CN104215587A - 石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感头的结构设计，具体为一种石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法。解决了目前石英增强光声光谱测声器探测灵敏度不高，组装效率低下的技术问题。一种石英增强光声光谱测声器，包括一个石英音叉以及与石英音叉相配的一对微型声音谐振腔，还包括一个用于固定石英音叉以及微型声音谐振腔的结构支架；所述结构支架包括一个立方体，立方体的顶部沿一条中心线向下开有凹槽，凹槽的中心处向下开有通孔；凹槽的两边形成一对凸起的呈立方结构的细管托盘。本发明通过对组装工艺流程的设计，和辅助组装装置的研究，大大提高了组装效率，解决了石英增强光声光谱测声产品组装精度不高的技术问题。

Description

石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法

技术领域

本发明涉及气体传感头的结构设计，具体为一种石英增强光声光谱测声器及其辅助组装装置和方法。

背景技术

实时探测空气中的痕量气体在工业过程控制，环境检测，医疗分析，废气排放监测等各个领域中都有重大应用。而光声光谱技术作为一种传统光谱探测技术以其零吸收背景，高探测灵敏度，探测没有波长选择性等优点被广泛运用于以上各个领域。尤其是近几年发展起来的石英增强光声光谱技术，使用石英音叉代替传统光声光谱中的麦克风，来对气体进行探测，使装置体积大大缩小，取得了很好的效果。这种装置核心探测部分主要由一只音叉式石英晶振（简称石英音叉）和两只细管（微型声音共振腔）组成，叫做石英增强光声光谱测声器。尽管单独一只石英音叉就能够完成对气体信号的测量，但加入两只细管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，组成微型声音谐振腔，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，声能在微型声音谐振腔中积累，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。

石英增强光声光谱测声器的性能由两个因素决定：第一是测量的环境；第二是其结构设计。环境参数包括被测气体压力和温度。结构设计包括两只细管的内外径、长度和细管相对于音叉的位置。石英增强光声光谱测声器对压力和温度的依赖，已经被研究，并能够很好的被从理论上解释。两只细管的内外径和长度对光谱测声器性能的影响也被研究，实验发现细管长度为小于半个且大于四分之一个声波波长的时候灵敏度最高。但是两个细管相对与音叉的位置却未见有人优化和报道。这是因为对于一个裸音叉（没有两个细管），它的最佳探测位置是在从顶端向下0.7mm的振臂间隙处，因此人们自然把细管也放在距离音叉顶端向下0.7mm的振臂间隙处。但由于细管的存在，细管和音叉之间产生了相互作用，结果上面提到的位置将不再是最佳位置，最佳位置必须由实验研究决定，这决定了必须方便灵活的对石英增强光声光谱测声器进行组装调整，但在对石英增强光声光谱测声器进行组装调整时，石英音叉离细管的距离、石英音叉离细管顶端的高度、石英音叉和振臂侧面的垂直性通常使用体式显微镜进行测量，必然会造成误差，导致目前石英增强光声光谱测声器个体差异较大，生产效率低下。因此非常需要一种能够精确快速的实现石英音叉与微型声音谐振腔组装调试的装置以及相应方法。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱测声器探测灵敏度不高，组装效率低下且精度不高的技术问题，提供一种石英增强光声光谱测声器及其辅助安装装置和方法。

一种石英增强光声光谱测声器，包括一个石英音叉以及与石英音叉相配的一对微型声音谐振腔，还包括一个用于固定石英音叉以及微型声音谐振腔的结构支架；所述结构支架包括一个立方体，立方体的顶部沿一条中心线向下开有凹槽，凹槽的中心处向下开有通孔；凹槽的两边形成一对凸起的呈立方结构的细管托盘；所述石英音叉穿过通孔且石英音叉的振动方向与凹槽的走向平行；所述一对细管托盘的顶部均开有一个用于放置微型声音谐振腔且轴线与石英音叉振臂侧面垂直的沟槽；所述一对微型声音共振腔各放置在一个沟槽内，两个微型声音共振腔的轴线重合并穿过石英音叉的间隙且微型声音谐振腔的顶部与细管托盘的顶部平面相切。

采用本发明所述装置，石英音叉以及微型声音谐振腔可以方便的固定安装，便于快速的测量；整个装置结构小巧简单，使用方便。

一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，包括一个表面开有一条表面定位沟槽的组装台，所述表面定位沟槽的宽度与结构支架的一个细管托盘的宽度相配合，表面定位沟槽的深度等于一个细管托盘的厚度；组装台的表面中部设有一个穿过表面定位沟槽上方且与表面定位沟槽垂直并呈条状的表面定位夹，所述表面定位夹的厚度等于结构支架凹槽宽度的一半；表面定位夹的宽度不大于结构支架凹槽的深度；还包括一个底部与表面定位沟槽相配合可在表面定位沟槽内滑动的顶部定位块；顶部定位块上与顶部定位块滑动方向垂直的一个侧面沿其竖直中心线开有一条侧面定位沟槽，侧面定位沟槽的宽度等于石英音叉的宽度，深度等于要使用的微型声音谐振腔的顶部与石英音叉顶端的间距。

辅助组装装置见图8所示。在装配结构支架3和石英音叉1的时候，他们被放置在组装台4上，组装台4表面有一个表面定位沟槽5，深度正好等于结构支架3的细管托盘11的厚度，能够卡住结构支架3不左右晃动，只能前后推动。为保证音叉振臂侧面和细管轴心垂直，使用一个平面定位夹6，平面定位夹6的作用是一方面压住结构支架3不前后移动，一方面由于石英音叉底部的振臂侧面贴在表面定位夹6的上表面上，以保证石英音叉两个振臂侧面完全与将来粘贴的细管（微型声音谐振腔）轴心垂直。剩余结构支架的凹槽空间用海绵填充，使音叉不动。细管顶端离音叉顶端位置通过顶部定位块7来决定，顶部定位块7下侧面有一个侧面定位沟槽8，侧面定位沟槽宽度等于石英音叉宽度，深度等于要使用的细管顶端离音叉顶端位置（最大信号幅值使用1.3mm，最快响应速度使用0.2mm，最佳信噪比使用0.6-1.36mm）。

所有位置放好后就可以使用诸如环氧树脂类的固态胶把石英音叉粘贴在结构支架上面。等环氧树脂变干后，就可去除海绵，把粘有石英音叉的结构支架3从组装台上拿下来，放上两个细管，这时细管的顶端高度和石英音叉的顶端高度已经固定，在粘细管时需要精确定位的是细管靠近音叉端面离音叉振臂侧面的间隙，使用一厚度为30~50μm的纸张把其剪成细条状，插入到细管与石英音叉之间，抹上环氧树脂轻轻向中间推动两细管，直到不动，等到环氧树脂变干后，取出插入的纸条。最后获得像图7中的石英增强光声光谱测声器。

顶部定位块可以根据实际需要制作不同的规格，实际应用时只需更换就可以实现不同微型声音谐振腔与石英音叉的定位。

一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装方法，包括以下步骤：（a）将结构支架由组装台表面定位沟槽的下方滑动至表面定位夹，结构支架的凹槽底部紧贴表面定位夹的一个侧边；将石英音叉穿过通孔后其一个振臂侧面紧贴表面定位夹的上表面，结构支架剩余的凹槽空间用海绵填充，使音叉不动；（b）将顶部定位块由表面定位沟槽的上方滑动至与结构支架的细管托盘的顶部紧贴，顶部定位块的侧面定位沟槽朝向结构支架；（c）将石英音叉向顶部定位块的侧面定位沟槽内推动，直到石英音叉的顶端抵住侧面定位沟槽的底部，此时用胶把石英音叉粘贴在结构支架的通孔内壁上面，待胶变干后将粘有石英音叉的结构支架从组装台上拿下来；（d）将一对微型声音谐振腔各放置在结构支架的一个沟槽内，将呈细条状的30~50μm厚的两张纸分别插入到微型声音谐振腔与石英音叉之间，在微型声音谐振腔与沟槽之间抹上环氧树脂，然后向石英音叉方向推动两微型声音谐振腔，直到推不动，待环氧树脂变干后，取出插入的纸条，就获得了石英增强光声光谱测声器。

这种石英增强光声光谱测声器及辅助组装装置和方法，能够代替以前通过体式显微镜进行人工组装的过程，由被动（passive）组装向主动（active）组装转化，提高了组装效率和产品的一致性。

本发明通过对组装工艺流程的设计，和辅助组装装置的研究，大大提高了组装效率，解决了石英增强光声光谱测声产品组装精度不高且存在不一致的技术问题；采用本发明所述装置以及方法可以快速准确的对石英音叉以及微型声音谐振腔进行定位组装，整个装置结构简单，操作简便。

附图说明

图1.音叉式石英晶振的正视图。

图2. 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. 以y为坐标，沿石英音叉振臂方向改变微型声音谐振腔位置获得的信号幅值、品质因数Q以及信噪比的变化曲线。

图4. 以yt为坐标，沿石英音叉振臂方向改变微型声音谐振腔位置获得的信号幅值变化曲线。

图5. 以yt为坐标，沿石英音叉振臂方向改变微型声音谐振腔位置获得的品质因数变化曲线。

图6. 以yt为坐标，沿石英音叉振臂方向改变微型声音谐振腔位置获得的信噪比变化曲线。

图7. 石英增强光声光谱测声器结构示意图。

图8. 石英增强光声光谱测声器辅助组装装置结构示意图。

图9. 石英增强光声光谱测声器辅助组装装置装配示意图。

1-石英音叉，2-微型声音谐振腔，3-结构支架，4-组装台，5-表面定位沟槽，6-表面定位夹，7-顶部定位块，8-侧面定位沟槽，10-通孔，11-细管托盘，12-沟槽。

具体实施方式

一种石英增强光声光谱测声器，包括一个石英音叉1以及与石英音叉1相配的一对微型声音谐振腔2；还包括一个用于固定石英音叉1以及微型声音谐振腔2的结构支架3；所述结构支架3包括一个立方体，立方体的顶部沿一条中心线向下开有凹槽，凹槽的中心处向下开有通孔10；凹槽的两边形成一对凸起的呈立方结构的细管托盘11；所述石英音叉1穿过通孔10且石英音叉1的振动方向与凹槽的走向平行；所述一对细管托盘11的顶部均开有一个用于放置微型声音谐振腔2且轴线与石英音叉1振臂侧面垂直的沟槽12；所述一对微型声音共振腔2各放置在一个沟槽12内，两个微型声音共振腔2的轴线重合并穿过石英音叉1的间隙且微型声音谐振腔2的顶部与细管托盘11的顶部平面相切。

一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，包括一个表面开有一条表面定位沟槽5的组装台4，所述表面定位沟槽5的宽度与结构支架3的一个细管托盘11的宽度相配合，表面定位沟槽5的深度等于一个细管托盘11的厚度；组装台4的表面中部设有一个穿过表面定位沟槽5上方且与表面定位沟槽5垂直并呈条状的表面定位夹6，所述表面定位夹6的厚度等于结构支架凹槽宽度的一半；表面定位夹6的宽度不大于结构支架3凹槽的深度；还包括一个底部与表面定位沟槽5相配合可在表面定位沟槽5内滑动的顶部定位块7；顶部定位块7上与顶部定位块7滑动方向垂直的一个侧面沿其竖直中心线开有一条侧面定位沟槽8，侧面定位沟槽8的宽度等于石英音叉1的宽度，深度等于要使用的微型声音谐振腔2的顶部与石英音叉1顶端的间距。

所述侧面定位沟槽8的深度为0.2mm或1.3mm或0.6-1.36mm。

一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装方法，包括以下步骤：（a）将结构支架3由组装台4表面定位沟槽5的下方滑动至表面定位夹6，结构支架3的凹槽底部紧贴表面定位夹6的一个侧边；将石英音叉1穿过通孔10后其一个振臂侧面紧贴表面定位夹6的上表面，结构支架3剩余的凹槽空间用海绵填充，使音叉不动；（b）将顶部定位块7由表面定位沟槽5的上方滑动至与结构支架3的细管托盘11的顶部紧贴，顶部定位块7的侧面定位沟槽8朝向结构支架3；（c）将石英音叉1向顶部定位块7的侧面定位沟槽8内推动，直到石英音叉1的顶端抵住侧面定位沟槽8的底部，此时用胶把石英音叉1粘贴在结构支架3的通孔10内壁上面，待胶变干后将粘有石英音叉1的结构支架3从组装台4上拿下来；（d）将一对微型声音谐振腔2各放置在结构支架3的一个沟槽12内，将呈细条状的30~50（30μm、35μm、40μm、45μm、50μm）μm厚的两张纸分别插入到微型声音谐振腔2与石英音叉1之间，在微型声音谐振腔2与沟槽12之间抹上环氧树脂，然后向石英音叉1方向推动两微型声音谐振腔2，直到推不动，待环氧树脂变干后，取出插入的纸条，就获得了石英增强光声光谱测声器。

采用本发明所述的装置以及方法对两种类型的细管相对与石英音叉的最佳位置进行了研究。第一种是两只4.4mm长、内径0.6 mm、外径0.9 mm的细管，编号为组1；第二种是两只4mm长、内径0.8mm，外径1.24mm的细管，编号为组2。之所以对这两种细管进行研究是因为，组1细管几何参数是当近红外光源作为激发光源时微型声音共振腔的最佳参数，组2细管是当中红外光源作为激发光源时微型声音共振腔的最佳参数。一条位于1.3μm处的水吸收线被使用作为探测目标线，激光器发射出对应这条水线波长的光，被汇聚依次通过第一根细管后从两振臂间通过然后通过第二根细管。

由于是要研究细管相对于音叉的最佳位置，音叉的顶部被设定为原点，音叉顶部到细管中心的在竖直方向的距离y从小到大被不断改变，由于测量的起始状态是从管子的底部碰到音叉顶部开始，所以y是从负值开始，绝对值为管子半径。图3中也画出了以前认为的管子最佳位置0.7mm处。测量的气体信号幅值，音叉的Q值被显示在了图3中，其中圆点是组1管子结果，三角是组2管子结果。一般情况下光声光谱测声器的性能是由信噪比所决定的，而噪声正比于                                                ，这样通过测量的气体的信号幅值和音叉的Q值可以直接算出信噪比，计算获得的信噪比也被画在了图3中。采用本装置可以方便快捷的对音叉以及微型声音谐振腔的相互位置进行调节，提高了调试精度以及组装速度。

从图3可以看出：首先从高信噪比的角度来看，以前的0.7mm位置处并不是最佳的测量位置，它在信噪比峰顶的左侧；其次，Q值又反比于光声光谱测声器的响应速度，低的Q值意味着快速的响应时间。在需要快速响应时间的情况下，需要选择Q值最低的管子位置。但有时，当前置放大器缺失的情况下，我们也需要最大的信号幅值输出，这时又要选择信号输出最大的细管位置。组1和组2细管的在最大信号发生处（组1：y=1.75mm，组2：y=1.9mm），最低Q值处（组1：y=0.65mm，组2：y=0.88mm），和最高信噪比处位置都不一样，这样当使用不同细管制作不同性能（包括高信噪比，高信号幅值输出，快速响应速度，近红外或者中红外）的光声光谱测声器时，需要使用体式显微镜用人眼根据图3测量结果精确的对细管位置进行定位，增加了工作强度和产品的不一致性。

由于y的定义是从音叉顶端到细管中心的距离，在工程上是很难测准细管中心的位置，容易测量的参数是音叉顶端到细管顶端的距离yt，如图2所示。我们在坐标上进行了一次变换，把y变为yt，图3中信号幅值的结果变为图4，Q值的结果变为图5，信噪比的结果变为图6。申请人发现了一个比较重要和有趣的结果，组1和组2细管的最大信号位置共同出现在yt的1.3mm处，最低Q值共同出现在yt的0.2mm处，信噪比曲线有一个很平的峰顶在0.6mm-1.36mm之间变化小于5%。为了验证这种结果，使用了两组其他参数的细管，一组为长度4.8mm，内径为0.6mm，外径为0.9mm的细管，编号为组3，一组为长度为4.4mm，内径为0.8mm，外径为1.24mm的细管，编号为组4，其结果也被显示在图4、5、6上。由图可知他们的信号最大值、最低Q值及最佳信噪比与组1和组2重合，进一步验证了其结果的有效性。

因此，以音叉顶端为原点，音叉顶端和细管顶端的距离为控制量yt，当制作高信号幅值的石英增强光声光谱测声器时，设定yt为1.3mm；当制作快速响应时间的石英增强光声光谱测声器时，设定yt为0.2mm，当制作高信噪比的石英增强光声光谱测声器时，设定yt在0.6-1.36mm之间。

Claims (4)

1.一种石英增强光声光谱测声器，包括一个石英音叉（1）以及与石英音叉（1）相配的一对微型声音谐振腔（2）；其特征在于，还包括一个用于固定石英音叉（1）以及微型声音谐振腔（2）的结构支架（3）；所述结构支架（3）包括一个立方体，立方体的顶部沿一条中心线向下开有凹槽，凹槽的中心处向下开有通孔（10）；凹槽的两边形成一对凸起的呈立方结构的细管托盘（11）；所述石英音叉（1）穿过通孔（10）且石英音叉（1）的振动方向与凹槽的走向平行；所述一对细管托盘（11）的顶部均开有一个用于放置微型声音谐振腔（2）且轴线与石英音叉（1）振臂侧面垂直的沟槽（12）；所述一对微型声音共振腔（2）各放置在一个沟槽（12）内，两个微型声音共振腔（2）的轴线重合并穿过石英音叉（1）的间隙且微型声音谐振腔（2）的顶部与细管托盘（11）的顶部平面相切。

2.一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，其特征在于，包括一个表面开有一条表面定位沟槽（5）的组装台（4），所述表面定位沟槽（5）的宽度与权利要求1所述的结构支架（3）的一个细管托盘（11）的宽度相配合，表面定位沟槽（5）的深度等于一个细管托盘（11）的厚度；组装台（4）的表面中部设有一个穿过表面定位沟槽（5）上方且与表面定位沟槽（5）垂直并呈条状的表面定位夹（6），所述表面定位夹（6）的厚度等于结构支架（3）凹槽宽度的一半；表面定位夹（6）的宽度不大于结构支架（3）凹槽的深度；还包括一个底部与表面定位沟槽（5）相配合可在表面定位沟槽（5）内滑动的顶部定位块（7）；顶部定位块（7）上与顶部定位块（7）滑动方向垂直的一个侧面沿其竖直中心线开有一条侧面定位沟槽（8），侧面定位沟槽（8）的宽度等于石英音叉（1）的宽度，深度等于要使用的微型声音谐振腔（2）的顶部与石英音叉（1）顶端的间距。

3.如权利要求2所述的石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，其特征在于，所述侧面定位沟槽（8）的深度为0.2mm或1.3mm或0.6-1.36mm。

4.一种采用如权利要求2所述的石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置进行测声器安装的方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）将结构支架（3）由组装台（4）表面定位沟槽（5）的下方滑动至表面定位夹（6），结构支架（3）的凹槽底部紧贴表面定位夹（6）的一个侧边；将石英音叉（1）穿过通孔（10）后其一个振臂侧面紧贴表面定位夹（6）的上表面，结构支架（3）剩余的凹槽空间用海绵填充，使音叉不动；（b）将顶部定位块（7）由表面定位沟槽（5）的上方滑动至与结构支架（3）的细管托盘（11）的顶部紧贴，顶部定位块（7）的侧面定位沟槽（8）朝向结构支架（3）；（c）将石英音叉（1）向顶部定位块（7）的侧面定位沟槽（8）内推动，直到石英音叉（1）的顶端抵住侧面定位沟槽（8）的底部，此时用胶把石英音叉（1）粘贴在结构支架（3）的通孔（10）内壁上面，待胶变干后将粘有石英音叉（1）的结构支架（3）从组装台（4）上拿下来；（d）将一对微型声音谐振腔（2）各放置在结构支架（3）的一个沟槽（12）内，将呈细条状的30~50μm厚的两张纸分别插入到微型声音谐振腔（2）与石英音叉（1）之间，在微型声音谐振腔（2）与沟槽（12）之间抹上环氧树脂，然后向石英音叉（1）方向推动两微型声音谐振腔（2），直到推不动，待环氧树脂变干后，取出插入的纸条，就获得了石英增强光声光谱测声器。