CN107991240A - 一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器 - Google Patents

一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，包括石英音叉、蜂鸣器、高频振荡电路、信号放大检测电路，石英音叉利用其表面接收入射光信号，高频振荡电路与蜂鸣器连接，信号放大检测电路与石英音叉电连接。本发明结构简单，设计合理且易实现，体积小，操作过程简单，可作为一种带自校准功能的光声池用于石英增强型光声光谱研究，也可以作为一种光电探测器用于光电检测技术中光信号的检测，亦可用于气体压力的测量。

Description

一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器
技术领域
本发明涉及激光吸收光谱技术和石英音叉光声光谱测量装置领域，具体是一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器。
背景技术
激光吸收光谱技术具有高灵敏度、高分辨率、时间响应快和无损分析等优点，因而被广泛地应用于大气环境监测、工业处理控制、燃烧成分检测和呼吸气体诊断等领域。光电探测器作为该技术中的核心器件之一, 主要是基于电磁辐射与物质相互作用过程中所呈现的物理效应来实现光电转换, 其性能很大程度上决定了激光光谱系统的灵敏度。目前光电探测器种类繁多, 依据不同的探测机理, 通常分为热电探测器和光子探测器, 分别基于光与介质相互作用时的热电效应和光电效应。然而, 该类探测器的主要问题是, 受探测器所用介质材料的自身特性限制, 波长或频率响应带宽有限, 无法满足整个电磁波范围内的全波段响应。此外, 中红外对应着大多数分子的强吸收基频带, 是发展高灵敏激光吸收光谱的理想波段, 目前该波段的光电探测器主要有碲镉汞探测器和量子阱探测器, 总体上成本较高。
光声光谱是以美国著名科学家A.G. Bell于1880年发现的光声效应为基础的高灵敏、高动态范围及仪器结构简单的光谱技术，属于光热光谱的范畴。光声光谱技术主要是通过测量样品由于温度的变化而产生的压力波（即声波），从而实现对样品的光学、热学、声学以及其他性质的测量, 本质上有效避免了直接吸收光谱中光电探测器带宽限制问题。随着光声光谱技术的发展, 2002年美国莱斯大学的A.A. Kosterev等人报道了一种基于石英音叉的新型光声光谱，即石英音叉增强型光声光谱（QEPAS）。QEPAS基本原理是利用时钟频率稳定元件的振荡特性，即石英调谐音叉，代替传统的麦克风作为声信号探测器，极大的推动了光声光谱技术的发展。而实际应用中，受环境因素的影响(如压力，温度和湿度等)，石英音叉谐振频率的变化，将会很大程度上影响系统的检测灵敏度。
目前，现有技术中采用石英音叉的光测量装置多作为光声池使用，即利用光信号激发目标物产生声波的光声效应，再基于声波与石英音叉的共振实现对目标物的测量，尚没有利用石英音叉直接作为光电探测器的技术。
现有的研究中，基于石英音叉的光声光谱法进行气体检测都已得到实际应用，如申请号为201110362043.0, 201410566870.5和201710010380.0的中国专利。实际上, 目前所有这类相关的专利均是基于光声效应的原理, 使入射光穿过石英音叉叉臂之间进行测量的。
发明内容 本发明的目的是提供一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，以实现石英音叉的光电探测器功能。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：包括石英音叉及信号放大检测电路，所述石英音叉通过其呈现音叉形状的表面接收光信号，所述信号放大检测电路与石英音叉电连接；
入射光信号调制频率和石英音叉本征频率匹配时，石英音叉共振，石英音叉共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，所述信号放大检测电路放大并检测压电电信号，且压电电信号与入射光光强呈线性函数关系，利用石英音叉压电电信号与入射光光强之间满足的线性响应函数关系实现光电探测器功能。
所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：还包括由高频振荡电路驱动的蜂鸣器，蜂鸣器在高频振荡电路驱动下向石英音叉发出声波激发石英音叉共振，石英音叉共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，所述信号放大检测电路放大并检测压电电信号，通过傅立叶变换算法分析不同共振频率下对应的压电电信号即石英音叉的共振频谱响应曲线，可确定石英音叉的最佳共振频率，从而实现石英音叉的共振频率校正，由高频振动电路驱动的蜂鸣器与石英音叉配合作为带自校准功能的光声池。
所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：还包括气体回路，气体回路向石英音叉通入气体使石英音叉处于气体压力环境下，蜂鸣器在高频振荡电路驱动下向石英音叉发出声波激发石英音叉共振，在不同气体压力环境中石英音叉的最佳共振频率不同，且气体压力与石英音叉的最佳共振频率呈线性曲线关系，根据蜂鸣器声波激发石英音叉共振的最佳共振频率与气体压力的线性关系，实现气体压力探测器功能。
所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：所述石英音叉、蜂鸣器、高频振荡电路、信号放大检测电路整体封装于同一外壳中，且外壳设置有光通路，气体回路连通外壳。
本发明要求入射光直接入射至石英音叉表面以激发石英音叉共振，利用石英音叉共振时自身压电效应可获取相应的压电电信号，基于压电电信号与入射光光强满足的线性响应函数关系可实现光电探测器功能。
本发明由于石英音叉本身可作为光声池石英，在加上高频振荡电路驱动的蜂鸣器后，利用高频振荡电路驱动的蜂鸣器产生声波使石英共振，进而可在作为光声池时实现对石英音叉共振频率的校准，实现自校准的光声池功能。
本发明还基于石英音叉在不同气体压力下最佳共振频率不同的原理，还可作为气体压力探测器。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明设计了一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，整个装置结构简单，设计合理且易实现，体积小，操作过程简单，可作为一种带自校准功能的光声池用于石英增强型光声光谱研究，也可以作为一种光电探测器用于激光吸收光谱等光电检测技术中光信号的检测，亦可用于气体压力的测量。用于光信号的检测时，由于本发明通过高频振荡电路和蜂鸣器可测得石英音叉的最佳共振频率，因此可以在测量前进行校正，解决了环境因素导致的检测灵敏度受影响的问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中石英音叉与入射光功率之间的线性关系图。
图3为本发明中石英音叉在不同压力下共振频率轮廓曲线图。
图4为本发明中石英音叉最佳共振频率与压力之间的线性关系图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，包括石英音叉2及信号放大检测电路3，石英音叉2通过其呈现音叉形状的表面接收光信号，信号放大检测电路3与石英音叉2电连接；
入射光信号调制频率和石英音叉2本征频率匹配时，石英音叉2共振，石英音叉2共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，信号放大检测电路3放大并检测压电电信号，且压电电信号与入射光光强呈线性函数关系，利用石英音叉2压电电信号与入射光光强之间满足的线性响应函数关系实现光电探测器功能。
还包括由高频振荡电路5驱动的蜂鸣器4，蜂鸣器4在高频振荡电路5驱动下向石英音叉2发出声波激发石英音叉2共振，石英音叉2共振时由于石英材质的压电效应石英音叉2感应出压电电信号，信号放大检测电路3放大并检测压电电信号，通过傅立叶变换算法分析不同共振频率下对应的压电电信号即石英音叉2的共振频谱响应曲线，可确定石英音叉2的最佳共振频率，从而实现石英音叉2的共振频率校正，由高频振动电路5驱动的蜂鸣器4与石英音叉2配合作为带自校准功能的光声池。
还包括气体回路，气体回路向石英音叉2通入气体使石英音叉2处于气体压力环境下，蜂鸣器4在高频振荡电路5驱动下向石英音叉2发出声波激发石英音叉2共振，在不同气体压力环境中石英音叉2的最佳共振频率不同，且气体压力与石英音叉2的最佳共振频率呈线性曲线关系，根据蜂鸣器4声波激发石英音叉2共振的最佳共振频率与气体压力的线性关系，实现气体压力探测器功能。
石英音叉2、蜂鸣器4、高频振荡电路5、信号放大检测电路3整体封装于同一外壳1中，且外壳1设置有光通路，气体回路连通外壳1。
本发明包括封装于外壳1内的光通路、石英音叉2、蜂鸣器4、高频振荡电路5、信号放大检测电路3，外壳1两端分别对称布置透光窗口6，由两透光窗口6之间空间形成光通路，石英音叉2置于两透光窗口6之间的光通路中，蜂鸣器4、高频振荡电路5、信号放大检测电路3分别避开光通路，且蜂鸣器4与石英音叉2相对设置，高频振荡电路5输出端与蜂鸣器4连接，信号放大电路3输入端与石英音叉2连接，高频振荡电路5输入端、信号放大检测电路3输出端分别从外壳1中引出。
本发明外壳1连通有一对带截止阀的通气口7构成气体回路，两通气口7的中心轴线在空间中呈相互平行且分别垂直于光通路的中心轴线。
本发明其原理是：
1）、高频振荡电路在一定频率范围内输出正弦波或方波驱动蜂鸣器发生声波，蜂鸣器输出的声波引起石英音叉共振，石英音叉作为一种压电元器件，发生机械振动时，通过其自身的压电效应感应出压电电流，压电电流通过信号放大检测电路放大并转换成电压信号输出，通过傅立叶变换算法分析不同频率下对应的电压信号，即石英音叉的共振频谱响应曲线，即可确定石英音叉的最佳共振频率，从而实现石英音叉的共振频率校正。因此，本发明可作为一种带自校准功能的光声池用于石英增强型光声光谱技术研究。
2）当外界光透过本发明中一端透光窗口垂直入射到石英音叉的表面时，如果入射光的脉冲重复率或调制频率和石英音叉本征频率相匹配时，将会激发音叉共振，从而产生压电电流，为此，如图2所示，基于入射光强与压电电流或电压之间的满足的线性响应函数关系，本发明可作为一种不受入射光波长范围限制的光电探测器。
3）此外，由于石英音叉在不同气体压力下具有不同的共振频率响应特性，如图3所示，故此，基于最佳共振频率与压力之间的关系曲线，如图4所示，本发明可作为一种检测气体压力的探测器。

Claims (4)

1.一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：包括石英音叉及信号放大检测电路，所述石英音叉通过其呈现音叉形状的表面接收光信号，所述信号放大检测电路与石英音叉电连接；
入射光信号调制频率和石英音叉本征频率匹配时，石英音叉共振，石英音叉共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，所述信号放大检测电路放大并检测压电电信号，且压电电信号与入射光光强呈线性函数关系，利用石英音叉压电电信号与入射光光强之间满足的线性响应函数关系实现光电探测器功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：还包括由高频振荡电路驱动的蜂鸣器，蜂鸣器在高频振荡电路驱动下向石英音叉发出声波激发石英音叉共振，石英音叉共振时由于石英材质的压电效应石英音叉感应出压电电信号，所述信号放大检测电路放大并检测压电电信号，通过傅立叶变换算法分析不同共振频率下对应的压电电信号即石英音叉的共振频谱响应曲线，可确定石英音叉的最佳共振频率，从而实现石英音叉的共振频率校正，由高频振动电路驱动的蜂鸣器与石英音叉配合作为带自校准功能的光声池。
3.根据权利要求2所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：还包括气体回路，气体回路向石英音叉通入气体使石英音叉处于气体压力环境下，蜂鸣器在高频振荡电路驱动下向石英音叉发出声波激发石英音叉共振，在不同气体压力环境中石英音叉的最佳共振频率不同，且气体压力与石英音叉的最佳共振频率呈线性曲线关系，根据蜂鸣器声波激发石英音叉共振的最佳共振频率与气体压力的线性关系，实现气体压力探测器功能。
4.根据权利要求3所述的一种基于石英音叉谐振原理的多功能光电探测器，其特征在于：所述石英音叉、蜂鸣器、高频振荡电路、信号放大检测电路整体封装于同一外壳中，且外壳设置有光通路，气体回路连通外壳。
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