本发明专利技术涉及一种用于光声光谱探测的钳式晶振及采用该钳式晶振的气体探测装置，所述钳式晶振包括晶振基底及振臂，所述晶振基底的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂，相邻所述振臂之间开设有第一空隙，所述振臂的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙组合形成圆形空隙。还涉及一种气体探测装置，其包括上述所述的用于光声光谱探测的钳式晶振。本发明专利技术的该钳式晶振具有全新设计的结构和形状，经过几何参数设计，使其具备35.6kHz的低频谐振频率，适合于光声光谱探测。基于钳式晶振的光声光谱探测装置具有采样体积小、响应速度快等特点，通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光声光谱的探测能力。测能力。测能力。
【技术实现步骤摘要】
用于光声光谱探测的钳式晶振及其气体探测装置
[0001]本专利技术涉及气体传感技术，具体涉及一种用于光声光谱探测的钳式晶振及采用该钳式晶振的气体探测装置。
技术介绍
[0002]微量气体检测技术已广泛用于许多领域，包括工业过程控制，医学诊断，环境监测等。传统的检测技术，譬如气相色谱/质谱和电化学的非光学技术具有成本高，结构复杂和反应速度慢等技术缺陷。光学传感技术具有灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点近年来得以广泛研究。在众多的光学传感技术中，光声光谱技术由于不需要使用光电探测器，而具有独特优势。光声光谱的原理是基于光声效应，目标气体吸收调制光辐射后，由于局部压力和温度的变化而产生声波。使用诸如麦克风或悬臂梁等声换能器将声信号转换为电信号。光声光谱的优点是结构紧凑，和直接吸收光谱、波长调制光谱、腔增强光谱等相比，其最大优点是光声效应的强弱不依赖于光学吸收路径的长度。因此光声光谱仪器的体积可以微型化和模块化。另外一个优点是光声光谱的探测部分是探测声波信号，而不探测光学信号，因此光声光谱仪器无需采用光电探测器。光声光谱的探测部分，不受其激发部分光学波长的限制。一个声波换能器可以用于探测被深紫外激光器和中红外激光器所产生的声波信号。这一优点使光声光谱技术应用范围更加广泛，并降低了基于光声光谱技术的仪器的成本。
[0003]作为光声光谱技术的一种变体，近年来石英增强光声光谱(QEPAS)技术发展迅速，并且已经被用于航空航天、工业过程控制，医疗诊断等多个领域。石英增强光声光谱技术的原理是使用音叉式石英晶振作为声换能器，通过压电效应来积聚声能。使用音叉式石英晶振代替传统的光声电池，减少了声谐振条件的局限性。商业上可用的音叉式石英晶振在一个大气压下具有32.7kHz的谐振频率和104的高Q因子。石英增强光声光谱技术的突出特点是结构紧凑，成本低，抗噪声能力强。石英增强光声光谱技术的高抗噪性可归因于音叉式石英晶振的高品质因数所造成的窄的谐振响应带宽。为了进一步增强石英增强光声光谱的信号，声微谐振器被配置在晶振周围形成声学谐振。由薄不锈钢管制成的声微谐振器与钳式石英晶振声学耦合，以限制声波并形成谐振，来增强石英增强光声光谱技术的信号强度。通过使用石英增强光声光谱技术传感器，意大利巴里理工大学Spagnolo教授实现了六氟化硫SF6的10
‑
12
cm
‑1水平检测。
[0004]公开资料显示，目前使用音叉式石英晶振作为声波换能器，其形状和音乐中所使用的音叉乐器类似。音叉式石英晶振的整体形状呈U型，两只叉臂平行配置，振臂间隙大约为200
‑
300 μm左右。由于在石英增强光声光谱技术中，石英晶体形状都设计成音叉形状，音叉的两个振臂平行配置，导致其音叉振臂间隙过于狭窄，导致该技术对激励光源的光束质量具备较高要求。
[0005]气体分子的基频吸收带一般在中红外波段，在中红外波段的气体探测可以获得比近红外更好的探测灵敏度，目前能产生该激光的光源主要为量子级联激光器，OPO参量振荡器等。由于受其工作原理和内部结构限制，该类型激光器的光束质量较差，同时受衍射极限
影响，中红外光束整形比近红外和可见光存在更多技术困难。在石英增强光声光谱中，光束对音叉振臂间隙的任何触碰或辐射，都将产生极大的背景噪声，从而影响探测灵敏度。特别是在使用波长较长的中红外光源或者相干性较差的非相干光源作为激励光源时，由于受到光源光束质量的影响，光束无法“清洁”通过音叉式石英晶振的振臂间隙，导致了石英增强光声光谱技术的探测灵敏度急剧下降。激发光束的准直问题是目前传统音叉晶振在光声光谱技术中面临的重要问题。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种用于光声光谱探测的钳式晶振及其气体探测装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
[0007]本专利技术的技术方案为一种用于光声光谱探测的钳式晶振，其包括：所述钳式晶振包括晶振基底及振臂，所述晶振基底的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂，相邻所述振臂之间开设有第一空隙，所述振臂的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙组合形成圆形空隙。
[0008]进一步，所述钳式晶振的厚度尺寸为0.25至0.35mm。
[0009]进一步，所述圆形空隙的直径为第一尺寸，所述第一空隙的宽度为第二尺寸，所述第一尺寸及第二尺寸比例为0.5：0.1至0.9：0.5。
[0010]进一步，所述振臂的顶端到晶振基底顶端之间的距离为第三尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底底端之间的第四尺寸,所述为第三尺寸及第四尺寸的比例为3.4：5.8至3.8：6.2。
[0011]进一步，所述圆形空隙的圆心到晶振基底顶端之间的距离为第五尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底顶端之间的距离为第三尺寸，所述第五尺寸及第三尺寸的比例为2.9：3.4至3.3： 3.8。
[0012]进一步，所述第一空隙的宽度为第二尺寸，所述振臂的顶端到晶振基底底端之间的距离为第四尺寸,所述第二尺寸及第四尺寸的比例为0.1：5.8至0.5：6.2。
[0013]进一步，所述钳式晶振包括石英。
[0014]一种气体探测装置，其包括上述所述的用于光声光谱探测的钳式晶振。
[0015]进一步，函数发生器；与所述函数发生器的调制信号输出端连接的加法器；与所述加法器的信号输出端连接的激光驱动器；由所述激光驱动器驱动的激光器；设置在所述激光器的射出光路的透镜组；设置在所述透镜组出射光路的钳式晶振；与所述钳式晶振的引脚连接的前置放大器；与所述前置放大器的输出端连接的锁相放大器，所述锁相放大器与所述函数发生器的同步信号输出端连接。
[0016]进一步，具有数据采集卡的计算机设备，所述数据采集卡分别与所述锁相放大器的输出端及所述函数发生器的输入端连接。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018]1、声学波前形状振臂设计，振臂间隙结构完美契合柱状声波波前，和传统非声波波前形状振臂相比，能够更高效收集声波，极大提高声电换能效率。
[0019]2、该钳式晶振的振臂呈“钳”形，振臂间设计有特有的圆形间隙空间，将振臂间隙提高5 倍，可以有利于激发光束的准直。
[0020]3、该钳式晶振具有全新设计的结构和形状，经过几何参数设计，使其具备几十kHz的低频谐振频率，同时具备104以上的Q值，比传统声学谐振腔的Q值高2个数量级，适合于光声光谱探测。
[0021]4、基于钳式晶振的光声光谱探测装置具有采样体积小、响应速度快等特点，通过变换激光器波长，可以实现其它多种气体探测，能够有效提高光声光谱的探测能力。
附图说明
[0022]图1是根据本专利技术实施例的钳式晶振三维立体模型图。
[0023]图2是根据本专利技术实施例的钳式晶振三维侧视模型图。
[0024]图3是根据本专利技术实施例的钳式石英晶振的平面图。
[0025]图4是根据本专利技术实施例的COMSOL软件模拟的钳式晶振的振动模态图。
[0026]图5是根据本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于光声光谱探测的钳式晶振(10)，其特征在于，包括：所述钳式晶振(10)包括晶振基底(11)及振臂(12)，所述晶振基底(11)的两侧顶部向上延伸分别设置所述振臂(12)，相邻所述振臂(12)之间开设有第一空隙(13)，所述振臂(12)的内侧开设有圆弧缺口，一对所述圆弧缺口及部分所述第一空隙(13)组合形成圆形空隙(14)。2.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的钳式晶振(10)，其特征在于，所述钳式晶振(10)的厚度尺寸为0.25至0.35mm。3.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的钳式晶振(10)，其特征在于，所述圆形空隙(14)的直径为第一尺寸(D)，所述第一空隙(13)的宽度为第二尺寸(G)，所述第一尺寸(D)及第二尺寸(G)比例为0.5：0.1至0.9：0.5。4.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的钳式晶振(10)，其特征在于，所述振臂(12)的顶端到晶振基底(11)顶端之间的距离为第三尺寸(I)，所述振臂(12)的顶端到晶振基底(11)底端之间的第四尺寸(L),所述为第三尺寸(I)及第四尺寸(L)的比例为3.4：5.8至3.8：6.2。5.根据权利要求1所述的用于光声光谱探测的钳式晶振(10)，其特征在于，所述圆形空隙(14)的圆心到晶振基底(11)顶端之间的距离为第五尺寸(H)，所述振臂(12)的顶端到晶振基底(11)顶端之间的距离为第三尺寸(I)，所述第五尺寸(...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑华丹，吴潜，林灏杨，朱文国，钟永春，余健辉，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：
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