單管共軸光聲光譜測聲器及采用該測聲器的氣體探測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氣體傳感技術，具體為一種單管共軸光聲光譜測聲器及采用該測聲器 的氣體探測裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，光聲光譜技術作為一種新型光譜探測技術以其零吸收背景，高探測靈敏 度，探測器件沒有波長選擇性等優點被廣泛運用于工業控制、農業生產、航空航天檢測等各 個行業。當一束被調制的激光穿過待測樣品時，若光源的發射波長與樣品的吸收線波長相 吻合時，激光能量就會被樣品吸收。吸收了光能量的樣品分子被激發到激發態，然后由于激 發態的不穩定性會產生碰撞退激發而引起樣品周圍的氣體溫度局部升高和降低，進而產生 壓力波向四周傳遞，此壓力波即為聲波。通過聲波換能器探測聲波壓力而轉化為電信號就 能反演出吸收氣體的濃度。
[0003] 傳統的常用光聲光譜聲波換能器為高靈敏度寬帶麥克風，它的缺點是麥克風過寬 的響應帶寬使得環境噪聲容易被帶入到探測系統中。2002年美國RICE大學的FRANK教授研 究小組發展了一種新型石英增強光聲光譜探測技術（QEPAS)，該技術采用一個商用的~ 32kHz音叉式石英晶振來代替傳統的寬帶麥克風來充當聲波換能器。圖9為音叉式石英晶振 的正視圖，音叉式石英晶振具有兩個振臂，音叉式石英晶振在受到外部激勵后，振臂沿圖中 箭頭所指方向往復振動，為描述方便將音叉式石英晶振的振臂上與振動方向垂直的面稱為 內外振動面(兩振臂相對的兩面為內振動面，相背的兩面為外振動面）；與振動方向平行的 面(即紙面上所看到的面以及背后的面)稱作音叉式石英晶振的振臂側面;兩個振臂之間的 間隙稱為振臂間隙，如圖9所示的振臂間隙方向向上。
[0004] 音叉式石英晶振的工作原理是壓電效應，當該音叉式石英晶振的兩支振臂受到聲 波的推動時音叉式石英晶振輸出電流，然后用前置放大器將電流提取出來，再通過信號后 處理反演出所需的氣體濃度信號。這種音叉式石英晶振有三個優點：第一，它只在固定的頻 率~32 kHz附近有響應，對其它頻段的聲音的響應非常微弱，這造就了基于音叉式石英晶振 的傳感器有很高的環境噪聲免疫能力;第二，它擁有極高的Q值，高Q值在光聲光譜技術中意 味著更高的信號峰值;第三，音叉式石英晶振只有在對稱振動模式(音叉的兩只振臂向相反 的方向做往復運動）下才能產生電流，因此這更進一步減小了來自音叉外部的噪聲聲波干 擾。為了進一步提高單個音叉式石英晶振探測靈敏度，人們通常加入聲學諧振腔。目前國際 上流行的音叉式石英晶振和聲學諧振腔傳感組件配置有兩種方式：一、共軸配置（on-beam)，在音叉式石英晶振的兩個內外振動面分別安裝一支不銹鋼毛細管作為聲學諧振腔， 聲學諧振腔軸與音叉振臂側面垂直，以此來積累聲波，并使聲學諧振腔與音叉共振耦合，從 而提高傳感器的探測靈敏度。共軸配置的QEPAS傳感組件的優點是，相比于無諧振腔的單個 音叉能顯著地提高靈敏度達30倍，缺點是光束必須從振臂側面的兩個諧振腔和音叉的兩振 臂間隙（通常小于〇.4mm)依次通過，這樣增加了對光束質量的要求，加大了準直難度，光束 質量很差的光源很難用在共軸配置的QEPAS傳感組件中；二、離軸配置(off-beam)，在音叉 式石英晶振的振臂側面一側放置一根側面開口的不銹鋼毛細管作為聲學諧振腔，聲學諧振 腔軸與音叉振臂側面平行，并讓音叉振臂間隙緊貼住聲學諧振腔的開口處，以此來使音叉 和聲學諧振腔相互耦合來提高探測靈敏度。離軸配置的QEPAS傳感組件的優點是光束不需 穿過音叉振臂間隙，只需要穿過聲學諧振腔即可，降低了傳感組件對于光束質量的要求，缺 點是聲波耦合效率低，探測靈敏度相比于共軸配置大打折扣。
[0005]目前在石英增強光聲光譜中國際上大多采用的是鐘表中所用的標準型音叉式石 英晶振，該標準音叉的共振頻率為~32kHz，其振臂間隙大約為0.3 mm。這0.3 mm的振臂間隙 極大地限制了這種音叉式石英增強光聲光譜中的應用，比如當激勵光源為光束質量較差的 LED光源以及波長大于30 μπι的THz光源。因為在這種情況下很難將具有很大發散角的光束 準直并通過音叉的0.3 mm的振臂間隙而不接觸音叉，這就會產生很強的背景噪聲，從而限 制傳感器的探測靈敏度。最近國際上有研究人員采用定制的大型音叉式石英晶振作為光譜 測聲器用于石英增強光聲光譜中，該定制大音叉的共振頻率約為7.2 KHz，振臂間隙大約為 0.8 _，這種大音叉從根本上解決了光束質量較差的情況下，激光光束準直的問題。和基于 標準音叉的石英增強光聲光譜一樣，為了提高探測靈敏度，聲學諧振腔被配置到大音叉上， 通過大音叉和聲學諧振腔的聲波有效耦合來增強信號。當傳統的共軸配置聲學腔添加到大 音叉上時，在最優的長度下，石英增強光聲光譜測聲器探測信噪比提高40倍了，但是此時兩 個共軸聲學諧振腔的總長度達到了46 mm，遠遠大于基于標準音叉共軸光譜測聲器中兩個 聲學諧振腔的總長度8.8 mm。這是由于每個聲學諧振腔的長度近似等于半個聲波長，而定 制的音叉尺寸較大，共振頻率較低，這樣只有波長長的聲波才響應，從而使聲學諧振腔長度 也變長。事實上，如此長的聲學諧振腔削弱了大音叉的0.8 mm振臂間隙所帶來的易于光學 準直的優勢。
[0006] 因此在使用大音叉作為石英增強光聲光譜的聲波換能器時，如何配置聲學諧振 腔，提高音叉和聲學諧振腔之間的聲波耦合效率，縮短聲學諧振腔的長度成了必須要解決 的技術問題。
【發明內容】
[0007] 本發明為解決目前石英增強光聲光譜中使用大音叉作為測聲器時，聲學諧振腔與 大音叉之間聲波耦合效率較低的問題，提供一種單管共軸光聲光譜測聲器及采用該測聲器 的氣體探測裝置。
[0008] 本發明所述的單管共軸光聲光譜測聲器是采用以下技術方案實現的：一種單管共 軸光聲光譜測聲器，包括單管共軸石英增強光聲光譜傳感組件;所述單管共軸石英增強光 聲光譜傳感組件包括一個音叉式石英晶振以及與音叉式石英晶振相配的一個由不銹鋼毛 細管制成的聲學諧振腔;所述聲學諧振腔垂直于音叉式石英晶振的振臂側面且聲學諧振腔 被稱為腰部的中間部分位于音叉式石英晶振的振臂間隙內；所述聲學諧振腔在位于音叉式 石英晶振的振臂間隙內且與兩個振臂的內振動面相對應的腰部側壁上開有一對左右對稱 并均與聲學諧振腔內部連通的方孔，方孔的寬度小于音叉式石英晶振的振臂厚度。
[0009] 聲學諧振腔是石英增強光聲光譜中的重要組件，它可以使石英音叉光聲光譜測聲 器的探測靈敏度大大提高。在傳統的共軸石英增強光聲光譜測聲器配置中，一根由不銹鋼 毛細管組成的聲學諧振腔被切成兩段，音叉式石英晶振被裝配在兩聲學諧振腔之間，緊靠 諧振腔放置。這種配置下，兩個聲學諧振腔裝配在音叉式石英晶振兩側起到限制聲波的作 用，以此促使聲波推動音叉式石英晶振的兩臂振動。然而在這種被切成兩段并在中間插入 了音叉的λ/2聲學諧振腔中無法形成很強的聲學駐波。一般地，傳統的共軸配置的石英增強 光聲光譜測聲器中聲學諧振腔的最優總長度L應該在半個波長λ/2與一個波長λ之間，其中λ 表不聲波的波長。
[0010] 本發明所述的單管共軸石英增強光聲光譜測聲器中，由一根完整的長度約為λ/2 的不銹鋼毛細管被用作聲學諧振腔，并將這個聲學諧振腔插入到一個共振頻率為7.2 KHz， 振臂間隙為0.8 mm的音叉式石英晶振的振臂間隙，如圖1、2所示。振臂間隙0.8_，比起以前 傳統音叉的〇. 1-0.4mm振臂間隙，足夠插入一根完整的內徑為0.5-0.8mm的聲學諧振腔。在 聲學諧振腔的腰部對應音叉式石英晶振振臂的位置，兩側各開一條長度約為〇. 2-0.3 mm， 寬度約為〇. 09 mm的狹縫，在光聲效應中通過狹縫溢出的聲波來推動音叉的振臂振動。在這 種情況下，該單管共軸聲學諧振腔中的駐波模式更接近于一維聲學諧振腔中的一次駐波， 使