專利名稱：石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)的氣體池。
背景技術(shù)：
光聲光譜檢測(cè)主要研究氣體中低濃度(痕量)物質(zhì)的檢測(cè)與定量。光聲光譜可以不受被測(cè)試樣的形狀及形態(tài)的限制，不需要特殊的前處理，可以保持在原始狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)定，試樣用量少。光聲光譜氣體檢測(cè)裝置主要由光源、光源控制系統(tǒng)、光聲池、聲敏兀件、放大電路、信號(hào)處理系統(tǒng)等組成。作為光聲池和聲敏元件組合的氣體池，是光聲光譜氣體檢測(cè)的敏感元件,一般采用微音器(麥克風(fēng))作聲敏檢測(cè)元件，其氣體池的尺寸大，諧振頻率低，品質(zhì)因數(shù)低?，F(xiàn)有的采用音叉氣體池一般是基于石英音叉增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，比如美國(guó)發(fā)明專利US2005/0117155A1以及US2007/7245380B2中提及一種石英增強(qiáng)光聲光譜裝置，其提供一種采用石英音叉的光聲光譜裝置來探測(cè)氣體物質(zhì)的成分或濃度。它的構(gòu)成為激光器以及光路上放置有聚焦透鏡、管狀諧振腔和石英音叉，管狀諧振腔分置于石英音叉兩邊的兩只長(zhǎng)度為2. 45_、內(nèi)直徑為O. 3 O. 5_的細(xì)管，兩只細(xì)管的管軸心均與光路同軸，聚焦透鏡的焦點(diǎn)位于石英音叉的音叉切口處。這種裝置使用聚焦透鏡會(huì)聚，因此其光路的光束直徑較大，為使光完全進(jìn)入諧振腔，需要透鏡距離石英音叉遠(yuǎn)，這樣不利于小型化且沿程損失大，諧振腔的長(zhǎng)度只能定為聲波的半波長(zhǎng)。其存在的問題是靈敏度低、不易集成體積大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是，解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高靈敏度、體積小、易集成的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，包括第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡、第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡、第一諧振管、第二諧振管、石英音叉、雙V型槽固定座和基座；雙V型槽固定座、第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡固定安裝在基座上；第一諧振管、第二諧振管和石英音叉固定在雙V型槽固定座上；第一諧振管、第二諧振管對(duì)稱安裝在石英音叉兩側(cè)；石英音叉位于第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡的束腰位置；第一諧振管、第二諧振管的軸心與第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡的軸線同軸；從第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡發(fā)出的光路穿過第二諧振管、石英音叉叉指間隙和第一諧振管后到達(dá)第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡。在所述石英音叉上方裝有Pt溫度傳感器，用于測(cè)量石英音叉附近的環(huán)境溫度。所述第一諧振管和第二諧振管在靠近c(diǎn)-lens準(zhǔn)直透鏡的一側(cè)設(shè)置緩沖區(qū)。所述緩沖區(qū)的長(zhǎng)度等于諧振管的長(zhǎng)度，緩沖區(qū)的截面面積為諧振管截面積的 50-100 倍。所述第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡和第二 c_lens準(zhǔn)直透鏡的準(zhǔn)直工作距離為20_30mm，光斑直徑為O. 5 O. 8mm,束腰直徑100 220 μ m。所述石英音叉在常壓下的品質(zhì)因數(shù)大于10000，半高全峰寬3 5Hz。所述諧振管與石英音叉相鄰的表面間距為30 50 μ m。所述第一諧振管和第二諧振管采用316不銹鋼。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是I.本發(fā)明的氣體池中采用c-lens準(zhǔn)直透鏡，使光束能全部通過諧振管和石英音叉，避免了光束入射時(shí)的損耗，提高氣體池的靈敏度。同時(shí)，c-lens準(zhǔn)直透鏡的采用使光 源與氣體池之間不需要準(zhǔn)直聚焦，減小了體積。2.本發(fā)明根據(jù)微小光學(xué)無源對(duì)準(zhǔn)方法，采用雙V型槽對(duì)諧振管進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)，使氣體池與光聲光譜氣體檢測(cè)系統(tǒng)裝配時(shí)易于集成。3.本發(fā)明在石英音叉上方裝有Pt溫度傳感器，用于測(cè)量石英音叉附近的環(huán)境溫度，據(jù)此用于補(bǔ)償溫度引起的波長(zhǎng)漂移，提高了測(cè)量的精度。4.本發(fā)明在諧振管在靠近c(diǎn)-lens準(zhǔn)直透鏡的一側(cè)設(shè)置緩沖區(qū)，同時(shí)對(duì)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度、截面尺寸進(jìn)行優(yōu)選，有效抑制了光學(xué)噪聲以及氣體流動(dòng)而引起的噪聲。5.本發(fā)明中的石英音叉采用高品質(zhì)因數(shù)、窄帶寬的石英晶體，能提高光聲譜氣體池的靈敏度。6.本發(fā)明中的諧振管采用316不銹鋼，抗腐蝕能力強(qiáng)、且熱傳導(dǎo)系數(shù)高、內(nèi)表面電化學(xué)拋光，減小氣體吸附效應(yīng)。


圖I為本發(fā)明氣體池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的三維示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖I所示，為本發(fā)明石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池的結(jié)構(gòu)示意圖。石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，包括第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4、第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I、第一諧振管3、第二諧振管2、石英音叉7、雙V型槽固定座8和基座9。雙V型槽固定座8、第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I固定安裝在基座9上；第一諧振管3、第二諧振管2和石英音叉7固定在雙V型槽固定座8上；第一諧振管3、第二諧振管2對(duì)稱安裝在石英音叉7兩側(cè)；石英音叉7位于第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I的束腰位置。兩個(gè)諧振管軸心與兩個(gè)準(zhǔn)直透鏡軸線同軸，從第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I發(fā)出的光路穿過第二諧振管2、石英音叉7叉指間隙和第一諧振管3后到達(dá)第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4。在第一諧振管3靠近第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4的一側(cè)以及第二諧振管2靠近第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I的一側(cè)設(shè)置緩沖區(qū)，用于抑制光學(xué)噪聲以及氣體流動(dòng)而引起的噪聲。本發(fā)明中，緩沖區(qū)的長(zhǎng)度等于諧振管的長(zhǎng)度，緩沖區(qū)的截面面積為諧振管截面積的50-100倍。本發(fā)明的第一諧振管3、第二諧振管2為完全相同的圓管，內(nèi)徑O. 5 O. 8mm，長(zhǎng)度4. 9 5. 1mm。在本實(shí)施例中，第一諧振管3和第二諧振管2的內(nèi)徑O. 5mm,長(zhǎng)度5. Imm ;緩沖區(qū)的長(zhǎng)度5. 1mm,緩沖區(qū)的截面尺寸80mm2。第一諧振管3和第二諧振管2的材料優(yōu)選316不銹鋼；雙V型槽固定座8優(yōu)選416磁性不銹鋼加工；石英音叉7優(yōu)選高品質(zhì)因數(shù)圓柱形石英晶體，本實(shí)施例中采用R38-32. 768kHz石英晶體，去除外殼后安裝。雙V型槽固定座8放置于基座9的居中位置，V型槽中心軸線與放置第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I的中心對(duì)齊。第一諧振管3和第二諧振管2放置于雙V形槽上，將石英音叉7放置于V型槽固定座8上的圓孔內(nèi)，通過設(shè)計(jì)尺寸公差保證石英音叉7的切口與第一諧振管3和第二諧振管2中心軸線對(duì)齊，切口上端伸出諧振管軸線距離為O. 7mm，第一諧振管3和第二諧振管2與石英音叉7的間距分別為30 μ m,第一諧振管3和第二諧振管2中心軸線與石英音叉7表面垂直后通過雙組份光學(xué)膠固定。本發(fā)明的c-lens準(zhǔn)直透鏡光斑直徑O. 5mm,束腰直徑200 μ m,工作距離30mm，鍍金 套管，插入損耗小于O. 4dB。光束經(jīng)第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡4后，沿第一諧振管3的縱向軸線穿過充滿氣體的緩沖區(qū)射向諧振管，束腰位置為石英音叉切口中心，繼而穿過第二諧振管，通過第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡I后射出。通過光功率光差射出功率來進(jìn)行準(zhǔn)直透鏡的有源對(duì)準(zhǔn)，調(diào)整好準(zhǔn)直透鏡的位置后采用光學(xué)環(huán)氧膠固定密封。在石英音叉7上方安裝Pt溫度傳感器6以對(duì)溫度對(duì)波長(zhǎng)漂移帶來的影響進(jìn)行補(bǔ)償。石英音叉7與pt溫度傳感器6的與外圍檢測(cè)電路相連。各部件裝配完畢后，將底座9的上蓋采用激光平行縫焊焊接，封閉形成光聲譜氣體池。采用光聲光譜裝置測(cè)量氣體，把待測(cè)氣體通過進(jìn)氣入口管5引入到光聲譜氣體池內(nèi)，通過氣體出口管10排出，在光聲池內(nèi)形成流動(dòng)氣體,調(diào)制光束通過第一 C-Iens準(zhǔn)直透鏡4入射到光聲池內(nèi)，輻射樣氣，氣體吸收調(diào)制光后，引起基態(tài)向激發(fā)態(tài)的躍遷，而后通過分子碰撞，從激發(fā)態(tài)通過無輻射躍遷生成熱，產(chǎn)生壓力波，即聲波，聲波在諧振管內(nèi)增強(qiáng)信號(hào)，通過高品質(zhì)因數(shù)的石英音叉7將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，與外圍放大電路連接。通過外部連接泵與閥門，可以控制光聲池內(nèi)的壓力，同時(shí)氣體池內(nèi)形成流動(dòng)氣體，排除池內(nèi)廢氣，保障氣體純度，減小氣體的吸附，提高了測(cè)量的精度與準(zhǔn)確度。通過測(cè)聲器內(nèi)置的Pt溫度傳感器6與氣體出口管10外接壓力表，可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的壓力展寬及波長(zhǎng)漂移進(jìn)行修正。本石英增強(qiáng)型光聲譜氣體池，具有體積小、靈敏度高、低背景噪聲、能檢測(cè)多組分氣體等優(yōu)點(diǎn)，適用于環(huán)境氣體的光聲光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在干包括第一C-Iens準(zhǔn)直透鏡(4)、第二c-lens準(zhǔn)直透鏡(I)、第一諧振管(3)、第二諧振管(2)、石英音叉(7)、雙V型槽固定座(8)和基座(9);雙V型槽固定座(8)、第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡(4)和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡(I)固定安裝在基座(9)上；第一諧振管(3)、第二諧振管(2)和石英音叉(7)固定在雙V型槽固定座(8)上；第一諧振管(3)、第二諧振管(2)對(duì)稱安裝在石英音叉(7)兩側(cè)；石英音叉(7)位于第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡⑷和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡⑴的束腰位置；第一諧振管(3)、第二諧振管(2)的軸心與第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡(4)和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡(I)的軸線同軸；從第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡(I)發(fā)出的光路穿過第二諧振管(2)、石英音叉(7)叉指間隙和第一諧振管(3)后到達(dá)第一 c-lens準(zhǔn)直透鏡(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于在所述石英音叉(7)上方裝有Pt溫度傳感器出)，用于測(cè)量石英音叉(7)附近的環(huán)境溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述第一諧振管(3)和第二諧振管(2)在靠近c(diǎn)-lens準(zhǔn)直透鏡的ー側(cè)設(shè)置緩沖區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述緩沖區(qū)的長(zhǎng)度等于諧振管的長(zhǎng)度，緩沖區(qū)的截面面積為諧振管截面積的50-100倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述第一c-lens準(zhǔn)直透鏡⑷和第二 c-lens準(zhǔn)直透鏡(I)的準(zhǔn)直工作距離為20-30mm，光斑直徑為O. 5 O.8mm,束腰直徑100 220 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述石英音叉(7)在常壓下的品質(zhì)因數(shù)大于10000，半高全峰寬3 5Hz。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述諧振管與石英音叉(7)的表面間距為30 50μηι。
8.根據(jù)權(quán)利要求I的石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，其特征在于所述第一諧振管(3)和第二諧振管(2)采用316不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種石英音叉增強(qiáng)型光聲譜氣體池，包括第一c-lens準(zhǔn)直透鏡(4)、第二c-lens準(zhǔn)直透鏡(1)、第一諧振管(3)、第二諧振管(2)、石英音叉(7)、雙V型槽固定座(8)和基座(9)，從第二c-lens準(zhǔn)直透鏡(1)發(fā)出的光路穿過第二諧振管(2)、石英音叉(7)叉指間隙和第一諧振管(3)后到達(dá)第一c-lens準(zhǔn)直透鏡(4)。本發(fā)明的氣體池中采用c-lens準(zhǔn)直透鏡，使光束能全部通過諧振管和石英音叉，避免了光束入射時(shí)的損耗，提高了氣體池的靈敏度。同時(shí)，采用c-lens準(zhǔn)直透鏡使光源與氣體池之間不需要準(zhǔn)直聚焦，減小了光聲光譜氣體檢測(cè)裝置的體積。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102680402SQ20111036204
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者周建發(fā) 申請(qǐng)人:北京遙測(cè)技術(shù)研究所