CN106596411A - 石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置及组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体传感头的组装工具及方法，具体为一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置及组装方法。一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，包括组装台，所述组装台上有凸起的长方体，长体上开有互相垂直的两条沟槽，交叉点位于长方体表面的中心，其中一条沟槽内有金属丝嵌入，为第一沟槽，金属丝拉紧并且两端固定在组装台上，另一沟槽为第二沟槽。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。

Description

石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置及组装方法

技术领域

本发明涉及气体传感头的组装工具及方法，具体为一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置及组装方法。

背景技术

光声光谱技术是检测微量气体浓度的一种极有用的技术。早在1938年，苏联学者Veingerov及其合作者完成了一系列实验，制造了第一台以红外辐射源作为光源的气体光声分析仪。但因缺乏继续提高检测信噪比的技术，限制了光声方法的进一步发展。一直到1986年Kerr等发表了第一篇采用激光作为光源的激光光声谱论文后，重新燃起了人们对光声方法的兴趣，使光声技术开始进入了蓬勃发展的新阶段。

尤其是最近几年发展起来的石英增强光声光谱技术，使用电子表中的音叉式石英晶振代替传统光声光谱中的测声器件麦克风，来对气体吸收调制光后产生的声波进行探测，使探测装置体积大大缩小，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和两只细管(微型声音谐振腔)组成，叫做石英增强光声光谱测声器。尽管单独一只音叉式石英晶振就能够完成对气体信号的测量，但加入两只细管后可以通过对声波的进一步搜集及能量积累，使信号大大增强。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g，振臂的宽度为w，长度为l，厚度为t。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。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。

目前，大多数石英增强光声光谱测声器使用的是商用标准音叉。共振频率为32.768kHz，每个振臂的几何尺寸为g＝0.3mm,l＝3.8mm,w＝0.6mm。使用商用标准音叉，结合近红外光源，已经制作出许多性能优异的光声光谱测声器。然而，气体分子位于中红外区域的基频振动带要比位于近红外区域的泛频振动带高1-2个数量级，使用中红外光源，探测气体分子的基频振动带能够获得更高的探测灵敏度。但是，随着激光波长向中红外推进，光束的直径变大，由于音叉振臂的间距g＝0.3mm是固定的，光束准直变的更加困难。早期的解决方案是把微型声音谐振腔的长度变短，以方便准直，但损失了一部分探测灵敏度。实际上，影响中红外光准直的直接因素是音叉振臂的间距g，如果能把间距g做宽将非常方便中红外光束准直。

另一方面，改变了音叉式石英晶振振臂间距，将使整个音叉的尺寸变大。音叉与地面的垂直性，微型声音谐振腔与音叉振臂侧面的垂直性无法被严格保证，反而不利于水平的中红外光束的通过。早期发展的近红外石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置和方法(201410520583.0)使用于组装近红外的商用标准音叉式石英晶振，如果使用在这里，它的夹具结构容易夹断较长的音叉式石英晶振振臂，已经不能适用于新的音叉式石英晶振结构，这样我们需要发展新的组装方法以适用于工业流水线组装。

发明内容

本发明为解决目前石英增强光声光谱测声器不便于中红外光学准直，组装效率低下的技术问题。

一种大振臂间距音叉式石英晶振，几何结构为振臂长度l＝10.5mm；振臂宽度为w＝0.95mm；振臂间隙g＝0.9mm，振臂厚度t＝0.3mm。这种结构的设计是建立在理论分析和大量实验的基础上，对中红外光束的准直效果最好。中红外光束的直径一般在3mm～5mm左右，由于在光束周围产生的声波是柱状对称波，它的强度和距离光束中心的远近成反比，因此振臂间隙并不是越宽越好。根据聚焦光斑直径d的理论计算公式：d＝4λf/(πD)，其中λ是激光波长，f是透镜的焦距，D是光束直径。如果激光波长λ＝10μm左右，我们使用40mm焦距的透镜(在石英增强光声光谱中，使用这种焦距的比较多)。汇聚光斑的理论直径为0.12～0.17mm。考虑到透镜像差因素，直径要恶化2～3倍，最终实际汇聚光斑直径在0.2～0.5mm之间，已经大于商用标准音叉的振臂间距。针对不同振臂间距的大音叉进行试验，包括0.4mm、0.6mm、0.7mm、0.9mm、1.0mm。实验结果表明，0.9mm振臂间距的大音叉在保证中红外光束不触碰音叉的情况下，信号强度最强。因此被选为中红外石英增强光声光谱测声器使用器件。

一种基于大振臂间距音叉式石英晶振的石英增强光声光谱测声器，大振臂间距音叉式石英晶振，以及2个微型声音谐振腔与底座，所述底座包括定位台和固定板，所述定位台上有通孔，通孔尺寸大于音叉式石英晶振横截面，定位台上设置沟槽，沟槽位置固定微型声音谐振腔，微型声音谐振腔可完全放入沟槽，并与沟槽顶面相切，固定板与定位台相互固定，固定板上有通孔，固定板上通孔与定位台通孔位置对应，所述音叉式石英晶振穿过定位台通孔并固定，微型声音谐振腔与音叉式石英晶振垂直。

优选的，所述微型声音谐振腔为筒形，最优长度为20mm，最佳的内径为1.4mm。

优选的，所述固定板为不锈钢板。

优选的，所述固定板有多个固定孔。

还包括气室配套组成气体传感头，便于快速的测量；整个装置结构小巧简单，使用方便。正方形的固定板作为气体传感头的顶部，通过O型圈密封。气室主体由不锈钢立方体组成，中部掏空，在光线传播方向配有出射入射出窗口，在光线垂直方向配有进气和出气的气口。

一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，包括组装台，所述组装台上有凸起的长方体，长体上开有互相垂直的两条沟槽，交叉点位于长方体表面的中心，其中一条沟槽内有金属丝嵌入，为第一沟槽，金属丝拉紧并且两端固定在组装台上，另一沟槽为第二沟槽。

优选的，所述长方体的第一沟槽中嵌入金属丝的沟槽宽度与金属丝直径石音叉式石英晶振的振臂厚度相同，第二沟槽宽度与音叉式石英晶振的振臂厚度相同，第一沟槽深度小于第二沟槽深度。

其中，音叉式石英晶振的顶部被插入到第二沟槽中，同时音叉式石英晶振的振臂间被插入到金属丝中，使音叉式石英晶振不晃动，以保证音叉式石英晶振与地面完全垂直。四根支柱，用以支撑固定板和石英增强光声光谱测声器。

优选的，所述组装台还包括多个固定孔，与固定孔对应位置有支柱。

其中，支柱可以根据实际需要制作不同的高度，实际应用时只需更换就可以实现不同微型声音谐振腔与音叉式石英晶振的定位。

一种石英增强光声光谱测声器组装方法，包括以下步骤：

(a)将组装台与石英增强光声光谱测声器固定，定位台一侧与组装台凸起一侧相对，支柱穿过固定板的固定孔；

(b)将音叉式石英晶振穿过通孔，两个振臂卡在无金属丝的沟槽中，金属丝从振臂间通过，使音叉式石英晶振垂直稳定站立在组装台凸起的中心；

(c)用胶把音叉式石英晶振粘贴在底座的通孔内壁上面，待胶变干后将粘有音叉式石英晶振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音叉式石英晶振之间，在微型声音谐振腔与沟槽之间抹上环氧树脂，然后向音叉式石英晶振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。

本发明通过对设计几何尺寸和振臂间距较大的音叉式石英晶振，解决了中红外光束使用商用标准的音叉式石英晶振，准直困难、探测灵敏度不高的难题。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，解决了基于大振臂间距音叉式石英晶振的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大振臂间距音叉式石英晶振的光声光谱测声器进行定位组装，整个装置结构简单，操作简便。

附图说明

图1是大振臂间距音叉式石英晶振的结构示意图；

图2是石英增强光声光谱测声器的结构示意图；

图3是石英增强光声光谱测声器与气室配套组成气体传感头的结构示意图；

图4是辅助组装装置分解示意图；

图5是辅助组装装置整体结构示意图；

图中：1-石英增强光声光谱测声器，11-音叉式石英晶振，12-微型声音谐振腔，13-定位台，14-固定板，15-结构支架，2-传感头，21-气室主体，22-窗口，23-气口，3-辅助组装装置，31-组装台，32-第一沟槽，33-第二沟槽，34-金属丝，35-支柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

如图1所示，一种大振臂间距音叉式石英晶振，几何结构为振臂长度l＝10.5mm；振臂宽度为w＝0.95mm；振臂间隙g＝0.9mm，振臂厚度t＝0.3mm。这种结构的设计是建立在理论分析和大量实验的基础上，对中红外光束的准直效果最好。中红外光束的直径一般在3mm～5mm左右，由于在光束周围产生的声波是柱状对称波，它的强度和距离光束中心的远近成反比，因此振臂间隙并不是越宽越好。根据聚焦光斑直径d的理论计算公式：d＝4λf/(πD)，其中λ是激光波长，f是透镜的焦距，D是光束直径。如果激光波长λ＝10μm左右，我们使用40mm焦距的透镜(在石英增强光声光谱中，使用这种焦距的比较多)。汇聚光斑的理论直径为0.12～0.17mm。考虑到透镜像差因素，直径要恶化2～3倍，最终实际汇聚光斑直径在0.2～0.5mm之间。已经大于商用标准音叉的振臂间距。设计不同振臂间距的大音叉，包括0.4mm、0.6mm、0.7mm、0.9mm、1.0mm。实验结果表明，0.9mm振臂间距的大音叉在保证中红外光束不触碰音叉的情况下，信号强度最强。因此被选为中红外石英增强光声光谱测声器使用器件。由于音叉式石英晶振几何结构变大，其谐振频率下降到7kHz，根据实验研究，7kHz的音叉式石英晶振微型声音谐振腔的每一根管子最优长度为20mm，最佳的内径为1.4mm。微型声音谐振腔的装配的高度位置y，需要根据要求选用。

如图2所示，一种基于大振臂间距音叉式石英晶振的石英增强光声光谱测声器1，包括一个音叉式石英晶振11以及与音叉式石英晶振11相配的一对微型声音谐振腔12，还包括一个用于固定音叉式石英晶振11以及微型声音谐振腔12的结构支架15；所述结构支架15包括一个定位台13和一个正方形固定板14，定位台13中心开有比音叉式石英晶振11直径略大的过孔；所述音叉式石英晶振11穿过通孔；定位台顶部开有一个用于放置微型声音谐振腔12且轴线与音叉式石英晶振11振臂侧面垂直的沟槽；所述一对微型声音谐振腔12各放置在一个沟槽内，两个微型声音谐振腔12的轴线重合并穿过音叉式石英晶振11的间隙且微型声音谐振腔12的顶部与定位台13的顶部平面相切；在定位台13上与过孔平行方向，在音叉式石英晶振11振臂两边，开有固定定位台13到固定板14螺纹孔；正方形固定板14在正中心开有一个和定位台13中心过孔直径相同的孔，对应定位台13上的两个螺纹孔，相应开有过孔，用于固定螺丝穿过。所述固定板使用不锈钢板。

如图3所示，采用本发明所述石英增强光声光谱测声器，音叉式石英晶振11以及微型声音谐振腔12可以方便的固定安装，与气室配套组成气体传感头2，便于快速的测量；整个装置结构小巧简单，使用方便。正方形的固定板14作为气体传感头2的顶部，通过O型圈密封。气室主体21由不锈钢立方体组成，中部掏空，在光线传播方向配有出射入射出窗口22，在光线垂直方向配有进气和出气的气口23。

如图4所示，一种石英增强光声光谱测声器的辅助组装装置，包括一个表面有一块突起的长方体的组装台31，突起的长方体上开有互相垂直的两条沟槽，交叉点位于组装台31表面的中心。两条沟槽中，一条沟槽宽度等于音叉式石英晶振振臂厚度t＝0.3mm，深度为0.8mm；另一条沟槽宽度等于音叉式石英晶振振臂间隙g＝0.9mm，深度为0.5mm，宽度等于音叉式石英晶振振臂间隙g的沟槽被嵌入一根直径为0.9mm的金属丝34，金属丝34的两段由两颗螺丝被拉紧固定在组装台31上。还包括四根支柱35，支柱35可以定做为不同高度，通过调节高度，可以调节微型声音谐振腔的位置y。

如图5所示，在装配结构支架15和音叉式石英晶振11的时候，他们被放置在辅助组装装置3上，辅助组装装置3包括组装台31，组装台31表面有一个一块突起的长方体，突起的长方体上开有互相垂直的两条沟槽，交叉点位于长方体表面的中心。两条沟槽中，第二沟槽33宽度等于音叉式石英晶振11振臂厚度t＝0.3mm，深度为0.8mm；第一沟槽32宽度等于音叉式石英晶振11振臂间隙g＝0.9mm，深度为0.5mm，宽度等于音叉式石英晶振11振臂间隙g的第一沟槽32、被嵌入一根直径为0.9mm的金属丝34，金属丝34的两段由两颗螺丝被拉紧固定在组装台31上。音叉式石英晶振11的顶部被插入到第二沟槽33中，同时音叉式石英晶振11的振臂间被插入到金属丝34上，使音叉式石英晶振11不晃动，以保证音叉式石英晶振11与地面完全垂直。四根支柱35，用以支撑固定板14和石英增强光声光谱测声器1。

所有位置放好后就可以使用诸如环氧树脂类的固态胶把音叉式石英晶振11粘贴在结构支架15上面。等环氧树脂变干后，把粘有音叉式石英晶振11的结构支架15从组装台31上拿下来，放上两个微型声音谐振腔12，这时微型声音谐振腔12的顶端高度和音叉式石英晶振11的顶端高度已经固定，在粘微型声音谐振腔12时需要精确定位的是微型声音谐振腔12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，插入到微型声音谐振腔12与音叉式石英晶振11之间，抹上环氧树脂轻轻向中间推动两微型声音谐振腔12，直到不动，等到环氧树脂变干后，取出插入的纸条。最后获得石英增强光声光谱测声器1。

四根支柱35可以根据实际需要制作不同的高度，实际应用时只需更换就可以实现不同微型声音谐振腔12与音叉式石英晶振11的定位。

一种石英增强光声光谱测声器组装方法，包括以下步骤：(a)将组装台31与结构支架15固定，定位台一侧与组装台31凸起一侧相对，支柱35穿过固定板14的固定孔；(b)将音叉式石英晶振11穿过通孔，两个振臂卡在无金属丝34的沟槽中，金属丝34从振臂间通过，使音叉式石英晶振11垂直稳定站立在组装台31凸起的中心；(c)用胶把音叉式石英晶振11粘贴在底座的通孔内壁上面，待胶变干后将粘有音叉式石英晶振的结构支架从组装台31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音叉式石英晶振11之间，在微型声音谐振腔12与沟槽之间抹上环氧树脂，然后向音叉式石英晶振11方向推动两微型声音谐振腔12，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1。

Claims (4)

1.一种石英增强光声光谱测声器辅助组装装置，其特征是，包括组装台，所述组装台上有凸起的长方体，长体上开有互相垂直的两条沟槽，交叉点位于长方体表面的中心，其中一条沟槽内有金属丝嵌入，为第一沟槽，金属丝拉紧并且两端固定在组装台上，另一沟槽为第二沟槽。

2.如权利要求1所述的石英增强光声光谱测声器辅助组装装置，其特征是，所述长方体的第一沟槽中嵌入金属丝的沟槽宽度与金属丝直径石音叉式石英晶振的振臂厚度相同，第二沟槽宽度与音叉式石英晶振的振臂厚度相同，第一沟槽深度小于第二沟槽深度。

3.如权利要求1所述的石英增强光声光谱测声器辅助组装装置，其特征是，所述组装台还包括多个固定孔，与固定孔对应位置有支柱。

4.一种石英增强光声光谱测声器组装方法，其特征是，包括以下步骤：

(a)将组装台与支架结构固定，定位台一侧与组装台凸起一侧相对，支柱穿过固定板的固定孔；

(b)将音叉式石英晶振穿过通孔，两个振臂卡在无金属丝的沟槽中，金属丝从振臂间通过，使石英音叉垂直稳定站立在组装台凸起的中心；

(c)用胶把音叉式石英晶振粘贴在底座的通孔内壁上面，待胶变干后将粘有音叉式石英晶振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。