[发明专利]基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体传感装置，尤其是一种基于声谐振腔的石英音叉增 强型光声光谱气体传感装置。

背景技术

随着经济社会的不断发展，环境问题也日渐凸显。人们为了对环境污染 进行有效地监测和预测，作了不懈的努力，试图通过光声光谱技术来探测物 质的成分或含量，如在2005年6月2日公告的美国发明专利说明书US 2005/0117155A1中提及的一种“石英增强光声光谱装置”。它意欲提供一种 采用石英音叉的光声光谱装置来探测气体物质的成分或含量。它的构成为激 光器及其光路上置有的聚焦透镜、管状谐振腔和石英音叉，以及激光器的输 入端与函数发生器电连接，石英音叉的输出端与锁相放大器电连接，函数发 生器的输出端与锁相放大器的输入端电连接；其中，管状谐振腔为分置于石 英音叉两边的两只长度为2.45mm、内直径为0.3～0.5mm的细管，这两只细 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。探 测时，函数发生器发出石英音叉共振频率f₀的f₀/2的正弦调制信号来调制激 光器的输出，位于石英音叉的音叉切口附近的待测气体样品吸收受调制的激 光后将产生频率与石英音叉的共振频率f₀相同的声波，由于声波的频率等于 石英音叉的共振频率，因此声波的振动将激发石英音叉产生共振。因石英音 叉具有压电效应，故此共振的石英音叉将产生压电电流信号，此信号经锁相 放大器在共振频率f₀处进行解调，从而得到气体样品的吸收谱。但是，这种 装置存在着不足之处，首先，为形成共振，光路即激光束必须通过两只细管 及石英音叉的音叉切口，而音叉切口的宽度一般仅为0.2～0.3mm，因此，激 光源的光束质量必须非常的好，即聚焦后的光斑必须能通过石英音叉的音叉 切口，这既增大了装置调整的难度，又增加了装置的制造成本和使用成本； 其次，用于共振增强信号的两只细管间隔有石英音叉，以及石英音叉与两只 细管间又存在着间隔，使声共振条件并没有完全满足，大大地降低了共振增 强的效果；再次，石英音叉的音叉切口极大地限制了其两边所加细管的内径 大小，管内径越大增强效果越小，而小的管内径却给激光束的布置带来了极 大的复杂性，激光束必须严格地穿过两只细管的中心以及石英音叉的音叉切 口的中心，如果激光束射到细管的管壁或石英音叉的一个臂上，那将会引起 噪声，且激光束偏离石英音叉的音叉切口的中心也将会大大地降低共振信号 的强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构 简单、实用，使用方便的基于声谐振腔的石英音叉增强型光声光谱气体传感 装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于声谐振腔的石英 音叉增强型光声光谱气体传感装置包括激光器和其光路上的聚焦透镜、管状 谐振腔，以及石英音叉、与所述激光器输入端电连接的函数发生器、与所述 石英音叉输出端电连接的锁相放大器，所述管状谐振腔的管轴心与所述光路 同轴，所述聚焦透镜的焦点位于所述管状谐振腔中，所述函数发生器的输出 端与所述锁相放大器的输入端电连接，特别是：

所述管状谐振腔为中部置有狭缝的声谐振腔，所述声谐振腔的长度为≤ 10mm、外直径为≤1mm、内直径为≤0.6mm，所述狭缝的宽度为≤0.2mm、长度 为≤声谐振腔的内直径；

所述石英音叉的音叉臂位于所述狭缝处，其与狭缝间的距离为≥ 0.001mm。