管和第二谐振管在靠近c-lens准直透镜的一侧设置缓冲区。所述缓冲区的长度等于谐振管的长度，缓冲区的截面面积为谐振管截面积的 50-100 倍。所述第一 c-lens准直透镜和第二 c_lens准直透镜的准直工作距离为20_30mm，光斑直径为O. 5 O. 8mm,束腰直径100 220 μ m。所述石英音叉在常压下的品质因数大于10000，半高全峰宽3 5Hz。所述谐振管与石英音叉相邻的表面间距为30 50 μ m。所述第一谐振管和第二谐振管采用316不锈钢。本发明与现有技术相比的有益效果是I.本发明的气体池中采用c-lens准直透镜，使光束能全部通过谐振管和石英音叉，避免了光束入射时的损耗，提高气体池的灵敏度。同时，c-lens准直透镜的采用使光 源与气体池之间不需要准直聚焦，减小了体积。2.本发明根据微小光学无源对准方法，采用双V型槽对谐振管进行自对准，使气体池与光声光谱气体检测系统装配时易于集成。3.本发明在石英音叉上方装有Pt温度传感器，用于测量石英音叉附近的环境温度，据此用于补偿温度引起的波长漂移，提高了测量的精度。4.本发明在谐振管在靠近c-lens准直透镜的一侧设置缓冲区，同时对缓冲区的长度、截面尺寸进行优选，有效抑制了光学噪声以及气体流动而引起的噪声。5.本发明中的石英音叉采用高品质因数、窄带宽的石英晶体，能提高光声谱气体池的灵敏度。6.本发明中的谐振管采用316不锈钢，抗腐蚀能力强、且热传导系数高、内表面电化学抛光，减小气体吸附效应。
图I为本发明气体池的结构示意图；图2为本发明的三维示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。如图I所示，为本发明石英音叉增强型光声谱气体池的结构示意图。石英音叉增强型光声谱气体池，包括第一 c-lens准直透镜4、第二 c-lens准直透镜I、第一谐振管3、第二谐振管2、石英音叉7、双V型槽固定座8和基座9。双V型槽固定座8、第一 c-lens准直透镜4和第二 c-lens准直透镜I固定安装在基座9上；第一谐振管3、第二谐振管2和石英音叉7固定在双V型槽固定座8上；第一谐振管3、第二谐振管2对称安装在石英音叉7两侧；石英音叉7位于第一 c-lens准直透镜4和第二 c-lens准直透镜I的束腰位置。两个谐振管轴心与两个准直透镜轴线同轴，从第二 c-lens准直透镜I发出的光路穿过第二谐振管2、石英音叉7叉指间隙和第一谐振管3后到达第一 c-lens准直透镜4。在第一谐振管3靠近第一 c-lens准直透镜4的一侧以及第二谐振管2靠近第二 c-lens准直透镜I的一侧设置缓冲区，用于抑制光学噪声以及气体流动而引起的噪声。本发明中，缓冲区的长度等于谐振管的长度，缓冲区的截面面积为谐振管截面积的50-100倍。本发明的第一谐振管3、第二谐振管2为完全相同的圆管，内径O. 5 O. 8mm，长度4. 9 5. 1mm。在本实施例中，第一谐振管3和第二谐振管2的内径O. 5mm,长度5. Imm ;缓冲区的长度5. 1mm,缓冲区的截面尺寸80mm2。第一谐振管3和第二谐振管2的材料优选316不锈钢；双V型槽固定座8优选416磁性不锈钢加工；石英音叉7优选高品质因数圆柱形石英晶体，本实施例中采用R38-32. 768kHz石英晶体，去除外壳后安装。双V型槽固定座8放置于基座9的居中位置，V型槽中心轴线与放置第一 c-lens准直透镜4和第二 c-lens准直透镜I的中心对齐。第一谐振管3和第二谐振管2放置于双V形槽上，将石英音叉7放置于V型槽固定座8上的圆孔内，通过设计尺寸公差保证石英音叉7的切口与第一谐振管3和第二谐振管2中心轴线对齐，切口上端伸出谐振管轴线距离为O. 7mm，第一谐振管3和第二谐振管2与石英音叉7的间距分别为30 μ m,第一谐振管3和第二谐振管2中心轴线与石英音叉7表面垂直后通过双组份光学胶固定。本发明的c-lens准直透镜光斑直径O. 5mm,束腰直径200 μ m,工作距离30mm，镀金 套管，插入损耗小于O. 4dB。光束经第一 c-lens准直透镜4后，沿第一谐振管3的纵向轴线穿过充满气体的缓冲区射向谐振管，束腰位置为石英音叉切口中心，继而穿过第二谐振管，通过第二 c-lens准直透镜I后射出。通过光功率光差射出功率来进行准直透镜的有源对准，调整好准直透镜的位置后采用光学环氧胶固定密封。在石英音叉7上方安装Pt温度传感器6以对温度对波长漂移带来的影响进行补偿。石英音叉7与pt温度传感器6的与外围检测电路相连。各部件装配完毕后，将底座9的上盖采用激光平行缝焊焊接，封闭形成光声谱气体池。采用光声光谱装置测量气体，把待测气体通过进气入口管5引入到光声谱气体池内，通过气体出口管10排出，在光声池内形成流动气体,调制光束通过第一 C-Iens准直透镜4入射到光声池内，辐射样气，气体吸收调制光后，引起基态向激发态的跃迁，而后通过分子碰撞，从激发态通过无辐射跃迁生成热，产生压力波，即声波，声波在谐振管内增强信号，通过高品质因数的石英音叉7将声信号转换成电信号，与外围放大电路连接。通过外部连接泵与阀门，可以控制光声池内的压力，同时气体池内形成流动气体，排除池内废气，保障气体纯度，减小气体的吸附，提高了测量的精度与准确度。通过测声器内置的Pt温度传感器6与气体出口管10外接压力表，可以对测量数据的压力展宽及波长漂移进行修正。本石英增强型光声谱气体池，具有体积小、灵敏度高、低背景噪声、能检测多组分气体等优点，适用于环境气体的光声光谱监测系统。本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
权利要求
1.石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在干包括第一C-Iens准直透镜(4)、第二c-lens准直透镜(I)、第一谐振管(3)、第二谐振管(2)、石英音叉(7)、双V型槽固定座(8)和基座(9);双V型槽固定座(8)、第一 c-lens准直透镜(4)和第二 c-lens准直透镜(I)固定安装在基座(9)上；第一谐振管(3)、第二谐振管(2)和石英音叉(7)固定在双V型槽固定座(8)上；第一谐振管(3)、第二谐振管(2)对称安装在石英音叉(7)两侧；石英音叉(7)位于第一 c-lens准直透镜⑷和第二 c-lens准直透镜⑴的束腰位置；第一谐振管(3)、第二谐振管(2)的轴心与第一 c-lens准直透镜(4)和第二 c-lens准直透镜(I)的轴线同轴；从第二 c-lens准直透镜(I)发出的光路穿过第二谐振管(2)、石英音叉(7)叉指间隙和第一谐振管(3)后到达第一 c-lens准直透镜(4)。
2.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于在所述石英音叉(7)上方装有Pt温度传感器出)，用于测量石英音叉(7)附近的环境温度。
3.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述第一谐振管(3)和第二谐振管(2)在靠近c-lens准直透镜的ー侧设置缓冲区。
4.根据权利要求3的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述缓冲区的长度等于谐振管的长度，缓冲区的截面面积为谐振管截面积的50-100倍。
5.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述第一c-lens准直透镜⑷和第二 c-lens准直透镜(I)的准直工作距离为20-30mm，光斑直径为O. 5 O.8mm,束腰直径100 220 μ m。
6.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述石英音叉(7)在常压下的品质因数大于10000，半高全峰宽3 5Hz。
7.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述谐振管与石英音叉(7)的表面间距为30 50μηι。
8.根据权利要求I的石英音叉增强型光声谱气体池，其特征在于所述第一谐振管(3)和第二谐振管(2)采用316不锈钢。
全文摘要
本发明公开了一种石英音叉增强型光声谱气体池，包括第一c-lens准直透镜(4)、第二c-lens准直透镜(1)、第一谐振管(3)、第二谐振管(2)、石英音叉(7)、双V型槽固定座(8)和基座(9)，从第二c-lens准直透镜(1)发出的光路穿过第二谐振管(2)、石英音叉(7)叉指间隙和第一谐振管(3)后到达第一c-lens准直透镜(4)。本发明的气体池中采用c-lens准直透镜，使光束能全部通过谐振管和石英音叉，避免了光束入射时的损耗，提高了气体池的灵敏度。同时，采用c-lens准直透镜使光源与气体池之间不需要准直聚焦，减小了光声光谱气体检测装置的体积。
文档编号G01N21/01GK102680402SQ20111036204
公开日2012年9月19日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者周建发 申请人:北京遥测技术研究所