基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。解决了目前测量音叉式石英晶振的固有频率时易受外界电磁环境及测量空间限制导致结果不准确的技术问题。一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，包括以下步骤：（a）对待测音叉式石英晶振采用声波进行激励；（b）在对声波频率进行扫描的同时引入一束探测光；（c）采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号；（d）对反射光的电信号进行解调，根据频率响应曲线得到待测音叉式石英晶振的固有频率。本申请有效避免了电磁信号的干扰而且解决了狭小空间的探测的难题。
【专利说明】基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。
【背景技术】
[0002]音叉式石英晶振是用具有压电效应的石英材料做成的石英晶体谐振器，如图1所示，其外观呈“Y”形。这种石英音叉自面世以来便由于其谐振频率稳定、体积小巧、品质因数高、价格低廉、使用寿命长等诸多优点被广泛使用。尤其是近年来发展迅速的石英音叉增强光声光谱技术、扫描探针显微镜技术以及微量化学分析技术更是将音叉式石英晶振的应用领域进一步拓宽至了气体检测、微观成像、物质分析等高精尖领域。音叉式石英晶振在这些应用领域的高效率工作均依赖于其谐振频率的精确测定。然而，由于材料特性、加工工艺、使用环境等因素的影响往往会造成其实际固有频率与标定的谐振频率间存在一定的误差，因此，对石英音叉实际谐振频率的快速精确测定意义重大。
[0003]传统石英晶振谐振频率的测量方法是以电激励的方式使音叉起振而后通过探测石英晶体压电效应产生的微弱电信号最终完成测量。测量时石英晶振的两个电极分别被用作激励端和测量端，在扫描激励端所加正弦波频率的同时，对由压电效应产生的激发电流从测量端进行了测量并通过寻找激发电流最大值对应的扫描频率最终确定音叉的共振频率。这种探测方法虽然可以满足众多音叉应用领域的频率检测需求但仍存在一定的应用限制。首先，由于传统频率测量方法中音叉的起振及被测电信号的产生均依靠压电效应来完成，而晶体的压电效应具有明显的温度效应且受石英材料外形、切割角度等因素的影响，音叉式石英晶振的压电效应在50°C左右时将变弱并失去规律性，因此，在较高温度的环境中传统频率检测方法将完全失效。其次，传统频率检测方法中由于压电效应产生的电信号非常微弱而在其测量端配置了前置放大电路，这样的操作虽然解决了探测的需求但电子器材的引入造成其极易受到外界强电磁场的干扰，从而使这种方法在恶劣电磁场环境中无法被使用。另外，传统测量方法需将石英音叉连接在配套的测量电路中进行检测，因此要求音叉要便于与测量装置之间拆卸组装，这在很大程度上限制了传统方法在当今高度集成化的电子产品领域中的应用。
【发明内容】
[0004]本发明为解决目前测量音叉式石英晶振的固有频率时易受外界恶劣电磁环境以及高温影响导致结果不准确的技术问题，提供一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。
[0005]本发明所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法采用以下技术方案实现的:一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，包括以下步骤:(a)对待测音叉式石英晶振采用声波进行激励，声波的频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；(b)在对声波频率进行扫描的同时引入一束探测光入射至音叉式石英晶振的任意一个振臂的外侧面上，探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为10° ^80° ; (C)采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光因反射方向变化引起的强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号，电信号变化幅度最大时表示此时音叉式石英晶振与声波发生共振；(d)对反射光的电信号进行解调，得到反射光强度变化量随扫描频率变化的频率响应曲线，根据频率响应曲线就可以得到待测音叉式石英晶振的固有频率。
[0006]区别于传统的频率检测技术，本发明设计了一种基于非电学激励音叉振荡的非接触式石英晶振谐振频率快速测量方法。其原理是当外部声激励信号频率与石英晶振的固有频率相同时，音叉式石英晶振可与激励信号形成共振从而引起音叉振臂的强烈振动，此时将一束未加调制的平行光(探测光)打在音叉式石英晶振任一振臂外侧面上，把振动信号转化为光的强度变化信号；探测光与振臂外侧面之间的角度以及位置关系能够保证反射光的强度变化幅度与振臂的振动幅度之间呈严格的线性关系，这样才能够保证测量结果的准确性；通过本领域技术人员熟知的解调方法得到反射光的强度变化幅度随外部扫描频率变化的频率响应曲线，频率响应曲线中光信号强度变化幅度最大时即代表此时音叉式石英晶振的频率就是它的固有频率。本方法可以有效克服恶劣电磁环境带来的不利影响，且可以在较高温度下使用。
[0007]本发明所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置时采用如下技术方案实现的:一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，包括声激励装置以及光探测装置；所述声激励装置包括一个函数发生器以及与函数发生器输出端相连接的用于激励待测音叉式石英晶振的声波发生装置；函数发生器的同步信号输出端连接有一个锁相放大器，锁相放大器的信号输出端连接有一个内设Labview软件的计算机，计算机的信号输出端与函数发生器的信号输入端相连接；所述光探测装置包括用于向待测音叉式石英晶振任意一个振臂外侧面发射探测光的光发射装置以及固定在空间位置上的用于接收经振臂反射的反射光的汇聚透镜和光电转换装置；光电转换装置的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连接；所述光发射装置发射的探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为10°~80°。
[0008]实际测量时，通过控制函数发生器使声波频率在音叉谐振频率附近以一定的步进被扫描并在达到谐振频率时引发音叉的共振；在声波发生装置工作的同时，光发射装置输出一束探测光，该束光无须进行调制等任何处理；测量音叉频率时，该束探测光以一定角度(10°~80° )照射在发生共振的音叉式石英晶振的任一振臂上并被以一定的角度反射，该反射光光路上放置有光电转换装置以对其强度进行探测。由于只有在声波频率与音叉谐振频率相同时音叉振臂才会由于共振效应产生明显的形变，因此相对于以一定角度照射在音叉振臂上的平行光束而言，入射角会随扫描过程不断发生微小改变并在音叉共振频率处达到极值，由几何光学基本原理可知其反射光会以入射光变化角度2倍的角度改变传播方向，在传播一段距离后该角度的改变会以光电转换装置感光面上光斑位置的改变反映出来，由于光电转换装置的感光面积很小(所用光电转换装置感光面积为0.2mm2),因此当光电转换装置被放置在一定距离外时光斑位置的改变会以光信号强度的改变反映出来。由于普通环境中声波频率要远低于32KHz，因此本方法对环境噪声具有较强的免疫能力。另外，为增强探测效果，在光电转换装置前放置了汇聚透镜对光束进行整形汇聚使反射光经过透镜汇聚后的焦点恰好处于光电转换装置的感光区域内。光电转换装置将探测到的光强信号转换为电信号后会将该信号传输至与之相连的锁相放大器中，锁相放大器同时接收函数发生器送来的同步信号对光电转换装置输入的电信号进行解调，解调出的包含有音叉振动强度信息的电信号被实时传输至与之相连的计算机，计算机在相应软件(Labview软件)的支持下将接收到的信号转换成相应的频率响应曲线并实时显示出来，音叉式石英晶振的谐振频率既可从图像中直接读出(曲线峰值对应的频率即为其响应频率)也可以数字的形式直接显示。本发明申请所用测量方法从信号采集到分析计算并得出结果均由计算机来控制完成，每次测量仅需分钟，真正实现了音叉式石英晶振谐振频率的快速、精确测量。测量中无需与音叉式石英晶振有任何的电路连接，避免了电路的组装与拆卸，节省了时间。
[0009]进一步 的，声波发生装置包括宽频域声波发生器以及位于宽频域声波发生器声波发射端口的导声管；函数发生器的信号输出端与宽频域声波发生器的信号输入端相连接；所述导声管的内径为3mm,长度50mm。
[0010]考虑到声波在开放环境中的耗散问题，为充分利用声波能量使音叉的振荡效果更加明显以加大信号强度并最终提高测量精度，在宽频域声波发生器的发声部位添加了导声管，如图3所示。宽频域声波发生器和导声管组装为声波发生装置以保证在测量过程中不会因为二者相对位置的改变对实验结果造成影响。考虑到声波模式对信号的影响，对导声管直径进行了优化，使其在对声波起到收集、定向传输的同时不会产生对探测信号干扰明显的横向声波。
[0011]进一步的，所述声波发生装置放置在一个三维调节架上；所述声波发生装置的声波输出端口位于待测音叉式石英晶振上方1.5_。
[0012]考虑到音叉式石英晶振两振臂的不同部位对声波的感应灵敏度不同，我们将声波发生装置固定在了三维调节架上，通过该装置可精确调整声波发生装置与石英音叉的相对位置，从而优化声波与音叉的作用效果。研究显示，当声波发生装置位于音叉式石英晶振正上方且二者相距广1.5mm时可获得最佳探测信号。
[0013]进一步的，所述宽频域声波发生器采用普通宽频喇叭或超声波压电陶瓷片。
[0014]考虑到普通宽频喇叭的频域范围主要集中在人耳响应频率范围内(20Hz-20000Hz)且在音叉式石英晶振的一般响应频率 32.7KHz)附近产生声波强度较低，我们可以用超声波压电陶瓷片充当宽频域声波发生器对实验进行优化，以达到更好的探测效果。
[0015]本实验的有益效果是:(一)与依靠电学激励与电信号解调的传统方式相比，本专利所述音叉式石英晶振共振频率的测量方法不再依赖晶体的压电效应，从而使其工作温度上限被大大提高，其工作温度上限理论上可接近被测音叉式石英晶振自身材料的熔点温度。(二)与传统电解调方式相比，本发明所述方法对电磁干扰均具有极强的免疫力，为强电磁场环境中的音叉频率测定提供了一种新的测量方式。(三)声激励法对所涉及的声波发生装置除频率响应范围外无其他特殊要求；因此本申请所述方法所需装置简单、成本较低。(四)本发明所述方法的探测对象为光信号，因此较传统音叉测频技术具有了远距离探测的优势，不仅无需考虑远距离传输过程中环境噪声的干扰而且解决了狭小空间的探测的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1音叉式石英晶振的结构示意图。
[0017]图2本发明所述装置的结构示意图。
[0018]图3本发明所述装置具体的结构示意图。
[0019]图4本发明所述方法与传统方法得到的频率响应曲线的对比图。
[0020]1-宽频域声波发生器，2-函数发生器，3-音叉式石英晶振，4-光源驱动器，5-探测光源，6-准直透镜，7-汇聚透镜，8-光电转换装置，9-锁相放大器，10-计算机，11-导声管，12-声波发生装置。
【具体实施方式】
[0021]一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，包括以下步骤:(a)对待测音叉式石英晶振采用声波进行激励，声波的频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；(b)在对声波频率进行扫描的同时引入一束探测光入射至音叉式石英晶振的任意一个振臂的外侧面上，探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为
10。?80。(可选择 10°、20。、30。、40。、50。、60。、70。、80。); (c)采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光因反射方向变化引起的强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号，电信号变化幅度最大时表不此时音叉式石英晶振与声波发生共振；(d)对反射光的电信号进行解调，得到反射光强度变化量随扫描频率变化的频率响应曲线，根据频率响应曲线就可以得到待测音叉式石英晶振的固有频率。
[0022]一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，包括声激励装置以及光探测装置；所述声激励装置包括一个函数发生器2、与函数发生器2信号输出端相连接的用于激励待测音叉式石英晶振的声波发生装置12 ;函数发生器2的同步信号输出端连接有一个锁相放大器9,锁相放大器9与一个内设Labview软件的计算机10通过串口数据线连接，计算机10与函数发生器2通过串口数据线连接并实现计算机10对函数发生器2的控制；所述光探测装置包括用于向待测音叉式石英晶振3任意一个振臂外侧面发射探测光的光发射装置以及固定在空间位置上的用于接收经振臂反射的反射光的汇聚透镜7和位于汇聚透镜7出射光路上的光电转换装置8 ;光电转换装置8的信号输出端与锁相放大器9的信号输入端相连接；所述光发射装置发射的探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振3的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为 10。?80。(可选择 10。、20。、30。、40。、50。、60。、70。、80。)。
[0023]声波发生装置12包括宽频域声波发生器I以及位于宽频域声波发生器I声波发射端口的导声管11 ;函数发生器2的信号输出端与宽频域声波发生器I的信号输入端相连接；所述导声管11的内径为3mm,长度50mm。
[0024]所述声波发生装置12放置在一个三维调节架上；所述声波发生装置12的声波输出端口位于待测音叉式石英晶振上方1?1.5mm (可选择I mm、l.1 mm>1.2 mm>1.3 mm>1.4mm、1.5 mm)n[0025]所述宽频域声波发生器I采用普通宽频喇叭或超声波压电陶瓷片。
[0026]光电转换装置8采用光电探测器或位置探测器。
[0027]所述光发射装置包括探测光5以及驱动探测光源5的光源驱动器4 ;探测光源5的出射光路上设有一个准直透镜6 ;经准直透镜6准直后的探测光与音叉式石英晶振3振臂作用位置在距振臂上端 0.3mm-1.5mm (可选择 0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、0.8 mm、1.1 mm、1.3mm、1.5 mm)之间。
[0028]所述探测光源5采用激光器或激光笔。
[0029]下面结合附图介绍具体的仪器工作实例:
如图1左侧所示，商业上通用的音叉式石英晶振外部一般包裹有金属制成的外壳，用来防止音叉振臂被破坏。但在当今其被广泛使用的气体检测、微观成像、物质分析等多个领域，均需要提前将该金属屏障去除以保证音叉可以高性能、的工作。图1右侧为去除金属保护壳后的外观图。
[0030]如图2所示，由普通宽频喇叭充当的宽频域声波发生器I在函数发生器2的驱动下输出一定频率的声波信号，该声波信号的频率由函数发生器2输出的调制信号频率决定。实际检测时，通过控制调制信号频率使声波频率在音叉式石英晶振3谐振频率附近以一定步进被扫描。当二者频率一致时，由于共振效应，音叉型石英晶振3的两振臂将会产生强烈的对称性振动。与此同时，探测光源5 (中心波长为1368.7nm的可调谐二极管激光器)在光源驱动器4 (拥有稳流和控温功能的普通光源驱动器)的驱动下发出一定波长的激光(该探测光的波长理论上可为任意值)，该束激光由准直透镜6准直为直径约0.22mm的平行光束后以一定的角度照射在石英音叉3的任一振臂上，该入射平行激光被反射后经过焦距为40_的汇聚透镜7汇聚后被光电探测器8探测接收并将光强信号转化为电信号实时传输至与之相连的锁相放大器9，该锁相放大器同时接收函数发生器2送来的同步信号对光电探测器信号进行解调并将结果传输至与之直接相连的计算机10，计算机会运算相关软件获得被测音叉式石英晶振谐振频率的精确值。
[0031]图4为分别采用声激励法与传统电激励法获得的频谱曲线。其中三条较强谱线为利用声激励法，在探测光源5输出光功率为21mW的情况下，计算机10控制函数发生器2使其输出的正弦调制电流频率以0.2Hz步进增加的方式在32740Hz — 32780Hz的范围内均匀改变(每次改变的延迟时间均为200ms)，在频率被调制的声波信号与音叉式石英晶振相互作用的同时，携带有音叉振臂振动信息的探测光强度信号被光电探测器8探测并由锁相放大器9解调后获得相应的频率特性谱线。图中曲线为常温下(21°C )光电探测器探测所得的测量信号，三条曲线所使用的声波发生器分别为普通宽频喇叭、普通宽频喇叭外加导声管、超声波压电陶瓷片外加导声管。
[0032]超声波压电陶瓷发生器为国内电子市场随机购买，厂家为“赢海电子”，型号为⑶1209A0。光电探测器为TH0RLABS公司生产的型号为PDA10CF的光电探测器；位置探测器有较多型号如德国的Codixx公司或美国的Iabshpere公司都有相关产品出售，使用时需要依据探测光的波长确定具体的产品型号。
【权利要求】
1.一种基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤:(a)对待测音叉式石英晶振采用声波进行激励，声波的频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；(b)在对声波频率进行扫描的同时引入一束探测光入射至音叉式石英晶振的任意一个振臂的外侧面上，探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为10° 10° ; (C)采集固定在空间位置上的一个接收面接收到的反射光因反射方向变化引起的强度变化信息，并将其强度转化为相应的电信号，电信号变化幅度最大时表示此时音叉式石英晶振与声波发生共振；(d)对反射光的电信号进行解调，得到反射光强度变化量随扫描频率变化的频率响应曲线，根据频率响应曲线就可以得到待测音叉式石英晶振的固有频率。
2.如权利要求1所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，用于实现如权利要求1所述的方法；其特征在于，包括声激励装置以及光探测装置；所述声激励装置包括一个函数发生器(2)、与函数发生器(2)信号输出端相连接的用于激励待测音叉式石英晶振(3)的声波发生装置(12);函数发生器(2)的同步信号输出端连接有一个锁相放大器(9)，锁相放大器(9)的信号输出端连接有一个内设Labview软件的计算机(10)，计算机(10)的信号输出端与函数发生器(2)的信号输入端相连接；所述光探测装置包括用于向待测音叉式石英晶振(3)任意一个振臂外侧面发射探测光的光发射装置以及固定在空间位置上的用于接收经振臂反射的反射光的汇聚透镜(7)和位于汇聚透镜(7)出射光路上的光电转换装置(8);光电转换装置(8)的信号输出端与锁相放大器(9)的另一个信号输入端相连接；所述光发射装置发射的探测光打在振臂外侧面后产生的反射光与探测光所在平面呈竖直平面且该平面垂直于音叉式石英晶振(3)的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为 10。~80。。
3.如权利要求2所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，声波发生装置(12)包括宽频域声波发生器(1)以及位于宽频域声波发生器(1)声波发射端口的导声管(11);函数发生器(2)的信号输出端与宽频域声波发生器(1)的信号输入端相连接；所述导声管(11)的内径为3mm,长度50mm。
4.如权利要求2或3所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述声波发生装置(12)放置在一个三维调节架上；所述声波发生装置(12)的声波输出端口位于待测音叉式石英晶振(3)上方1~1.5mm。
5.如权利要求3所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述宽频域声波发生器(1)采用普通宽频域喇叭或超声波压电陶瓷片。
6.如权利要求4所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述宽频域声波发生器(1)采用普通宽频域喇叭或超声波压电陶瓷片。
7.如权利要求2或3所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，光电转换装置(8)采用光电探测器或位置探测器。
8.如权利要求2或3所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述光发射装置包括探测光源(5)以及驱动探测光源(5)的光源驱动器(4);探测光源(5 )的出射光路上设有一个准直透镜(6 );经准直透镜(6 )准直后的探测光与音叉式石英晶振(3)振臂作用位置在距振臂上端0.3mm-l.5mm之间。
9.如权利要求4所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述光发射装置包括探测光源(5)以及驱动探测光源(5)的光源驱动器(4);探测光源(5)的出射光路上设有一个准直透镜(6);经准直透镜(6)准直后的探测光与音叉式石英晶振(3)振臂作用位置在距振臂上端0.3mm-l.5mm之间。
10.如权利要求9所述的基于声激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述探测光源(5)采用激光器或激光笔。
【文档编号】G01H9/00GK103884418SQ201410153686
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】武红鹏, 董磊 申请人:山西大学