双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置的制作方法

本发明属于光声光谱气体传感头及气体探测装置技术领域，具体涉及一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。

背景技术：

石英增强光声光谱是传统的光声光谱一个变种，它是一种非常实用的技术，能够被使用在环境监控，工业过程控制和医疗分析等多个领域。石英增强光声光谱区别于传统光声光谱的特征在于它使用一只品质因子很高的音叉式石英晶振代替麦克风，来探测目标气体在吸收激发光后产生的声波。石英增强光声光谱的光谱测声器主要包含音叉式石英晶振和微型声音共振腔(通常由两根不锈钢毛细管构成)。尽管音叉式石英晶振本身能够完成对气体信号的测量，但配备微型声音共振腔后可以使信号大大增强。图1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声波激励后，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1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，组成微型声音共振腔，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，见图2所示。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，声能在微型声音共振腔中积累，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。石英增强光声光谱技术结合了光声光谱和音叉式石英晶振的主要优点，形成了一个紧凑的、可靠的、低成本的光谱测声器。

2013年以前，石英增强光声测声器使用的是商用标准音叉式石英晶振，它的基频共振频率为32.7kHz，振臂间距为300μm。这些商用的音叉式石英晶振主要用途是在手机和石英手表中作为时间基准。在近红外波段，基于商用标准音叉式石英晶振的高灵敏气体传感器已经被广泛应用。但是，由于激光的高斯光束直径随着激光波长的增大而变大，300μm的振臂间距限制了音叉式石英晶振用于长波长的中红外和太赫兹波段。因此，大间距的音叉式石英晶振被设计。由于振臂间距变大，这些定制的音叉式石英晶振都有较低的振动频率，导致微型声音共振腔太长，大间距带来的准直优势被破坏。

另一方面，通过仔细设计音叉式石英晶振的几何结构，可以使音叉式石英晶振的一次泛频振动品质因子大大高于基频振动品质因子。由于石英增强光声光谱传感器的探测灵敏度与音叉式石英晶振的品质因子成正比，这就为我们提供了一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的方法。但目前公开的一种利用音叉式石英晶振的一次泛频振动模式结合光声光谱技术去探测痕量气体的装置，仍采用传统的石英增强光声光谱测声器配置，即由音叉式石英晶振和一个微型声音共振腔组成，虽然配备声音共振腔后可以使检测信号有所增强，但仍存在灵敏度不高的问题，而且传统的气体探测装置中使用了多个激光光源，增加了传感器功耗，同时也影响探测灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有的音叉式石英晶振一次泛频模式探测灵敏度不高的技术问题，提供一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器及气体探测装置。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振、与音叉式石英晶振相匹配的微型声音共振腔Ⅰ、微型声音共振腔Ⅱ和一个用于固定音叉式石英晶振以及微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的支架；所述每个微型声音共振腔由一对水平设置在音叉式石英晶振两侧且垂直于音叉式石英晶振的振臂面的不锈钢毛细管组成，每对不锈钢毛细管的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振的振臂间隙；所述支架由上下两个托盘组成，两个托盘的中间垂直向下设有放置音叉式石英晶振的长方形通孔，上、下托盘上还分别设有放置微型声音共振腔Ⅰ和微型声音共振腔Ⅱ的凹槽，且凹槽与长方形通孔垂直，所述微型声音共振腔Ⅱ和微型声音共振腔Ⅰ设在音叉式石英晶振振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。

进一步地，所述音叉式石英晶振的臂长为17mm，振臂间距为700μm，振臂的长宽比为17。

进一步地，所述不锈钢毛细管的一端面与音叉式石英晶振的振臂侧面距离是20μm。

进一步地，所述不锈钢毛细管的长度为8.5mm，内径为1.3mm，外径为1.58mm。

本发明还提供了一种使用双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置，包括光学部分和电子部分，光学部分包括激光器、光学隔离器、光学环形器、光束准直器Ⅰ、光束准直器Ⅱ、光学相位补偿器、双波腹激发的石英增强光声光谱测声器和铝膜反射镜，激光器的光纤输出端口连接光学隔离器的输入端，光学隔离器的输出端连接光学环形器的第一端口，光学环形器的第二端口通过光纤连接光束准直器Ⅰ，光学环形器的第三端口通过光纤连接光学相位补偿器的输入端，光学相位补偿器的输出端通过光纤连接光束准直器Ⅱ，光束准直器Ⅱ设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅰ的入光侧，光束准直器Ⅰ设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅱ的入光侧，铝膜反射镜设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅱ的出光侧；电子部分包括功率计、激光器驱动、信号发生器、前置放大器、锁相放大器和电脑，功率计设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器中微型声音共振腔Ⅰ的出光侧，激光器驱动的控制端连接激光器，信号发生器的信号输出端口连接激光器驱动的调制端口，信号发生器的同步端口连接锁相放大器的同步信号输入端，双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的信号输出端连接前置放大器的信号输入端，前置放大器的信号输出端连接锁相放大器的信号输入端，锁相放大器和功率计的信号输出端连接电脑的信号采集端口。

进一步地，所述的光学相位补偿器由一根剥去包层的裸光纤和圆柱形压电陶瓷组成，裸光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷上。

本发明的有益效果是：本发明中的双波腹石英增强光声光谱测声器使用了两个微型声音共振腔，使测声器的探测灵敏度增强，本发明中使用该测声器的气体探测装置中只安装了一个激光器，使激光器出射的光束通过相位匹配后三次通过音叉式石英晶振两振臂间隙，同时推动音叉式石英晶振的双波腹振动，相比于多个激光激发，高效利用了单个激光的光束，最小化了传感器功耗，同时探测灵敏度也增强。

附图说明

图1为现有音叉式石英晶振的主视图；

图2为现有石英音叉与微型声音谐振腔构成的石英增强光声光谱测声器；

图3为本发明双波腹激发的石英增强光声光谱测声器结构示意图；

图4为本发明基于双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置结构示意图；

图5为本发明信号幅值随h增长的变化图；

图6为本发明信号相位随h增长的变化图；

图7为本发明基于一次泛频振动，三种不同装置下的信号幅值比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图3所示，本实施例中的一种双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，包括一个竖直设置的音叉式石英晶振1、与音叉式石英晶振1相匹配的微型声音共振腔Ⅰ2、微型声音共振腔Ⅱ3和一个用于固定音叉式石英晶振1以及微型声音共振腔Ⅰ2和微型声音共振腔Ⅱ3的支架5；所述音叉式石英晶振1的臂长为17mm，振臂间距为700μm，振臂的长宽比为17；所述每个微型声音共振腔由一对水平设置在音叉式石英晶振1两侧且垂直于音叉式石英晶振1的振臂面的不锈钢毛细管4组成，每对不锈钢毛细管4的中心轴线重合且均穿过音叉式石英晶振1的振臂间隙，所述不锈钢毛细管4的一端面与音叉式石英晶振1的振臂侧面距离是20μm，不锈钢毛细管4的长度为8.5mm，内径为1.3mm，外径为1.58mm；所述支架5由上下两个托盘组成，两个托盘的中间垂直向下设有放置音叉式石英晶振1的长方形通孔20，上、下托盘上还分别设有放置微型声音共振腔Ⅰ2和微型声音共振腔Ⅱ3的凹槽，且凹槽与长方形通孔20垂直，所述微型声音共振腔Ⅱ3和微型声音共振腔Ⅰ2设在音叉式石英晶振1振臂间隙的位置分别与沿音叉式石英晶振振臂底部向上一次泛频振动的两个振动波腹的位置重合。

如图4所示，使用本实施例中的双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置，包括光学部分和电子部分，光学部分包括激光器7、光学隔离器8、光学环形器9、光束准直器Ⅰ10、光束准直器Ⅱ12、光学相位补偿器11、双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6和铝膜反射镜13，激光器7的光纤输出端口连接光学隔离器8的输入端，光学隔离器8的输出端连接光学环形器9的第一端口，光学环形器9的第二端口通过光纤连接光束准直器Ⅰ10，光学环形器9的第三端口通过光纤连接光学相位补偿器11的输入端，光学相位补偿器11由一根剥去包层的裸光纤和圆柱形压电陶瓷组成，裸光纤缠绕在圆柱形压电陶瓷上；光学相位补偿器11的输出端通过光纤连接光束准直器Ⅱ12，光束准直器Ⅱ12设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中微型声音共振腔Ⅰ2的入光侧，光束准直器Ⅰ10设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中微型声音共振腔Ⅱ3的入光侧，铝膜反射镜13设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中微型声音共振腔Ⅱ3的出光侧；电子部分包括功率计14、激光器驱动15、信号发生器16、前置放大器17、锁相放大器18和电脑19，功率计14设在双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中微型声音共振腔Ⅰ2的出光侧，激光器驱动15的控制端连接激光器7，信号发生器16的信号输出端口连接激光器驱动15的调制端口，信号发生器16的同步端口连接锁相放大器18的同步信号输入端，双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6的信号输出端连接前置放大器17的信号输入端，前置放大器17的信号输出端连接锁相放大器18的信号输入端，锁相放大器18和功率计14的信号输出端连接电脑19的信号采集端口。

本发明中双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的设计是建立在这样一个理论推导和实验验证的基础上：音叉式石英晶振有两种振动模式，基频振动和一次泛频振动。基频振动时音叉式石英晶振的振臂根部固定不动，两个振臂同时向两侧分开和靠拢，最大振动幅度位于振臂顶端，然而由于振臂顶端是开放的，导致声波泄漏，最大信号出现在顶端靠下一点。一次泛频振动时，音叉式石英晶振的两振臂中部和两振臂顶端同时反方向振动，当两振臂顶端分离时，两振臂中部靠拢，当两振臂顶端靠拢时，两振臂中部分离。这样，最大振动幅值有两处，两振臂顶端和两振臂中部。同样由于振臂顶端是开放的，导致声波泄漏，所以最大信号出现在振臂顶端靠下一点和振臂中部，形成两个信号波腹。但由于两处的振动方向相反，其信号有180度相位差值。

理论上，音叉式石英晶振的一次泛频模式可以被看做两个质量点的耦合振动，每一个质量点位于波腹处，振动180度反相，这两个振动波腹位于音叉式石英晶振振臂的最大振动幅值处。音叉式石英晶振的振臂沿着振臂底部向上距离为h处的一次泛频振动幅度D可以用下式来表示：

式中：A是共振幅值，对于已知的音叉式石英晶振此值是定值，L是音叉式石英晶振振臂长度，kL是常数4.694，k为参数，当L值确定时，k为定值。这个式子存在两个极大值，但相位180度反相。

实验中，使用了一个臂长为17mm，振臂间距为700μm的定制音叉式石英晶振。音叉式石英晶振振臂的长宽比为17，其体积大小是标准商用音叉式石英晶振的4.6倍。它的基频振动和一次泛频振动频率分别为2.8kHz和17.7kHz。把使用的音叉式石英晶振参数带入到公式(1)中可以得到两个波腹位于h1＝8mm(正最大值)和h2＝17mm(负最大值)处。选取波长为1.37μm的半导体激光器作为激发光源，以空气中的水蒸气作为目标分子。根据HITRAN数据库，位于7306.75cm^-1处的水线被用作目标吸收线，其强度为1.8×10^-20cm/mol。光束被准直通过音叉式石英晶振两振臂间，离振臂底部的距离为h。气室中水蒸汽的浓度被薄膜加湿管控制为1.8％，气体压力为700Torr。石英增强光声光谱中使用二次谐波调制光谱技术，激光器电流被正弦调制，调制频率为所用音叉的一次泛频共振频率的一半。音叉式石英晶振的压电信号被前置放大器放大，然后送入到一个锁相放大器中去解调信号。图5和图6显示了获得的幅值与相位作为距离h的函数关系。两个最大的振幅位于h1＝8mm和h2＝16mm；相位差为180度，与理论计算吻合。这样当两个声音共振腔分别被安置在一次泛频振动的两个波腹处时，输出信号就会成倍增长。但这两个共振腔中的声源振动相位必须反相，才能保证与音叉式石英晶振的振动相位匹配，从而步调一致的推动音叉式石英晶振振臂振动。

为了最大化信号，对声音共振腔的几何参数进行优化。三种不同类型的不锈钢毛细管被截成9.5mm长，进行了测试评价，参数分别为：①内径1.2mm外径1.38mm；②内径1.3mm，外径1.58mm；②内径1.65mm，外径2.13mm。通过实验发现当配备内径为1.3mm的细管时，音叉式石英晶振品质因数降低到11680，显示了较强的耦合系数，因此，确定使用内径为1.3mm的细管，组成微型声音共振腔。

不锈钢毛细管的长度对信号的影响也被实验验证。根据理论和实验结果，细管的最优长度应该在四分之一声波波长5mm和二分之一声波波长9.5mm之间。实验结果显示最佳的细管长度为8.5mm。基于以上的实验结果，本发明选取四只长度为8.5mm，内径为1.3mm，外径为1.58mm的细管，两两组成微型声音共振腔，放置在音叉的两个波腹处，即微型声音共振腔Ⅱ3设在h1＝8mm处和微型声音共振腔Ⅰ2设在h2＝16mm处；最终的双波腹激发的石英增强光声光谱测声器，品质因数比裸的音叉式石英晶振下降了50％，共振频率频移<1Hz。

对于单个音叉式石英晶振来说，品质因子越高越好，因为品质因子越高，说明音叉式石英晶振耗散在空气中的能量越少。但在微型声音共振腔和音叉式石英晶振的耦合过程中，音叉式石英晶振在增加微型声音共振腔后，品质因子降的越多越好，降的越多说明音叉式石英晶振的能量传递到微型声音共振腔中的越多，即它们的耦合更加有效。

本发明气体探测装置的工作原理为：所述激光器7的光纤输出端口首先被连接到一个光学隔离器8上，以阻止光学反馈返回激光器7。出射的激光光束通过光纤从光学环形器9的第一端口进入，再从第二端口出射到光束准直器Ⅰ10，然后通过双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中的微型声音共振腔Ⅱ3，准直的光束直径为200μm，发散角<9mrad。铝膜反射镜13反射激光光束，使激光光束二次通过微型声音共振腔Ⅱ3，并从光学环形器9的第二端口进入。反射的激光光束从光学环形器9的第三端口出射，并通过光学相位补偿器11。从光学环形器9的第三端口出射的激光光束经过光束准直器Ⅱ12，被重新准直通过双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6中的微型声音共振腔Ⅰ2，功率计14监视出射功率。信号发生器16产生一个10mHz的慢变斜坡电压信号，同时信号发生器16还产生正弦调制信号，叠加后一起送入激光器驱动15，扫描和调制激光器的输出光波长使之覆盖水分子的目标吸收线。信号发生器16的同步信号被送入锁相放大器18的同步信号输入端。双波腹激发的石英增强光声光谱测声器6输出电信号，首先被前置放大器17放大，然后送入锁相放大器18的信号输入端，电脑19从锁相放大器18中读取最终结果。

光学相位补偿器11被用来调整通过两个微型声音共振腔的两光束之间相位差。在正确的相位补偿下，激光光束两次通过微型声音共振腔Ⅱ3，一次通过微型声音共振腔Ⅰ2，同时激发音叉式石英晶振一次泛频振动模式的两个振动波腹。光学功率在通过微型声音共振腔Ⅱ3后是13mW，由于铝膜反射镜13的反射损耗，耦合损耗，光学相位补偿器11的插入损耗，导致光束在最后通过微型声音共振腔Ⅰ2后功率减少到8mW。

图7显示了在700Torr压力下，1.8％的水汽在三种不同装置下的测量信号：图中：①为使用双波腹激发的石英增强光声光谱测声器的气体探测装置的测量信号；②为使用传统的单微型声音共振腔的气体探测装置的测量信号；③为没有配备声音共振腔的裸音叉式石英晶振的气体探测装置的测量信号。三种音叉式石英晶振在一次泛频振动模式下，测得的本发明中的双波腹激发的石英增强光声光谱测声器配置比传统的单微型声音共振腔测声器配置信号提高了3倍，比没有配备声音共振腔的裸音叉式石英晶振信号提高约100倍。水汽的探测灵敏度是230ppb(1秒积分时间)，归一化噪声等效吸收系数为1.73×10^-9cm^-1·W·Hz^-1/2。