用于光声光谱探测的钳式晶振及其气体探测装置

1.本发明涉及气体传感技术，具体涉及一种用于光声光谱探测的钳式晶振及采用该钳式晶振的气体探测装置。


背景技术：

2.微量气体检测技术已广泛用于许多领域，包括工业过程控制，医学诊断，环境监测等。传统的检测技术，譬如气相色谱/质谱和电化学的非光学技术具有成本高，结构复杂和反应速度慢等技术缺陷。光学传感技术具有灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点近年来得以广泛研究。在众多的光学传感技术中，光声光谱技术由于不需要使用光电探测器，而具有独特优势。光声光谱的原理是基于光声效应，目标气体吸收调制光辐射后，由于局部压力和温度的变化而产生声波。使用诸如麦克风或悬臂梁等声换能器将声信号转换为电信号。光声光谱的优点是结构紧凑，和直接吸收光谱、波长调制光谱、腔增强光谱等相比，其最大优点是光声效应的强弱不依赖于光学吸收路径的长度。因此光声光谱仪器的体积可以微型化和模块化。另外一个优点是光声光谱的探测部分是探测声波信号，而不探测光学信号，因此光声光谱仪器无需采用光电探测器。光声光谱的探测部分，不受其激发部分光学波长的限制。一个声波换能器可以用于探测被深紫外激光器和中红外激光器所产生的声波信号。这一优点使光声光谱技术应用范围更加广泛，并降低了基于光声光谱技术的仪器的成本。
3.作为光声光谱技术的一种变体，近年来石英增强光声光谱(qepas)技术发展迅速，并且已经被用于航空航天、工业过程控制，医疗诊断等多个领域。石英增强光声光谱技术的原理是使用音叉式石英晶振作为声换能器，通过压电效应来积聚声能。使用音叉式石英晶振代替传统的光声电池，减少了声谐振条件的局限性。商业上可用的音叉式石英晶振在一个大气压下具有32.7khz的谐振频率和104的高q因子。石英增强光声光谱技术的突出特点是结构紧凑，成本低，抗噪声能力强。石英增强光声光谱技术的高抗噪性可归因于音叉式石英晶振的高品质因数所造成的窄的谐振响应带宽。为了进一步增强石英增强光声光谱的信号，声微谐振器被配置在晶振周围形成声学谐振。由薄不锈钢管制成的声微谐振器与钳式石英晶振声学耦合，以限制声波并形成谐振，来增强石英增强光声光谱技术的信号强度。通过使用石英增强光声光谱技术传感器，意大利巴里理工大学spagnolo教授实现了六氟化硫sf6的10-12
cm-1
水平检测。
4.公开资料显示，目前使用音叉式石英晶振作为声波换能器，其形状和音乐中所使用的音叉乐器类似。音叉式石英晶振的整体形状呈u型，两只叉臂平行配置，振臂间隙大约为200-300 μm左右。由于在石英增强光声光谱技术中，石英晶体形状都设计成音叉形状，音叉的两个振臂平行配置，导致其音叉振臂间隙过于狭窄，导致该技术对激励光源的光束质量具备较高要求。
5.气体分子的基频吸收带一般在中红外波段，在中红外波段的气体探测可以获得比近红外更好的探测灵敏度，目前能产生该激光的光源主要为量子级联激光器，opo参量振荡器等。由于受其工作原理和内部结构限制，该类型激光器的光束质量较差，同时受衍射极限
影响，中红外光束整形比近红外和可见光存在更多技术困难。在石英增强光声光谱中，光束对音叉振臂间隙的任何触碰或辐射，都将产生极大的背景噪声，从而影响探测灵敏度。特别是在使用波长较长的中红外光源或者相干性较差的非相干光源作为激励光源时，由于受到光源光束质量的影响，光束无法“清洁”通过音叉式石英晶振的振臂间隙，导致了石英增强光声光谱技术的探测灵敏度急剧下降。激发光束的准直问题是目前传统音叉晶振在光声光谱技术中面临的重要问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种用于光声光谱探测的钳式晶振及其气体探测装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
7.本发明的技术方案为一种用于光声光谱探测的钳式晶振，其包括：所述钳式晶振包括晶振基底及振臂，所述晶振基底的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂，相邻所述振臂之间开设有第一空隙，所述振臂的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙组合形成圆形空隙。
8.进一步，所述钳式晶振的厚度尺寸为0.25至0.35mm。
9.进一步，所述圆形空隙的直径为第一尺寸，所述第一空隙的宽度为第二尺寸，所述第一尺寸及第二尺寸比例为0.5：0.1至0.9：0.5。
10.进一步，所述振臂的顶端到晶振基底顶端之间的距离为第三尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底底端之间的第四尺寸,所述为第三尺寸及第四尺寸的比例为3.4：5.8至3.8：6.2。
11.进一步，所述圆形空隙的圆心到晶振基底顶端之间的距离为第五尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底顶端之间的距离为第三尺寸，所述第五尺寸及第三尺寸的比例为2.9：3.4至3.3： 3.8。
12.进一步，所述第一空隙的宽度为第二尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底底端之间的距离为第四尺寸,所述第二尺寸及第四尺寸的比例为0.1：5.8至0.5：6.2。
13.进一步，所述钳式晶振包括石英。
14.一种气体探测装置，其包括上述所述的用于光声光谱探测的钳式晶振。
15.进一步，函数发生器；与所述函数发生器的调制信号输出端连接的加法器；与所述加法器的信号输出端连接的激光驱动器；由所述激光驱动器驱动的激光器；设置在所述激光器的射出光路的透镜组；设置在所述透镜组出射光路的钳式晶振；与所述钳式晶振的引脚连接的前置放大器；与所述前置放大器的输出端连接的锁相放大器，所述锁相放大器与所述函数发生器的同步信号输出端连接。
16.进一步，具有数据采集卡的计算机设备，所述数据采集卡分别与所述锁相放大器的输出端及所述函数发生器的输入端连接。
17.本发明的有益效果为：
18.1、声学波前形状振臂设计，振臂间隙结构完美契合柱状声波波前，和传统非声波波前形状振臂相比，能够更高效收集声波，极大提高声电换能效率。
19.2、该钳式晶振的振臂呈“钳”形，振臂间设计有特有的圆形间隙空间，将振臂间隙提高5 倍，可以有利于激发光束的准直。
20.3、该钳式晶振具有全新设计的结构和形状，经过几何参数设计，使其具备几十khz的低频谐振频率，同时具备104以上的q值，比传统声学谐振腔的q值高2个数量级，适合于光声光谱探测。
21.4、基于钳式晶振的光声光谱探测装置具有采样体积小、响应速度快等特点，通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光声光谱的探测能力。
附图说明
22.图1是根据本发明实施例的钳式晶振三维立体模型图。
23.图2是根据本发明实施例的钳式晶振三维侧视模型图。
24.图3是根据本发明实施例的钳式石英晶振的平面图。
25.图4是根据本发明实施例的comsol软件模拟的钳式晶振的振动模态图。
26.图5是根据本发明实施例的钳式晶振的频率响应曲线图。
27.图6是根据本发明实施例的钳式晶振光声光谱示意图。
28.图7是根据本发明实施例的气体探测装置的结构框图。
29.图8是根据本发明实施例的探测装置获得的不同浓度的氨气信号的示意图。
30.图9是根据本发明实施例的钳式石英晶振的实物图。
具体实施方式
31.以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
33.此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
34.应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。
35.参照图1至图4所示，在一些实施例中，本发明公开了一种用于光声光谱探测的钳式晶振10，包括：所述钳式晶振10包括晶振基底11及振臂12。所述晶振基底11的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂12，相邻所述振臂12之间开设有第一空隙13，所述振臂12的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙13组合形成圆形空隙14。在一些实施中，所述钳式晶振10的制造材质为石英。
36.由上述的晶振结构可以看出，上述的晶振基底延伸的一对振臂相对现有的晶振结
构而言，通过设置一对振臂之间的圆形空隙，使该晶振具备足够大的晶振间隙。参照图6所示，足够大的圆形空隙有助于光束清洁通过上述晶振，从而使该晶振可应用于中红外光源。
37.参照图6，展示了钳式晶振10光声光谱技术的示意图。光束被聚焦通过钳式晶振10的圆形空隙14，光与目标分子相互作用产生声波，声波推动该钳式晶振的振臂12对称振动。钳式晶振10振动时由于压电效应产生电信号，该电信号通过晶振的引脚导出进行信号处理。电信号的大小与被测目标分子的浓度成正相关关系，从而达到气体探测目的。
38.参照图1至图4所示，所述圆形空隙14的直径为第一尺寸d，所述第一空隙13的宽度为第二尺寸g，所述振臂12的顶端到晶振基底11顶端之间的距离为第三尺寸i，所述振臂 12的顶端到晶振基底11底端之间的距离为第四尺寸l,所述圆形空隙14的圆心到晶振基底11 顶端之间的距离为第五尺寸h。所述第一尺寸d及第二尺寸g比例为0.5：0.1至0.9：0.5，所述为第三尺寸i及第四尺寸l的比例为3.4：5.8至3.8：6.2，所述第五尺寸h及第三尺寸 i的比例为2.9：3.4至3.3：3.8，所述第二尺寸g及第四尺寸l的比例为0.1：5.8至0.5：6.2。钳式晶振10的厚度尺寸为0.25至0.35mm。以上的钳式晶振的第一尺寸d、第二尺寸g、第三尺寸i、第四尺寸l、第五尺寸h及厚度尺寸的上限值、下限值及范围值均被实施。以下参照图3的钳式晶振给出各个优选尺寸，以获得优选的比例。
39.参照图3的优选实施例，钳式晶振10的各个部分的具体尺寸如下，其中，l＝6mm，g＝0.3 mm，d＝0.7mm，h＝3.1mm，i＝3.6mm，所述钳式晶振10的厚度尺寸为0.3mm。
40.以下通过实验一验证该钳式晶振的气体采样体积、相应的性能；通过实验二验证该钳式晶振基于光声光谱技术的探测灵敏度。
41.实验一：
42.基于上述实施例几何形状的钳式晶振，通过comsol软件对钳式音叉的振动模态进行了模拟，得到图4的仿真结果。钳式晶振可以进行交叉对称振动，有限元分析得到的理论谐振频率为36khz。由钳式晶振的几何参数计算得到，基于钳式石英晶振的声波换能器气体采样量约为0.1mm3，比传统光声光谱的光声池和可调二极管激光吸收光谱的气体吸收池要小 2-3个数量级。
43.因此，从上述的钳式音叉的振动模态的模拟仿真结果得出以下结论：在探测气体时，基于本发明的钳式晶振具有气体采样体积小、响应速度快的特点。
44.实验二：
45.基于上述实施例几何形状的钳式晶振，为了实验验证该钳式石英晶振的谐振频率，采用函数发生器和锁相放大器测量了该钳式石英晶振的频率响应曲线。函数发生器产生一系列正弦激励信号，正弦激励信号的幅值固定400mv不变，频率从35635hz扫描到35685hz，步长为0.1hz。采用锁相放大器，依次测量钳式石英晶振对应于不用频率正弦激励信号的输出电压，得到如图5所示的频率响应曲线。利用洛伦茨线型拟合，得到该频率响应曲线的中心频率f0为35660hz，半高全宽δf为3.37hz。根据q＝f0/δf得到该钳式晶振的品质因子q为10582。
46.因此，从上述的实验二得出以下结论：该钳式石英晶振q因子约为传统光声光谱光声池的100-500倍，有利于光声能量的积累，有助于提高光声光谱技术的探测灵敏度。
47.参照图6结合图7所示，在一些实施例中，本发明公开了一种气体探测装置，包括根据上述结构所述的钳式晶振10。
48.该气体探测装置的具体连接结构如下，函数发生器2；与所述函数发生器2的调制信号输出端连接的加法器3；与所述加法器3的信号输出端连接的激光驱动器4；由所述激光驱动器4驱动的激光器5；设置在所述激光器5的射出光路的透镜组6；设置在所述透镜组6出射光路的钳式晶振10；与所述钳式晶振10的引脚15连接的前置放大器8；与所述前置放大器 8的输出端连接的锁相放大器9，所述锁相放大器9与所述函数发生器2的同步信号输出端连接。
49.具体地，具有数据采集卡的计算机设备1，所述数据采集卡分别与所述锁相放大器9的输出端及所述函数发生器2的输入端连接。
50.以下通过实验三验证该气体探测装置的氨气探测能力。
51.实验三：
52.实验三通过上述的气体探测装置进行，设置实验环境如下：气体探测装置设置在密闭空间中，通过移液枪滴加氨水的方式，通过挥发获得氨气。移液枪可以每次添加ul10-6 l量级的氨水，来获得微量浓度的氨气。密闭空间内产生氨气的浓度和滴加的氨水体积成正相关关系，具体的氨气浓度可以通过公式详细计算。
53.气体探测装置的工作原理如下：由计算机设备1使用labview程序控制函数发生器2该装置采用双通道函数发生器，函数发生器2产生一个频率为f0的正弦信号f0是钳式晶振10的谐振频率和一个直流偏置信号，两个信号通过加法器3进行信号相加，经过相加的信号输送到激光驱动器4，该激光驱动器4可以控制激光器5的注入电流和温度。激光器5的输出被幅度调制。激光器5发出的光束通过透镜组6进行聚焦后穿过到钳式晶振10。由钳式晶振产生的电信号通过前置放大器8这里采用跨阻前置放大器放大后输送到锁相放大器9上。锁相放大器解调的参考信号来自函数发生器2的同步端口。信号经过以1f方式解调后的信号输送回计算机设备1上显示。
54.具体应用时，本发明装置可以实时在线的将所测的气体浓度显示在计算机上。该装置具有高精度、紧凑性极强、在线监测等功能。
55.其中，激光器5使用波长为9.5μm的中红外量子级联激光器作为激发光源，该探测装置中光源采用幅度调制方式。自主设计的控制电子单元作为激光驱动器，用于控制激光器芯片温度和注入电流，激光器芯片被控制在25℃。函数发生器2为双通道函数发生器，该函数发生器2产生一个650ma直流偏置信号和一个频率为f0＝35360hz的正弦信号，其中f0是钳式石英晶振的谐振频率。激光器5通过一个焦距为30mm的透镜，借助于透镜将激光束聚焦通过钳式晶振10的一对振臂12间隙。束腰中心和图3中所示的圆形空隙14的中心重合。
56.在实验过程中，在光声效应发生时，光与氨分子作用，将分子从基态激发到高能态。高能态分子由于碰撞退激发而产生局部热量，造成周围空气介质热胀冷缩，从而产生声波。声波围绕光束产生，和光束同轴呈柱状分布，声波压力推动钳式晶振10振动。钳式晶振10通过压电效应产生电荷，电信号首先被反馈电阻为10mω的前置放大器8进行放大，然后并传送至锁相放大器进行锁相放大。锁相放大器在1f模式下对信号进行解调，得到与气体分子浓度相关的电信号。探测装置的控制系统使用自行编写的labview程序来控制，通过labview 程序显示根据1f信号计算出的氨气浓度。
57.上述的实验三后，实验获得的氨气光声信号幅值和氨水体积之间的关系如图8所示。实验结果验证气体探测装置获得的光声信号与氨气的定性关系，实验结果该装置的氨
气探测能力。
58.因此，从上述的实验三得出以下结论：探测装置显示光声信号幅值和氨水的体积成正相关关系，线性相关系数为0.95，展示了该探测装置具备探测氨气分子的能力。
59.综上所述，该钳式晶振具有全新设计的结构和形状，经过几何参数设计，使其具备35.6khz 的低频谐振频率，适合于光声光谱探测；该钳式晶振的振臂呈“钳”形，振臂间设计有特有的圆形间隙空间，可以有利于激发光束的准直，此外，间隙空间的圆形设计，和柱形声波的波前形状相符，能够更高效收集声波，提高声电换能效率。基于该新型钳式晶振，本发明将钳式晶振光声光谱技术应用在气体探测装置中。在以氨气进行试验时，该装置能够清楚分辨不同浓度的氨气，并且展现出95％以上的线性响应度；基于钳式晶振的光声光谱探测装置具有采样体积小、响应速度快等特点，通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光声光谱的探测能力。
60.以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。