CN104914049B - 一种石英增强光声光谱气体封装检测装置 - Google Patents

一种石英增强光声光谱气体封装检测装置 Download PDF

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Abstract

一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，包括气体池(1)、气管阀门(3)、窗口晶片置入腔(41)、窗口晶片(42)、斜口顶筒(43)和窗口旋盖(44)、进气口(51)、出气口(52)、微谐振管(6)、共轴耦合封装装置(7)、石英音叉(8)、石英音叉封装件(9、石英音叉电极(10)、电路板固定支座(15)、放大电路板(17)、电路板封装盖(23)和气体池封装盖(24)。本发明通过保证石英音叉两叉股缝隙中心、微谐振管中心、窗口中心在一条直线上，减小了光路的调节误差、提高了检测信号的灵敏度，与现有技术相比，固定可靠且结构紧凑，不仅实现了小型化，还提高了密封性、光路最佳对准性和检测灵敏度。

Description

一种石英增强光声光谱气体封装检测装置
技术领域
本发明涉及痕量气体浓度检测领域，特别是一种石英增强光声光谱气体封装检测装置。
背景技术
光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，其测量精度高、体积小、功耗低、响应速度快，因此在舱室内痕量气体测量、生物医学农业领域及气体绝缘电器GIS的故障检测等痕量气体浓度检测方面具有广泛的应用价值。石英增强的光声光谱技术作为光声光谱技术的一种，为痕量体积气体浓度检测提供了新的手段。
石英增强的光声光谱技术的核心敏感部分是气体池，它利用石英音叉代替传统光声池和麦克风来检测光声信号的技术。其基本思路是用敏锐的声音共振传感器，来累积声音的能量，保留了传统光声光谱耐用、成本低的特点，同时消除了因声音的共振条件引起的气室限制，减小了体积，提高系统响应速度。
2011年专利CNIO2680402中提及一种石英音叉增强型光声谱气体池，提供了一种采用石英音叉的光声光谱气体池。它包括两个准直透镜、两个谐振管、石英音叉、V型槽固定座和基座，光从第二准直透镜发出，穿过第二谐振管、石英音叉叉指间隙和第一谐振管后到达第一准直透镜。该装置利用准直光束直接穿过谐振管和石英音叉叉股之间，但又不能与谐振管内壁和石英音叉两叉股接触，光路调节难度大，误差高，不利于获取高质量的检测信号，影响系统信噪比。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过保证石英音叉两叉股缝隙中心、微谐振管中心、窗口中心在一条直线上来减小光路的调节误差并提高检测信号灵敏度的石英增强光声光谱气体封装检测装置。
本发明的技术解决方案是：一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，包括气体池、气管阀门、窗口晶片置入腔、窗口晶片、斜口顶筒和窗口旋盖、进气口、出气口、微谐振管、共轴耦合封装装置、石英音叉、石英音叉封装件、石英音叉电极、电路板固定支座、放大电路板、电路板封装盖和气体池封装盖；
气体池为开有空腔的长方体结构，一对侧壁分别设有CaF2窗口晶片置入腔，另一对侧壁中一个侧壁设有进气口、另一个侧壁设有出气口，进气口、出气口分别安装气管阀门，CaF2窗口晶片置入腔腔口顶部开有豁口，内部开有斜面，CaF2窗口晶片为圆环状并与CaF2窗口晶片置入腔的斜面贴合，斜口顶筒为圆筒状，右侧表面为斜面，左侧表面设有凸台，斜口顶筒安装在CaF2窗口晶片置入腔内，右侧面与CaF2窗口晶片贴合，凸台与CaF2窗口晶片置入腔的豁口契合，窗口旋盖为圆筒状，与CaF2窗口晶片置入腔固定连接并挤压斜口顶筒、CaF2窗口晶片，共轴耦合封装装置为U形结构，两端设有V形槽，微谐振管通过V形槽固定，石英音叉封装件为T柱形结构，大截面端与共轴耦合封装装置固定连接，小截面端与气体池封装盖固定连接，石英音叉包括两个叉股，两个叉股一端与石英音叉封装件一端相连，微谐振管置于两个叉股中间，且微谐振管中心、CaF2窗口晶片置入腔中心在一条直线上，放大电路板通过电路板固定支座与气体池固定连接，石英音叉电极一端与石英叉封装件小截面端相连，另一端与放大电路板连接，气体池封装盖为中空的长方形盘，与气体池固定连接，电路板封装盖与气体池封装盖固定连接，并使用紫外固化胶密封；
进气口的气管阀门关闭，真空泵接入出气口、将气体池抽为真空状态，出气口的气管阀门开启并充入待测气体，外界光源发出的光经准直聚焦后依次通过CaF2窗口晶片的中心、微谐振管的中心聚焦在石英音叉的两个叉股中间，产生光声信号，石英音叉探测该光声信号后产生与待测气体浓度大小成正比的压电电流。
所述的石英音叉的共振频率范围为32KHz-70KHz，品质因子大于等于10000。
所述的石英音叉的共振频率范围为32.768KHz，品质因子为18000。
所述的CaF2窗口晶片置入腔内部的斜面斜度为10°。
所述的气体池封装盖通过密封圈与气体池固定连接。
所述的外界光源发出的光为红外光束。
所述的微谐振管为不锈钢材料。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明气体封装检测装置包括气体池、共轴耦合封装装置和电路板封装，装置固定可靠，结构紧凑，占用空间小，不仅实现了封装装置的小型化，同时提高了装置密封性、光路最佳对准性和检测灵敏度；
(2)本发明气体封装检测装置通过在气体池两侧壁分别开设氟化钙窗口，可提高中光束的透过率，实现光路最佳对准性，增强检测灵敏度；
(3)本发明气体封装检测装置通过在窗口晶片置入腔内部开设一定斜度的斜口，可防止光束形成干涉，引入损耗；
(4)本发明气体封装检测装置通过对气体池密封槽的设计以及利用紫外固化胶对石英音叉封装和石英音叉电极封装中的缝隙进行密封，可增强气体封装检测装置的密封性，从而提高系统信噪比；
(5)本发明气体封装检测装置通过对窗口晶片置入腔口豁口、斜口顶筒凸台的设计，可保证窗口晶片置于窗口晶片置入腔内的紧密性和严密性，同时提高封装时的可操作性；
(6)本发明气体封装检测装置设计了石英音叉封装件和共轴耦合封装装置，保证石英音叉两叉股缝隙中心与微谐振管中心和窗口中心在一条直线上，减小光路的调节误差，提高检测信号灵敏度。
附图说明
图1为本发明石英增强光声光谱气体封装检测装置结构示意图；
图2为本发明气体池窗口结构平面图；
图3为本发明石英音叉共轴耦合封装结构示意图；
图4为本发明石英音叉封装件平面示意图；
图5为本发明电路板封装平面示意图。
具体实施方式
本发明提出一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，如图1所示包括气体池1、基座2、气管阀门3、窗口4、进出气口5(包括进气口51、出气口52)、微谐振管6、共轴耦合封装装置7、石英音叉8、石英音叉封装件9、石英音叉电极10、螺纹孔11、密封槽12、密封圈13、电路板池14、电路板固定支座15、音叉电极孔16、放大电路板17、固定封装盖凹槽18、内六角圆柱头螺钉19、开槽盘头20、开槽沉头螺钉21、BNC豁口22、电路板封装盖23和气体池封装盖24；其中，窗口4包括窗口晶片置入腔41、窗口晶片42、斜口顶筒43和窗口旋盖44，共轴耦合封装装置7包括V形槽71和螺纹孔72。
气体池1为开有空腔的长方体铝合金结构，左右两侧壁分别开设窗口4，直径5mm-15mm，最好为10mm，前后侧壁分别开设进气口51和出气口52，直径5-15mm，最好为8mm，上方周边缘设有螺纹孔11，相邻四周边设置密封槽12，密封槽12处设有密封圈13，进出气口5上安装气管阀门3。如图2所示，窗口4包括CaF2窗口晶片置入腔41、CaF2窗口晶片42、斜口顶筒43和窗口旋盖44；其中，CaF2窗口晶片置入腔41内部开有斜度在10-30°间的斜面，斜面斜度最好是10°，同时为防止光束形成干涉引入损耗，腔口顶部开有豁口，外表面设有外螺纹，CaF2窗口晶片42放置在CaF2窗口晶片置入腔41内，斜口顶筒43压于CaF2窗口晶片42上，斜口顶筒43的右侧表面斜度与CaF2窗口晶片置入腔41内部斜面角度一致，使窗口晶片42可以完好地贴合于窗口晶片置入腔41内的斜面上，达到气体的密封效果，左侧表面设有与CaF2窗口晶片置入腔41豁口契合的凸台；窗口旋盖44内壁上开设内螺纹，挤压斜口顶筒43、CaF2窗口晶片42，并与CaF2窗口晶片置入腔41外螺纹相契合，窗口4提高了光路调节效率，降低了光束功率损耗，拓宽了通光范围。
微谐振管6通过共轴耦合封装装置7封装，微谐振管6为不锈钢材料，内径取值为0.3mm-1.5mm，最好为1.2mm，长度取值3mm-5mm，最好为4mm。共轴耦合封装装置7为U形结构，上下侧壁开设V形槽71和螺纹孔72。微谐振管6放置在上下V形槽71内，利用共轴耦合封装装置7上的螺纹孔72固定，如图3所示。石英音叉8通过石英音叉封装件9固定，石英音叉8共振频率范围为32KHz-70KHz，最好为32.768KHz，品质因子大于等于10000，最好为18000。石英音叉8放置在共轴耦合封装装置7的U形结构中间，石英音叉8两叉股缝隙中心与微谐振管6中心和窗口4中心在一条直线上。石英音叉封装件9为T柱形结构，用于固定石英音叉8，周围缝隙利用紫外固化胶密封，其平面结构示意图如图4所示，外壁上设有外螺纹，通过螺纹固定在气体池封装盖24上。
气体池封装盖24底部设有一定高度的凸台，该凸台高度与石英音叉封装件9柱形结构高度一致，高度取值为5mm-10mm，最好为7mm，用来保证石英音叉8两叉股缝隙中心与微谐振管6中心和窗口4中心在一条直线上。
如图5所示，电路板池14四角设置电路板固定支座15，电路板固定支座15的高度小于等于石英音叉电极10的长度，取值范围不大于9mm，最好为2mm，用于固定电路板，防止电路短路，同时保证石英音叉电极10能焊接到放大电路板17上，避免噪声干扰。
电路板池14上开设音叉电极孔16，内壁开设内螺纹，与石英音叉封装件9外螺纹相契合，其位置与放大电路板17上石英音叉8的位置相对应，音叉电极孔16直径取值范围为2mm-5mm，最好取值为5mm，石英音叉电极10可穿过音叉电极孔16焊接在放大电路板17上，周围缝隙利用紫外固化胶密封。气体池封装盖24通过内六角圆柱头螺钉19及嵌于密封槽12内的密封圈13与气体池1封装。放大电路板17通过开槽盘头螺钉20固定于电路板固定支座15上。电路板池14外边缘开设固定封装盖凹槽18。电路板封装盖23左右两侧壁开设BNC豁口22，为放大电路板17上连接的BNC接头提供空间；下方设置与固定封装盖凹槽18相契合的凸台，利用开槽沉头螺钉21固定，所用内六角圆柱头螺钉19、开槽盘头螺钉20和开槽沉头螺钉21保证了气室的美观和密封性。
本发明气体封装检测装置测量待测气体浓度时，气体池1上进气口51的气管阀门3关闭，真空泵接入气体池1的出气口52，将气体池1抽为真空状态后出气口52的气管阀门3关闭，进气口51的气管阀门3打开并接入待测气体气瓶，充入待测气体。
光源发出的光进行准直聚焦后沿光路依次通过CaF2窗口晶片42的中心和微谐振管6的中心聚焦在石英音叉8的两叉股之间，产生光声信号且该光声信号频率与石英音叉8的共振频率相同，石英音叉8检测到光声信号后产生压电电流，压电电流通过前置放大电路板17转变成大小与待测气体浓度成正比的电压信号，通过判断电压信号大小检测待测气体浓度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于包括气体池(1)、气管阀门(3)、窗口晶片置入腔(41)、窗口晶片(42)、斜口顶筒(43)和窗口旋盖(44)、进气口(51)、出气口(52)、微谐振管(6)、共轴耦合封装装置(7)、石英音叉(8)、石英音叉封装件(9)、石英音叉电极(10)、电路板固定支座(15)、放大电路板(17)、电路板封装盖(23)和气体池封装盖(24)；
气体池(1)为开有空腔的长方体结构，一对侧壁分别设有CaF2窗口晶片置入腔(41)，另一对侧壁中一个侧壁设有进气口(51)、另一个侧壁设有出气口(52)，进气口(51)、出气口(52)分别安装气管阀门(3)，CaF2窗口晶片置入腔(41)腔口顶部开有豁口，内部开有斜面，CaF2窗口晶片(42)为圆环状并与CaF2窗口晶片置入腔(41)的斜面贴合，斜口顶筒(43)为圆筒状，右侧表面为斜面，左侧表面设有凸台，斜口顶筒(43)安装在CaF2窗口晶片置入腔(41)内，右侧面与CaF2窗口晶片(42)贴合，凸台与CaF2窗口晶片置入腔(41)的豁口契合，窗口旋盖(44)为圆筒状，与CaF2窗口晶片置入腔(41)固定连接并挤压斜口顶筒(43)、CaF2窗口晶片(42)，共轴耦合封装装置(7)为U形结构，两端设有V形槽(71)，微谐振管(6)通过V形槽(71)固定，石英音叉封装件(9)为T柱形结构，大截面端与共轴耦合封装装置(7)固定连接，小截面端与气体池封装盖(24)固定连接，石英音叉(8)包括两个叉股，两个叉股一端与石英音叉封装件(9)一端相连，微谐振管(6)置于两个叉股中间，且微谐振管(6)中心、CaF2窗口晶片置入腔(41)中心在一条直线上，放大电路板(17)通过电路板固定支座(15)与气体池(1)固定连接，石英音叉电极(10)一端与石英叉封装件(9)小截面端相连，另一端与放大电路板(17)连接，气体池封装盖(24)为中空的长方形盘，与气体池(1)固定连接，电路板封装盖(23)与气体池封装盖(24)固定连接，并使用紫外固化胶密封；
进气口(51)的气管阀门(3)关闭，真空泵接入出气口(52)，将气体池 (1)抽为真空状态，进气口（51）的气管阀门(3)开启并充入待测气体，外界光源发出的光经准直聚焦后依次通过CaF2窗口晶片(42)的中心、微谐振管(6)的中心聚焦在石英音叉(8)的两个叉股中间，产生光声信号，石英音叉(8)探测该光声信号后产生与待测气体浓度大小成正比的压电电流。
2.根据权利要求1所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的石英音叉(8)的共振频率范围为32KHz-70KHz，品质因子大于等于10000。
3.根据权利要求1或2所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的石英音叉(8)的共振频率范围为32.768KHz，品质因子为18000。
4.根据权利要求1或2所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的CaF2窗口晶片置入腔(41)内部的斜面斜度为10°。
5.根据权利要求1或2所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的气体池封装盖(24)通过密封圈(13)与气体池(1)固定连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的外界光源发出的光为红外光束。
7.根据权利要求1或2所述的一种石英增强光声光谱气体封装检测装置，其特征在于：所述的微谐振管(6)为不锈钢材料。
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