CN103149681A - 音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光机电领域，具体为一种音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置。解决了目前机械式斩光器斩光频率较低和噪声较大的技术问题。一种音叉式斩光器，包括一个音叉式石英晶振；所述两个振臂的底部通过一个基座相连接；音叉式石英晶振的底部设有两个电极；其中一个电极与信号地连接，另一个电极连接有用于输入外部激励的频移电容。一种痕量气体测量装置，包括光源，以及顺次位于光源出射光路上的光束会聚器、斩光器、光束准直器和探测系统；还包括锁相放大器、函数信号发生器和计算机系统。本发明通过采用音叉式石英晶振作为斩光器，使得斩光频率大大提高，达到了几十kHz左右，声频噪声却很低，且结构非常简单，很好的满足了相关技术要求。

Description

音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置

技术领域

本发明涉及光机电领域，具体为一种音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置。

背景技术

光学调制技术是用来使光波的某些参数如强度、频率、相位、偏振状态等按一定的规律变化的方法。承载信息的调制光波经传输后，再由光电探测器及解调系统解调，然后得出所需要的信息。光学调制技术现已经被广泛应用到光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面，尤其是气体检测领域。在气体检测领域中，光学强度调制更常被人使用，因为在某些情况下，例如：非相干光作为探测光源时，光束的频率、相位和偏振状态是无法进行调制操作的。应用光学调制技术对气体浓度进行探测时，探测光与其它一些光源的光（如太阳光）往往一同进入探测系统，如果探测光的特性（如强度变化）与其它光源无明显差异，探测光的信号就很难从诸多光源中区别开来，因此在进行气体探测时，需要使用斩光器改变探测光的强度，使探测光强度成一定规律性的变化，如呈正弦曲线变化，这样包含待测气体浓度信息的探测光就很容易被解调出来，探测精度得到了保证，解调过程及分析过程也就变得简单。

到目前为止，机械式斩光器是最常用的一种用来对光学强度进行调制的仪器。它是一种电子控制的风扇式轮叶，在一定转速下，将连续光斩断成一定频率的周期性断续光，把恒定功率的光源改成交变的方波光源。然而，它体积大，加上控制器要占用很大的操作空间，再次由于采用机械式转动的轮叶，使之运转时噪声较高，而且它受到转速的限制，一般斩光频率不超过5kHz。这些不足让它无法满足一些对斩光频率要求高，对声频噪声敏感的应用领域或者在一些基于新技术（石英增强光声光谱）的痕量气体探测领域，这些领域要求斩光频率在几十kHz，普通斩光器的斩光频率和声频噪声就不能满足相应的技术要求。基于上述理由，有必要发明一种体积小、噪声低、斩光速度快和功耗低的简易装置，以解决现有斩光器所存在的技术问题。

发明内容

本发明为解决目前机械式斩光器斩光频率较低和噪声较大的技术问题，提供一种音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置。

本发明所述的音叉式斩光器是采用以下技术方案实现的：一种音叉式斩光器，包括一个音叉式石英晶振；所述音叉式石英晶振包括一对间隔一定、相对且竖直设置的振臂；所述两个振臂的底部通过一个基座相连接；音叉式石英晶振的底部设有两个电极，其中一个电极与信号地连接，另一个电极连接有用于输入外部激励的频移电容。

石英晶振是用石英材料做成的石英晶体谐振器，俗称晶振。而音叉式石英晶振，外观呈“Y”形，通常人们使用它作为频率发生器，具有稳定，抗干扰性能良好的优点。音叉式石英晶振还可通过外部激励产生振动，当外部激励频率与石英晶振的固有频率相同时，石英晶振产生共振；相互间隔一定的两个振臂发生左右摆动，通过设定光路的路径，即可通过左右摆动的振臂来达到按照特定频率遮掩或透过光路的目的，进而完成斩光的工作。由于石英晶振的振动频率一般为几十kHz左右，远远高于机械式斩光器的斩光频率，因此能够实现高速斩光，以满足一些光电应用领域的技术需求。频移电容能够对音叉式石英晶振的共振频率进行微调，以适应实际应用中因为各种物理环境的变化造成的音叉式石英晶振固有频率的变化；频移电容是非极性电容，其电容值可调，可调范围一般为1 pF至20 pF；希望获取的目标频率可以由下式计算出来：

式中C_原是用来斩光的音叉式石英晶振的等效电容，C_移是频移电容值。

进一步的，所述音叉式斩光器还包括一个位于音叉式石英晶振外部的金属外壳；所述金属外壳侧壁上开有入射窗口和出射窗口；所述入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于同一光路上；所述音叉式石英晶振通过一个支座固定在金属外壳的内底面上；金属外壳的底面设有两个孔，音叉式石英晶振的两个电极穿过孔后分别与信号地及频移电容相连接。

金属外壳不仅能够屏蔽外界电磁场干扰，使斩光效果达到最佳，而且又能阻止音叉式石英晶振两振臂在振动过程中产生的声场外泄，避免影响到探测系统。入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于同一条光路上，是指将一束光由入射窗口射入，该光路可以从音叉式石英晶振两个振臂之间或一个振臂的外侧面附近穿过并由出射窗口射出，光束可以清洁或部分的通过音叉式石英晶振。

本发明所述的痕量气体测量装置是采用以下技术方案实现的：一种痕量气体测量装置，包括光源，以及顺次位于光源出射光路上的光束会聚器、斩光器、光束准直器和探测系统；还包括锁相放大器、函数信号发生器和计算机系统；函数信号发生器的同步输出端和锁相放大器的同步信号输入端连接；探测系统的信号输出端与锁相放大器的信号输入端相连接；锁相放大器的信号输出端与计算机系统的信号输入端相连接；所述斩光器为音叉式斩光器；所述函数信号发生器的调制输出端与频移电容相连接；入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于光束会聚器的出射光路上；光路与音叉式石英晶振的位置关系应能够保证音叉式石英晶振的振臂振动时，可以按照一定频率遮挡或透射光路。

入射窗口、音叉式石英晶振和出射窗口顺次位于光束会聚器的出射光路上；光路与音叉式石英晶振的位置关系应能够保证音叉式石英晶振的振臂振动时，可以按照一定频率遮挡或透射光路，使入射光成为痕量气体测量中所需要的强度变化为正弦曲线的探测光。

进一步的，所述光路穿过两个振臂之间或任一个振臂的外侧面附近。

实际应用中，考虑到振臂的厚度及振幅的关系，为保证斩光效果，一般让光路穿过两个振臂之间或任一个振臂的外侧面附近；这样布置光路斩光效果更好。

进一步的，所述光路与两振臂相对的侧面相平行。这样的光路更易于测量前的计算，便于布置光路。

测量装置工作时，函数信号发生器输出与音叉式石英晶振被频移电容频移后的共振频率相同频率的正弦波，其峰峰值一般为0 V至20 V，激发音叉式石英晶振振动；振动的振臂对经过的光束进行高速斩光；光束经过光束准直器后被送入探测系统；探测系统输出的包含待测气体浓度信息的微弱电信号被送入锁相放大器，设置在一次谐波探测的锁相放大器使用函数信号发生器送来的同步信号对微弱电信号进行解调；解调出的信号幅值正比于探测气体的浓度；计算机系统在相应软件的支持下将锁相放大器解调出的信号转换成相应的函数图象并显示出来（如图4所示），以方便直观的得到待检测气体的浓度信息。

光源可以是激光器或普通非相干光源。所述光束汇聚器、光束准直器、函数信号发生器、锁相放大器均为现有产品，有多种型号可供选择使用；所述探测系统为目前常用的痕量气体探测领域所常用的系统，可以有多种结构及器件搭配供选择使用，对于基于直接吸收的系统，一般都包括一个用于盛装待测气体的内部为空腔结构的容器，探测光进入容器，经过待检测的气体后出射，通过计算探测光在待测气体吸收频率上的强度变化幅度就可以得出待测气体的浓度。对于基于石英增强光声光谱系统，一般包括一个探测光声信号的石英晶振和微型谐振腔，待检测的气体吸收了探测光后会产生相同调制频率的声波，声波被石英晶振探测到后，通过计算产生声波的强度变化幅值就可以得出待测气体浓度。针对某种气体进行检测时，应先对整个探测装置进行标定，即选择多份浓度已知的该种气体进行检测，根据检测结果标定出待测气体浓度与信号减弱以后的强度变化幅值之间的线性关系，在此线性关系的基础上就可以探测出任意浓度下该种气体的浓度值。

本发明通过采用音叉式石英晶振作为斩光器件，提供了音叉式石英晶振的一种新用途，使得斩光频率大大提高，达到了几十kHz左右，且结构非常简单，避免了过去机械式斩光器体积大、噪音大的缺点；频移电容的引入可以进一步对共振响应频率进行微调。采用本发明所述音叉式斩光器的痕量气体测量装置，能够精确测量痕量气体的浓度；由于音叉式斩光器的应用，再通过合理布置各器件之间的相对位置，可以使得本发明相比于目前的痕量气体测量装置具有更小的体积、更低的噪声、更快的斩波速度和更低的功耗，以满足实际需求。

附图说明

图1本发明所述音叉式斩光器结构示意图。

图2为本发明所述痕量气体测量装置的结构示意图。

图3基于直接吸收的痕量气体测量装置的结构示意图。

图4基于直接吸收的痕量气体测量装置对空气中水汽探测结果图。

图5基于石英增强光声光谱技术的痕量气体测量装置的结构示意图。

图6基于石英增强光声光谱技术的痕量气体测量装置对空气中水汽探测结果图。

1-光源，2-光束会聚器，3-斩光器，4-光束准直器，5-探测系统，6-锁相放大器，7-函数信号发生器，8-频移电容，31-音叉式石英晶振，32-振臂，33-金属外壳，34-入射窗口，35-出射窗口，50-光电探测器，51-样品池，511-第二入射窗口，512-进气口，513-出气口，514-第二出射窗口，52-第三入射窗口，53-第二进气口，54-第二出气口，55-第三出射窗口，56-第一音叉式石英晶振，57-第一微谐振腔，58-第二微谐振腔，59-气室。

具体实施方式

一种音叉式斩光器，包括一个音叉式石英晶振31；所述音叉式石英晶振31包括一对间隔一定、相对且竖直设置的振臂32；所述两个振臂32的底部通过一个基座相连接；音叉式石英晶振31的底部设有两个电极；其中一个电极与信号地连接，另一个电极连接有用于输入外部激励的频移电容8。还包括一个位于音叉式石英晶振31外部的金属外壳33；所述金属外壳33侧壁上开有入射窗口34和出射窗口35；所述入射窗口34、音叉式石英晶振31和出射窗口35顺次位于同一光路上；所述音叉式石英晶振31通过一个支座固定在金属外壳33的内底面上；金属外壳33的底面设有两个孔，音叉式石英晶振31的两个电极穿过孔后分别与信号地及频移电容8相连接。

一种痕量气体测量装置，包括光源1，以及顺次位于光源1出射光路上的光束会聚器2、斩光器3、光束准直器4和探测系统5；还包括锁相放大器6、函数信号发生器7和计算机系统9；函数信号发生器7的同步输出端和锁相放大器6的同步信号输入端连接；探测系统5的信号输出端与锁相放大器6的信号输入端相连接；锁相放大器6的信号输出端与计算机系统9的信号输入端相连接；所述斩光器3使用音叉式斩光器；所述函数信号发生器7的调制输出端与频移电容8相连接；入射窗口34、音叉式石英晶振31和出射窗口35顺次位于光束会聚器2的出射光路上；光路与音叉式石英晶振31的位置关系应能够保证音叉式石英晶振31的振臂32振动时，可以按照一定频率遮挡或透射光路。所述光束会聚器2的出射光路穿过两个振臂32之间或任一个振臂32的外侧面附近。所述光束会聚器2的出射光路与两个振臂32相对的侧面相平行。所述探测系统5包括顺次位于光路上的内部为空腔的样品池51和光电探测器50，样品池51上沿光路方向装配有第二入射窗口511和第二出射窗口514；样品池51上还设有进气口512和出气口513；所述光电探测器50的信号输出端与锁相放大器6的信号输入端相连接；所述光源1为分布式反馈二极管激光器，音叉式石英晶振的振动频率为32.768kHz。

所述探测系统5包括一个气室59以及位于气室59内的第一音叉式石英晶振56；气室59的侧壁沿光路顺次设有第三入射窗口52和第三出射窗口55，光路穿过第一音叉式石英晶振56的两个振臂之间；第一音叉式石英晶振56与第三入射窗口52之间水平设有位于光路上的第一微谐振腔57，第一音叉式石英晶振56与第三出射窗口55之间水平设有位于光路上的第二微谐振腔58；第一微谐振腔57与第二微谐振腔58相邻的一端均位于第一音叉式石英晶振56两个振臂之间；气室59上还设有第二进气口53和第二出气口54；第一音叉式石英晶振56的一个电极与信号地连接，另一个电极与锁相放大器6的信号输入端相连接；所述光源1为分布式反馈二极管激光器，两个音叉式石英晶振的振动频率均为32.768kHz。

所述样品池51的第二入射窗口511和第二出射窗口514均与光路非垂直；第二入射窗口511入射面与光路的反向延长线所成角度为60°~85°（可选择60°、65°、70°、75°、80°、85°）；第二出射窗口514出射面与光路所成角度为60°~85°（可选择60°、65°、70°、75°、80°、85°）。

所述气室59的第三入射窗口52和第三出射窗口55均与光路非垂直；第三入射窗口52入射面与光路的反向延长线所成角度为60°~85°（可选择60°、65°、70°、75°、80°、85°）；第三出射窗口55出射面与光路所成角度为60°~85°（可选择60°、65°、70°、75°、80°、85°）。

所述光束会聚器2采用光纤接口的光束会聚器或分立光学元件透镜形成的光束会聚器。

具体应用时，选用32.768kHz的音叉式石英晶振，这种音叉式石英晶振是使用最普遍、制造最成熟的产品，我们经过实验测量发现，32.768kHz的音叉式石英晶振能够完全满足现有痕量气体测量标准的要求。 

图1中虚箭头代表光路的入射方向。光路经由入射窗口34射入，又从出射窗口35射出，并从音叉式石英晶振31两振臂32之间穿过，或者从任意一个振臂32的外侧面穿过。

光束汇聚器2的焦距选为1 cm至2 cm，焦点的高斯光束直径（光强下降到中心轴的13%）为5 μm至300 μm；焦点处的高斯光束与所述音叉式石英晶振31振臂32顶端的垂直间距不大于0.7cm；如果光路从两个振臂32之间穿过，则应调整光束汇聚器的焦点与一个振臂的内侧面的水平间距不大于0.5mm；如果光路从振臂32的外侧经过，则光束汇聚器2的焦点和与光路靠近的振臂32的外侧面的水平间距不大于0.5mm。只有光束汇聚器2的焦点位于上述范围内时，由音叉式斩光器3出射的是强度具有正弦变化特性的探测光；以上所述的光束汇聚器2的焦点与振臂32的间距均可以通过计算然后调整各个器件相对位置来实现，对于本领域技术人员来说是易于实现的。 

实施例1  如图3所示，样品池51内盛装有待测气体，探测光经过样品池51后进入光电探测器50，激光器的电流由低到高进行扫描，光电探测器50将携带待测气体浓度信息的探测光的强度信号转换为相应的电信号，并将该电信号输入至锁相放大器6中，经过解调后输入至计算机系统9，计算机系统9对结果进行分析并显示出来。图4为本装置用于检测标准大气压下水汽浓度的结果图。其中横坐标为分布式反馈二极管激光器（又称为DFB激光器）的电流，单位mA，纵坐标为信号强度幅值，单位V。图中在120mA处的凹陷为水在7306.8cm^-1处的吸收线，使用的气压为大气压，水的浓度为0.5%。图中激光器光强随电流的增加而有微弱增加，产生一个具有倾斜向上特性的背景信号，分析时需要考虑到该背景信号的影响。

实施例2 如图5所示，探测系统5中的第一音叉式石英晶振56以与音叉式斩光器3相同的共振频率探测气体信号，并把输出的信号传送给锁相放大器6，根据函数信号发生器7送入的同步信号进行解调，得到与浓度成正比的电信号。

本实例中的装置具有实施例一的优点，并且本实施例中对探测系统进行了细化，与石英谐振光声光谱结合，组成了基于光强调制的石英谐振光声光谱的气体探测装置。探测结果可参见图6所示，其中横坐标为DFB激光器电流，单位mA，纵坐标为信号强度幅值，单位V。图中在120mA处的凹陷为水在7306.8cm^-1处的吸收线，使用的气压为大气压，水的浓度为0.5%。本实施例采用微谐振腔与音叉式石英晶振的组合作为探测部件，采用的原理是气体在吸收光能后被激发到高能态，又释放相应的能量返回低能态，释放出的能量以声波的方式传递给一对微谐振腔及第一音叉式石英晶振56，第一音叉式石英晶振56将接收到的振动转换成相应的电信号输入至锁相放大器6。使用本实施例的测量装置能够与石英谐振光声光谱结合，用两个音叉式石英晶振组成斩光探测音叉对进行气体浓度的探测，与实施例一比较显现了光声光谱零背景的优势，可满足实际需要。由于音叉式石英晶振对的使用，本实施例消除了背景噪声信号，图像更为直观，探测结果更为精确。第二入射窗口511与第二出射窗口514均与光路非垂直，第三入射窗口52和第三出射窗口55均与光路非垂直，这可以降低光束反馈的影响，并有效避免干涉条纹的出现。

第二入射窗口511、第二出射窗口514、第三入射窗口52和第三出射窗口55采用硒化锌、锗、氟化镁、氟化钙等材料制成。

Claims (10)

1.一种音叉式斩光器，包括一个音叉式石英晶振（31）；所述音叉式石英晶振（31）包括一对间隔一定、相对且竖直设置的振臂（32）；所述两个振臂（32）的底部通过一个基座相连接；音叉式石英晶振（31）的底部设有两个电极；其特征在于，其中一个电极与信号地连接，另一个电极连接有用于输入外部激励的频移电容（8）。

2.如权利要求1所述的音叉式斩光器，其特征在于还包括一个位于音叉式石英晶振（31）外部的金属外壳（33）；所述金属外壳（33）侧壁上开有入射窗口（34）和出射窗口（35）；所述入射窗口（34）、音叉式石英晶振（31）和出射窗口（35）顺次位于同一光路上；所述音叉式石英晶振（31）通过一个支座固定在金属外壳（33）的内底面上；金属外壳（33）的底面设有两个孔，音叉式石英晶振（31）的两个电极穿过孔后分别与信号地及频移电容（8）相连接。

3.一种痕量气体测量装置，包括光源（1），以及顺次位于光源（1）出射光路上的光束会聚器（2）、斩光器（3）、光束准直器（4）和探测系统（5）；还包括锁相放大器（6）、函数信号发生器（7）和计算机系统（9）；函数信号发生器（7）的同步输出端和锁相放大器（6）的同步信号输入端连接；探测系统（5）的信号输出端与锁相放大器（6）的信号输入端相连接；锁相放大器（6）的信号输出端与计算机系统（9）的信号输入端相连接；其特征在于，所述斩光器（3）使用如权利要求2所述的音叉式斩光器；所述函数信号发生器（7）的调制输出端与频移电容（8）相连接；入射窗口（34）、音叉式石英晶振（31）和出射窗口（35）顺次位于光束会聚器（2）的出射光路上；光路与音叉式石英晶振（31）的位置关系应能够保证音叉式石英晶振（31）的振臂（32）振动时，可以按照一定频率遮挡或透射光路。

4.如权利要求3所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述光束会聚器（2）的出射光路穿过两个振臂（32）之间或任一个振臂（32）的外侧面附近。

5.如权利要求3或4所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述光束会聚器（2）的出射光路与两个振臂（32）相对的侧面相平行。

6.如权利要求5所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述探测系统（5）包括顺次位于光路上的内部为空腔的样品池（51）和光电探测器（50），样品池（51）上沿光路方向装配有第二入射窗口（511）和第二出射窗口（514）；样品池（51）上还设有进气口（512）和出气口（513）；所述光电探测器（50）的信号输出端与锁相放大器（6）的信号输入端相连接；所述光源（1）为分布式反馈二极管激光器，音叉式石英晶振（31）的振动频率为32.768kHz。

7.如权利要求5所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述探测系统（5）包括一个气室（59）以及位于气室（59）内的第一音叉式石英晶振（56）；气室（59）的侧壁沿光路顺次设有第三入射窗口（52）和第三出射窗口（55），光路穿过第一音叉式石英晶振（56）的两个振臂之间；第一音叉式石英晶振（56）与第三入射窗口（52）之间水平设有位于光路上的第一微谐振腔（57），第一音叉式石英晶振（56）与第三出射窗口（55）之间水平设有位于光路上的第二微谐振腔（58）；第一微谐振腔（57）与第二微谐振腔（58）相邻的一端均位于第一音叉式石英晶振（56）两个振臂之间；气室（59）上还设有第二进气口（53）和第二出气口（54）；第一音叉式石英晶振（56）的一个电极与信号地连接，另一个电极与锁相放大器（6）的信号输入端相连接；所述光源（1）为分布式反馈二极管激光器，两个音叉式石英晶振的振动频率均为32.768kHz。

8.如权利要求6所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述样品池（51）的第二入射窗口（511）和第二出射窗口（514）均与光路非垂直；第二入射窗口（511）入射面与光路的反向延长线所成角度为60°~85°；第二出射窗口（514）出射面与光路所成角度为60°~85°。

9.如权利要求7所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述气室（59）的第三入射窗口（52）和第三出射窗口（55）均与光路非垂直；第三入射窗口（52）入射面与光路的反向延长线所成角度为60°~85°；第三出射窗口（55）出射面与光路所成角度为60°~85°。

10.如权利要求5所述的痕量气体测量装置，其特征在于，所述光束会聚器（2）采用光纤接口的光束会聚器或分立光学元件透镜组成的光束会聚器。

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