CN113340847A - Ф型石英音叉以及基于ф型石英音叉的痕量气体探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体传感技术领域，具体涉及Ф型石英音叉以及基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，Ф型石英音叉：在两个振臂的内侧设置有相互对称的半椭圆形过孔；在所述振臂的顶端设置有锤状结构，以便于增加振臂的顶端质量，使振臂的质心上移；本发明通过在振臂内侧增加半椭圆形过孔解决了振臂间距较窄的商用标准石英音叉与发散角较大的红外激光光源或太赫兹激光光源的联用受限问题，同时本发明的Ф型石英音叉能在很小的尺寸下实现宽光束的清洁通过，保持了石英增强光声光谱传感器的原始小型化特征。
Description
技术领域
本发明属于气体传感技术领域，具体涉及Ф型石英音叉以及基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置。
背景技术
痕量气体检测技术在大气监测、航天医疗、石油化工、工业过程控制及农业生产等各个领域都有非常重要的应用。其中基于光声光谱原理的气体传感技术是一种非常有前景的痕量气体检测技术，并以其选择性好、灵敏度高，仪器寿命长、维护费用低的特点，成为人们长期以来从原理到应用不断进行研究的热点。传统光声光谱气体传感器的核心器件为光声池，其体积通常在几十立方厘米左右，不利于传感系统的小型化和集成化；另外光声池中的声学传感器采用了宽带麦克风来进行微弱声信号的收集和放大，但是这会使得系统非常容易受到低频环境噪声的干扰，从而影响传感系统的性能。石英增强光声光谱是光声光谱技术的一种，它使用了一个音叉式石英晶振石英音叉代替传统的麦克风来探测声波。石英音叉由石英单晶体切割而成，具有高出传统光声池至少两个数量级的品质因数，因此声波能量能够在其自身内部直接积累，从而摆脱了传统光声池的限制，实现了系统的小型化。并且由于石英音叉较高的共振频率和声四极子振动结构，使其具有很强的抗低频噪声能力。目前，使用此技术已经对二十多种气体实现了高灵敏的探测，并发展了各式各样的痕量气体传感器。该技术的具体工作原理是：特定波长的调制激光与气体分子相互作用使得气体分子先从低能态跃迁至激发态，再通过碰撞弛豫过程将能量转变为分子的内能，宏观上的表现为气体分子局部温度的周期性上升与下降，同时对应于气体体积的周期性膨胀与收缩，进而产生了声波，并推动石英音叉两振臂振动，引起了音叉振臂的形变，然后通过其压电效应将由声波能量转化而来的机械能转变为电能。分布在石英音叉表面各处的压电电荷被石英音叉表面的金属镀层收集后通过底部两电极对外输出。锁相放大器将压电信号解调即可获得包含待测气体浓度等信息的二次谐波信号。
目前被广泛用于石英增强光声光谱传感器的石英音叉是具有高品质因子Q且固有频率f0约为32.7kHz的商用石英音叉，且其振臂间隙约为0.3mm。设计商用石英音叉的初衷在于借助其高稳定性，高精度和低功耗等特性，将其应用于批量生产的时钟，智能手机等数字电子设备中，并作为其中计时和频率测量的核心组件。因此商用石英音叉其实并不是石英增强光声光谱技术中的最佳声学传感器，当此音叉和光束质量较差的光源联合使用时，激励光源需要通过光学器件进行预处理，来确保光斑直径小于0.3mm，否则激光光束就会无法有效通过石英音叉两振臂间隙，从而引入大量的噪声干扰，导致探测灵敏度降低。而光束整形的难度会随着原始光斑的尺寸以及出射光功率的增大而增大，这就不利于石英增强光声光谱技术与大功率光源或诸如中红外，太赫兹光源等新型光源相结合，限制了石英增强光声光谱技术的进一步发展。因此，通过设计用于石英增强光声光谱技术的定制石英音叉能够很好得解决上述限制条件。
发明内容
本发明为了解决现在应用于石英增强光声光谱技术中商用标准音叉与发散角较大的大功率光源、中红外光源以及太赫兹光源等新型光源联用时引起较大噪声干扰的问题，提供了Ф型石英音叉以及基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
Ф型石英音叉，在两个振臂的内侧设置有相互对称的半椭圆形过孔。当声源位于音叉振臂中心时，光声信号会推动石英音叉两振臂以相反的方向对称性振动，因此必须对音叉的两个振臂进行对称的结构修饰才能有效推动音叉振臂振动，从而提高光声探测的灵敏度。
进一步，在所述振臂的顶端设置有锤状结构，以便于增加振臂的顶端质量，使振臂的质心上移，从而大幅的增加Ф型石英音叉的品质因数，提高传感器的探测灵敏度。
再进一步，两个所述振臂之间的间隙为0.8-1mm，所述振臂的厚度为0.2-0.3mm，总高度为9.4mm，中部及下部的宽度为1.6mm，所述Ф型石英音叉底端区域的宽度为5.2-5.4mm，高度为5.2mm，所述锤状结构的宽度为2mm，高度为2.4mm，所述半椭圆形过孔的中心距振臂顶端的距离为1-2mm。
基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，包括光声信号探测模块、光源模块和数据采集模块；
所述光声信号探测模块包括Ф型石英音叉和气室，在所述气室相对的两个侧壁上分别设置有光入射窗口和光出射窗口，在所述气室的另外两个侧壁上设置有气体进出口，所述Ф型石英音叉通过支架放置在气室的内腔中，所述光入射窗口、两个半椭圆形过孔中心连线的中点以及光出射窗口均位于同一光路上，所述光入射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为5°，所述光出射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为-5°；
所述光源模块包括激光光源、第一函数发生器、第二函数发生器、加法器电路、光源温度控制器和光源电流控制器，所述第一函数发生器的信号输出端和加法器电路的一号输入端口相连，所述第二函数发生器的信号输出端与加法器电路的二号输入端口相连，所述第二函数发生器的同步信号输出端与锁相放大器的同步信号输入端口相连，所述加法器电路的输出端口与光源电流控制器的输入端口连接，所述光源电流控制器和光源温度控制器与激光光源连接，用于控制激光光源输出特定波长的调制光束；
所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器、锁相放大器和计算机，所述跨阻抗前置放大器的两个信号输入端分别与Ф型石英音叉的两个电极输出端相连接，且跨阻抗前置放大器的其中一个信号输入端与Ф型石英音叉的电极输出端相连接后接地，所述锁相放大器的信号输入端与跨阻抗前置放大器的信号输出端相连接，所述锁相放大器的同步信号输入端与所述第二函数发生器的同步信号输出端相连，所述锁相放大器的信号输出端通过RS232串口通讯端口与计算机的信号采集端口相连，以便于读取并处理信号。
进一步，所述激光光源为红外激光光源或太赫兹激光光源。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明通过在振臂内侧增加半椭圆形过孔解决了振臂间距较窄的商用标准石英音叉与发散角较大的红外激光光源或太赫兹激光光源的联用受限问题，同时本发明的Ф型石英音叉能在很小的尺寸下实现宽光束的清洁通过，保持了石英增强光声光谱传感器的原始小型化特征；
2、由于在光路上产生的是线声源，声波沿着光传播方向以近似柱面波形式向外辐射，而本发明Ф型石英音叉上的半椭圆形过孔结构，能够很好与声波面匹配耦合，进一步提升了Ф型石英音叉收集声波的能力；
3、本发明通过将Ф型石英音叉的共振频率设为15kHz，解决了使用标准石英音叉的QEPAS系统无法对分子驰豫率较低的气体进行有效测量的难题。
附图说明
图1为本发明Ф型石英音叉的结构示意图；
图2为本发明Ф型石英音叉振动效果模拟图；
图3为本发明跨阻抗前置放大器的电路图；
图4为本发明痕量气体探测装置的结构示意图；
图5为本发明光路与光入射窗口和光出射窗口轴线的夹角示意图；
图6为本发明Ф型石英音叉的频率扫描曲线图；
图7为基于本发明Ф型石英音叉与基于标准石英音叉的传感系统光声信号对比图；
图8为基于本发明Ф型石英音叉与基于标准石英音叉的传感系统的噪声水平对比图；
图中，Ф型石英音叉—1、气室—2、激光光源—3、第一函数发生器—4、第二函数发生器—5、加法器电路—6、光源温度控制器—7、光源电流控制器—8、跨阻抗前置放大器—9、锁相放大器—10、计算机—11、振臂—101、半椭圆形过孔—102、锤状结构—103。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
本发明所述的Ф型石英音叉是采用以下技术方案制作的：单晶石英是具有三斜对称性的化学稳定氧化物，首先使用有限元方法设计一款允许大尺寸光斑通过的石英音叉，再利用负光致抗蚀剂光刻法沿Z轴方向进行切割并且在氟化氢铵饱和溶液中蚀刻，有选择性地将石英晶片蚀刻成所设计的音叉结构，而后将金薄层沉积在石英音叉的两侧面上用于收集石英音叉压电效应产生的电荷。
在石英增强光声光谱技术中，调制频率首先需要远低于目标气体分子的振动-平动驰豫率，否则分子的驰豫过程就不能跟上外部的调制过程；其次调制频率应尽可能的高，以抑制环境中的低频噪声，因此本发明所述的Ф型石英音叉的共振频率为15kHz，该共振频率能够在低频噪声抑制方面和大多数分子驰豫过程之间找到最佳平衡点。目标共振频率的获得，需要通过设定振臂基本几何参数来实现，对于长方体形悬臂梁结构的阻尼运动，通常用欧拉-伯努利梁方程来描述：
式中y表示从振臂底部沿振臂轴线方向的距离，f(y,t)表示作用在石英音叉振臂上y点处的力密度，u(y,t)为t时刻y点的位移量，ρ＝2,650kg/m3是石英材料的密度，E＝72GPa是振动状态下的石英音叉振臂的杨氏模量，A和I分别是y点处的横截面积和截面惯性矩，β是空气的阻尼系数。
由于振臂在y＝0处为固定状态，在y＝L处为自由状态，因此可以引入边界条件在振臂固定端的位移及斜率为0，即u(0,t)＝0，
在振臂自由端的弯曲力矩以及剪切力为0，即
通过对上述振臂的阻尼运动进行求解可以得出在声波激励下振臂上每一点的位移公式：
式中ω为声波激励的频率，为了使得石英音叉能有最大的振动位移，通常声波激励频率等于音叉的共振频率，M1(y0)与石英音叉的密度ρ和y点处的横截面积A成反比，进而我们可以获得以下共振频率公式：
式中L和w分别是石英音叉振臂的长度和宽度。通过理论模型进行计算并由实验进行优化后，确定本发明所述的Ф型石英音叉保留了标准音叉两振臂对称分布的几何特点，为了保证音叉的高品质因数，振臂的总高度为9.4mm，厚度为0.2-0.3mm，具体如图1所示。由于石英音叉是声四极子振动结构，相对于整体尺寸而言两振臂间距如果过大，会导致两个原本相向振动振臂逐渐成为独立的悬臂梁结构，其抑制噪声的能力也被削弱，因此本发明所述Ф型石英音叉两振臂间距为0.8-1mm。石英音叉的品质因数Q的大小直接影响到了最后的探测灵敏度，所以本发明所述Ф型石英音叉在原有音叉振臂的自由端加入额外的质量，形成了锤状结构，这种锤状结构由于增加了其顶部质量，使得振臂质心上移，能够大幅地增加石英音叉的品质因数，从而提高传感器的探测灵敏度。所述Ф型石英音叉顶端处锤状结构宽度为2mm，高度为2.4mm；非锤状结构部分振臂宽度为1.6mm，高度为7mm；所述Ф型石英音叉底端区域宽度为5.2-5.4mm，高度为5.2-5.4mm。
本发明的Ф型石英音叉，在两个振臂101的内侧设置有半短轴长度为0.5mm的半椭圆形过孔102，半椭圆形过孔102之间间距最大处可达1.8mm，保证了光斑尺寸较大的激光光源能够无碰撞地通过Ф型石英音叉振臂间隙；半椭圆形过孔102中心位于距离音叉顶端1-2mm处，该位置为所述Ф型石英音叉基频振动模式下的最佳激励位置，半椭圆形过孔102的形状和声波波面相匹配，使声波与振臂101产生更强的耦合，进一步提升了其探测性能。
如图2所示，采用COMSOL仿真软件理论模拟了具有半椭圆形过孔102的Ф型石英音叉的基频振动模式，所述Ф型石英音叉的模拟共振频率为15kHz，其较低的共振频率可以实现对低弛豫率分子的测量。为使石英音叉的响应达到最大，外界激励信号的调制频率应等于石英音叉的共振频率或共振频率的谐波频率。
如图4所示，基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，包括光声信号探测模块、光源模块和数据采集模块；
所述光声信号探测模块包括Ф型石英音叉1和气室2，在所述气室2相对的两个侧壁上分别设置有光入射窗口和光出射窗口，在所述气室2的另外两个侧壁上设置有气体进出口，所述Ф型石英音叉1通过支架放置在气室2的内腔中，所述光入射窗口、两个半椭圆形过孔102中心连线的中点以及光出射窗口均位于同一光路上，所述光入射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为5°，所述光出射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为-5°，从而可以降低中红外激光光束或者太赫兹光束反馈的影响，并有效避免干涉条纹的出现；
所述光源模块包括激光光源3、第一函数发生器4、第二函数发生器5、加法器电路6、光源温度控制器7和光源电流控制器8，所述激光光源3为红外激光光源或太赫兹激光光源，所述第一函数发生器4的信号输出端和加法器电路6的一号输入端口相连，所述第二函数发生器5的信号输出端与加法器电路6的二号输入端口相连，所述第二函数发生器5的同步信号输出端与锁相放大器10的同步信号输入端口相连，所述加法器电路6的输出端口与光源电流控制器8的输入端口连接，所述光源电流控制器8和光源温度控制器7与激光光源3连接，用于控制激光光源3输出特定波长的调制光束；
所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器9、锁相放大器10和计算机11，所述跨阻抗前置放大器9的两个信号输入端分别与Ф型石英音叉1的两个电极输出端相连接，且跨阻抗前置放大器9的其中一个信号输入端与Ф型石英音叉1的电极输出端相连接后接地，所述锁相放大器10的信号输入端与跨阻抗前置放大器9的信号输出端相连接，所述锁相放大器10的同步信号输入端与所述第二函数发生器5的同步信号输出端相连，所述锁相放大器10的信号输出端通过RS232串口通讯端口与计算机11的信号采集端口相连，以便于读取并处理信号，所述计算机11内设Labview软件。
如图3所示，跨阻抗前置放大器9的增益电阻Rf选用10MΩ的阻值，由此构成的反馈回路使石英音叉两电极间的压差保持为零，并有效的消除了平行寄生电容对电路系统的影响。声波推动石英音叉两振臂对称性振动，该振动会经过石英材料的压电效应形成交变的微弱电流I，电流经石英音叉的电极被传输至跨阻抗前置放大器9后经增益电阻Rf放大并转变为电压信号Uout，该电压信号经锁相放大器10解调便可获得与之对应的谐波信号。
图6是本发明所述Ф型石英音叉用电激励方法获得的频率扫描曲线，在调制电压幅值为316mV，调制频率以0.2Hz的步进在15238Hz-15248 Hz范围内匀速改变的情况下测得所述Ф型定制音叉的共振频率为15243.2Hz，该共振频率能够在低频噪声抑制方面和大多数分子驰豫过程之间找到最佳平衡点。
图7是基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置获得的光声信号，与使用标准石英音叉在相同条件下获得的信号对比图，结果表明采用本发明所述具有半椭圆形过孔的Ф型石英音叉的光声信号要比使用标准石英音叉强2.5倍左右，说明锤状结构的引入能够提升石英音叉的传感性能，从而提高传感系统的探测灵敏度。
图8是基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置获得的噪声信号，与使用标准石英音叉在相同条件下获得的噪声信号对比图，结果表明采用本发明所述的Ф型石英音叉能够将系统噪声降低2倍左右。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.Ф型石英音叉，其特征在于：在两个振臂(101)的内侧设置有相互对对称的半椭圆形过孔(102)。
2.根据权利要求1所述的Ф型石英音叉，其特征在于：在所述振臂(101)的顶端设置有锤状结构(103)，以便于增加振臂(101)的顶端质量，使振臂(101)的质心上移，从而大幅的增加Ф型石英音叉(1)的品质因数，提高传感器的探测灵敏度。
3.根据权利要求2所述的Ф型石英音叉，其特征在于：两个所述振臂(101)之间的间隙为0.8-1mm，所述振臂(101)的厚度为0.2-0.3mm，总高度为9.4mm，中部及下部宽度为1.6mm，所述Ф型石英音叉(1)底端区域的宽度为5.2-5.4mm，高度为5.2mm，所述锤状结构(103)的宽度为2mm，高度为2.4mm，所述半椭圆形过孔(102)的中心距振臂(101)顶端的距离为1-2mm。
4.基于权利要求1所述的Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，其特征在于：包括光声信号探测模块、光源模块和数据采集模块；
所述光声信号探测模块包括Ф型石英音叉(1)和气室(2)，在所述气室(2)相对的两个侧壁上分别设置有光入射窗口和光出射窗口，在所述气室(2)的另外两个侧壁上设置有气体进出口，所述Ф型石英音叉(1)通过支架放置在气室(2)的内腔中，所述光入射窗口、两个半椭圆形过孔(102)圆心连线的中点以及光出射窗口均位于同一光路上，所述光入射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为5°，所述光出射窗口的轴线与光路之间的水平夹角为-5°；
所述光源模块包括激光光源(3)、第一函数发生器(4)、第二函数发生器(5)、加法器电路(6)、光源温度控制器(7)和光源电流控制器(8)，所述第一函数发生器(4)的信号输出端和加法器电路(6)的一号输入端口相连，所述第二函数发生器(5)的信号输出端与加法器电路(6)的二号输入端口相连，所述第二函数发生器(5)的同步信号输出端与锁相放大器(10)的同步信号输入端口相连，所述加法器电路(6)的输出端口与光源电流控制器(8)的输入端口连接，所述光源电流控制器(8)和光源温度控制器(7)与激光光源(3)连接，用于控制激光光源(3)输出特定波长的调制光束；
所述数据采集模块包括跨阻抗前置放大器(9)、锁相放大器(10)和计算机(11)，所述跨阻抗前置放大器(9)的两个信号输入端分别与Ф型石英音叉(1)的两个电极输出端相连接，且跨阻抗前置放大器(9)的其中一个信号输入端与Ф型石英音叉(1)的电极输出端相连接后接地，所述锁相放大器(10)的信号输入端与跨阻抗前置放大器(9)的信号输出端相连接，所述锁相放大器(10)的同步信号输入端与所述第二函数发生器(5)的同步信号输出端相连，所述锁相放大器(10)的信号输出端通过RS232串口通讯端口与计算机(11)的信号采集端口相连，以便于读取并处理信号。
5.根据权利要求4所述的基于Ф型石英音叉的痕量气体探测装置，其特征在于：所述激光光源(3)为红外激光光源或太赫兹激光光源。
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