CN103884419B - 基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于光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影响使结果不准确的技术问题。一种基于光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激光光束进行激励；（b）在对激光光束强度调制的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。本申请有效避免了环境噪声的干扰而且解决了狭小空间的探测难题。

Description

基于光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

本发明涉及音叉式石英晶振谐振频率的测量技术，具体是一种基于光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

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。

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，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

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影响导致结果不准确的技术问题，提供一种基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量方法及装置。

本发明所述的基于光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：一种基于光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激光光束进行激励，对激光光束的强度进行调制，使激光光束的强度调制频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；（b）在对激光光束强度调制的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激光发生共振；（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。

区别于传统的频率检测技术，本申请设计了一种基于光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。其原理是当外部激励信号频率（激励光的频率）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。基于这一事实，可通过使用强度可被调制的光源产生强度按一定频率改变的激励光与音叉式石英晶振作用并依靠共振效应使音叉两振臂起振，而后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上，把振动信号转化为光的强度变化信号，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激励光的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。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。本方法优点是整个过程中不再依赖石英晶体的压电效应以及放置非常近的前置放大器，用于接收发射光的装置能够被放置的很远，从而很好的解决了前面提到的测量音叉频率时易受外界电磁环境干扰技术问题，满足了各音叉应用领域的频率检测需求。

本发明所述的基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置是采用如下技术方案实现的：一种基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，包括光激励装置以及光探测装置；所述光激励装置包括一个函数发生器以及与函数发生器信号输出端相连接的强度可调激光器，强度可调激光器出射的激光通过一个第一汇聚透镜汇聚后入射至待测音叉式石英晶振的任一振臂的外侧面上；函数发生器的同步信号输出端连接有一个锁相放大器，锁相放大器与一个内设Labview软件的计算机通过串口数据线连接，计算机与函数发生器通过串口数据线相连并实现了计算机对函数发生器的控制；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第二汇聚透镜和位于第二汇聚透镜出射光路上的光电转换装置；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°。

本发明的工作原理是：由于激光光束具有一定的能量，因而强度被调制的激光光束在与音叉相互作用时会对音叉产生间歇性的加热作用，由于石英材料具有一定的热膨胀性，因此音叉局部交替性受热冷却过程将造成振臂整体以相同频率发生微小的振动，当激光对音叉加热的频率与其谐振频率一致时这种振动将由于共振效应而被加强。具体而言，使用该方法对石英音叉频率进行检测时，一台函数发生器输出带有正弦调制信号的电压以驱动强度可调激光器工作，该激光器发出的激励光源汇聚后照射在音叉式石英晶振的任一振臂上，通过计算机控制函数发生器使其输出信号中起调制作用的正弦信号频率在音叉谐振频率附近以一定的步进被扫描，从而在强度调制频率达到音叉谐振频率时引发音叉的共振。在激励光源工作的同时，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。由于只有在激励光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其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（实验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强度的改变反映出来。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接收到的信号进行解调，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。

本发明所述的测量装置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，每次测量仅需约3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；测量过程中与待测音叉式石英晶振没有电路连接，避免了待测音叉与测量装置之间的连接与拆卸。

进一步的，所述激励光与探测光入射至音叉式石英晶振的同一振臂上；所述激励光的波长与光电转换装置的探测范围不重合，激励光作用位置为距离振臂顶端2.5mm~3.0mm。

为提高光激励法测量石英音叉谐振频率的精度，对激励光与音叉的作用位置进行了优化，结果发现当激励光与探测光作用在音叉的同一振臂上且激励光作用位置为距离振臂顶端2.5mm-3.0mm时探测精度最高；激励光的波长与光电转换装置的探测范围不重合可以避免激励光被光电转换装置接受进而影响测量结果。

本申请的有益效果是：（一）与传统电解调方式相比，本专利所述方法对电磁干扰具有极强的免疫力，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。（二）光激励法对所涉及的激励光源与探测光源均无诸如波长、功率等硬性要求（可选用范围很广），因此本专利所述方法所需装置简单、成本较低。（三）本专利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。

附图说明

图1 音叉式石英晶振的结构示意图。

图2本发明所述装置的结构示意图。

图3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。

1-第一汇聚透镜，2-强度可调激光器，3-函数发生器，4-音叉式石英晶振，5-光源驱动器，6-探测光源，7-准直器，8-第二汇聚透镜，9-光电转换装置，10-锁相放大器，11-计算机。

具体实施方式

一种基于光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激光光束进行激励，对激光光束的强度进行调制，使激光光束的强度调制频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；（b）在对激光光束强度调制的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示此时音叉式石英晶振与激光发生共振；（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。

一种基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，包括光激励装置以及光探测装置；所述光激励装置包括一个函数发生器3以及与函数发生器3信号输出端相连接的强度可调激光器的配套驱动电路(强度可调激光器2与其驱动电路已装配为一体)，强度可调激光器2出射的激光通过一个第一汇聚透镜1汇聚后入射至待测音叉式石英晶振4的任一振臂的外侧面上进行激励；函数发生器3的同步信号输出端连接有一个锁相放大器10，锁相放大器10的信号输出端连接有一个内设Labview软件的计算机11，计算机11的信号输出端通过串口数据线与函数发生器3相连接；所述光探测装置包括用于向待测音叉式石英晶振4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第二汇聚透镜8和位于第二汇聚透镜8出射光路上的光电转换装置9；光电转换装置9的信号输出端与锁相放大器10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4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°）。

所述激励光与探测光入射至音叉式石英晶振的同一振臂上；所述激励光的波长与光电转换装置9的探测范围不重合，激励光作用位置为距离振臂顶端2.5mm~3.0mm（可选择2.5 mm、2.6 mm、2.7 mm、2.8 mm、2.9 mm、3.0 mm）。

所述强度可调激光器2采用LED激光器；强度可调激光器2的功率大于50mW，在温度较高的测量环境中，以保证激励光对音叉间歇性加热引起的振动足以抵消环境温度波动、气体流动等因素引起的音叉振臂的微弱振动。

光电转换装置9采用光电探测器或位置探测器。

所述光发射装置包括探测光6以及驱动探测光源6的光源驱动器5；探测光源6的出射光路上设有一个准直器7；经准直器7准直后的探测光与音叉式石英晶振4振臂作用位置在距振臂上端0.3mm-1.5mm之间。探测光入射至这一位置的测量结果更加准确。

所述探测光源6采用激光器或激光笔。

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。

图2为光激励测频方法的装置结构示意图，如图中所示，强度可调激光器2在函数发生器3输出的带有调制信号的电压信号驱动下输出激发光，该激发光被焦距约为3cm的第一汇聚透镜1汇聚为直径约0.5mm的光斑后作用在位于透镜焦点处的音叉振臂上（光斑位置为距音叉振臂顶端2.5-3.5mm之间）。通过控制函数发生器3使强度调制信号频率在石英音叉谐振频率附近以一定步进被扫描并在二者完全相同时基于共振效应使音叉型石英晶振4的振臂产生强烈的对称性振动。与此同时，探测光源6（中心波长为1368.7nm的可调谐二极管激光器）在光源驱动器5（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），该束激光由准直器7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4的任一振臂上，该入射平行激光被反射后经过焦距为40mm的第二汇聚透镜8汇聚后被光电探测器9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10，该锁相放大器同时接收函数发生器3送来的同步信号对光电探测器9信号进行解调并将结果传输至与之直接相连的计算机11，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。

图3为分别采用传统电激励法与光激励法获得的频谱曲线。其中两条较强谱线为常温（21℃）下利用光激励法，在函数发生器3输出电压峰峰值为600mV,偏置为400mV，调制频率以0.2Hz的步进在32740Hz-32780Hz范围内匀速改变（每次改变的延迟时间均为200ms）的情况下，由锁相放大器10解调光电探测器9探测到的光功率为21mW且携带有音叉振臂振动信息的探测光（由探测光源6发出并由音叉振臂反射）强度信号后获得相应的频率特性谱线。由图可明显看出，当探测光与激励光作用在石英音叉同一振臂上时获得的谱线要优于分别作用在不同振臂上时的频率特性曲线。图中较弱的一条频率特性谱线为利用传统电激励方法获得的同一石英音叉的频率特性曲线。

光电探测器为THORLABS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labshpere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。

Claims (10)

1.一种基于光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激光光束进行激励，对激光光束的强度进行调制，音叉式石英晶振局部交替性受热冷却过程将造成音叉式石英晶振的振臂整体以调制频率发生微小的振动，使激光光束的强度调制频率在音叉式石英晶振的固有频率附近进行扫描；（b）在对激光光束强度调制的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激光发生共振；（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所述的基于光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，包括光激励装置以及光探测装置；所述光激励装置包括一个函数发生器（3）以及与函数发生器（3）信号输出端相连接的强度可调激光器（2），强度可调激光器（2）出射的激光通过一个第一汇聚透镜（1）汇聚后作为激励光入射至待测音叉式石英晶振（4）的任一振臂的外侧面上进行激励；函数发生器（3）的同步信号输出端连接有一个锁相放大器（10），锁相放大器（10）与一个内设Labview软件的计算机（11）通过串口数据线连接，计算机（11）与函数发生器（3）通过串口数据线相连并实现计算机（11）对函数发生器（3）的控制；所述光探测装置包括用于向待测音叉式石英晶振（4）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第二汇聚透镜（8）和位于第二汇聚透镜（8）出射光路上的光电转换装置（9）；光电转换装置（9）的信号输出端与锁相放大器（10）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（4）的振臂外侧面；探测光与振臂外侧面所成角度为10°~80°；所述第二汇聚透镜（8）的焦距为40mm，光电转换装置（9）的感光面积为0.2mm²。

3.如权利要求2所述的基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述激励光与探测光入射至音叉式石英晶振（4）的同一振臂上；所述激励光的波长与光电转换装置（9）的探测范围不重合，激励光作用位置为距离振臂顶端2.5mm~3.0mm。

4.如权利要求2或3所述的基于光激励的音叉式石英晶振谐振频率的测量装置，其特征在于，所述强度可调激光器（2）采用LED激光器，且其功率大于50mW。

5.如权利要求2或3所述的基于光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（9）采用光电探测器。

6.如权利要求4所述的基于光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（9）采用光电探测器。

7.如权利要求2或3所述的基于光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（6）以及驱动探测光源（6）的光源驱动器（5）；探测光源（6）的出射光路上设有一个准直器（7）；经准直器（7）准直后的探测光与音叉式石英晶振（4）振臂作用位置在距振臂上端0.3mm-1.5mm之间。

8.如权利要求4所述的基于光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（6）以及驱动探测光源（6）的光源驱动器（5）；探测光源（6）的出射光路上设有一个准直器（7）；经准直器（7）准直后的探测光与音叉式石英晶振（4）振臂作用位置在距振臂上端0.3mm-1.5mm之间。

9.如权利要求7所述的基于光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（6）采用激光器或激光笔。

10.如权利要求8所述的基于光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（6）采用激光器或激光笔。