音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究
基于石英音叉晶振的实验教学设计研究
基于石英音叉晶振的实验教学设计研究李劲松【摘要】探讨了将科研研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究,为有效推进高校教学改革提出一种新的研究途径.集学、机械和电子学及软件算法一体化,内容难度适中,知识面广阔,能够丰富教学内容和提高教学质量,激发学生学习兴趣,更好地培养学生的动手能力、思维能力和科学创新能力.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2017(030)001【总页数】4页(P43-46)【关键词】课程设计;教学和科研;教学改革【作者】李劲松【作者单位】安徽大学,安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】O4-332015年5月4日国务院办公厅再次发布《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，该《意见》提出自2015年起全面深化高校创新创业教育改革，争取2017年取得重要进展，形成科学先进、广泛认同、具有中国特色的创新创业教育理念，形成一批可复制可推广的制度成果，普及创新创业教育，实现新一轮大学生创业引领计划预期目标。
实验教育课程作为一种全新的教学方式，具有强烈的实践性、生活性和研究探索性，对深化高校教育改革，培养新世纪复合型创新人才具有重要的意义[1,2]。
因而，在各类高校被广泛的重视和大力推广，且该类课程在各学科培养方案中的比重逐步在提高。
为此，本文以光声光谱为理论背景，开展了将科研项目研究内容与大学物理学专业中实践教育课程教学内容相结合的实验教学设计研究。
光声光谱(Photoacoustic or Optoacoustic Spectroscopy)是以美国著名科学家A.G.Bell于1880年发现的光声效应(Photoacoustic effect)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。
分子吸收特定波长的光子而被激发到高能态，紧接着通过非辐射驰豫(碰撞驰豫)过程将光能转化为热能。
样品中局域的温度变化引起压力的变化。
石英音叉扫频及性能测试教学科研系统
第39卷第1期2021年1月吉林大学学报（信息科学版）Vol.39No.1 Journal of Jilin University(Information Science Edition)Jan.2021文章编号：1671-5896(2021)01-0100-06石英音叉扫频及性能测试教学科研系统郑传涛，刘洋，闫格，胡立恩(吉林大学电子科学与工程学院，长春130012)摘要：为了测定石英增强光声光谱气体传感系统的谐振频率与品质因数，同时服务于《高频电子线路》中R-L-C 选频电路的教学需求，促进教学与科研的充分融合，设计并实现了一种石英音叉扫频及性能测试系统。
首先分析了石英音叉的R-L-C电学模型，采用Matlab软件对模型做了仿真分析。
研制了跨阻放大电路，用于放大正弦激励或外加声场作用下的石英音叉输出信号。
利用锁相放大器、跨阻放大器、信号发生器、LabVIEW信号平台，建立了石英音叉扫频及性能测试系统。
利用给定的石英音叉及该测试系统，在真空封装及去除外壳两种情况下，分别测试了石英音叉的等效电学参数、谐振频率、品质因数等性能。
该系统既融合了R-L-C选频电路的基本知识，又拓展了基于石英音叉的科研应用案例。
实际应用表明，石英音叉扫频及性能测试系统满足R-L-C 选频电路的实验教学需求以及石英增强光声光谱技术的科研需要，取得了较好的教学与科研应用效果。
关键词：实验教学系统；R-L-C电路；石英音叉；石英增强光声光谱技术；LabVIEW平台中图分类号：TP37；G434文献标识码：ATeaching and Research System for Frequency Sweep andPerformance Test of Quartz Tuning ForkZHENG Chuantao,LIU Yang,YAN Ge,HU Lien(College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun130012,China)Abstract:In order to measure the resonant frequency and the quality factor of quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy gas sensing system,to serve the teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit in the ourse of"high frequency electronic circuit",to and promote the full integration of teaching and scientific research,a frequency sweep and performance test experimental system for quartz tuning fork is designed and implemented.The principle of R-L-C electrical model of quartz tuning fork is firstly analyzed,and the model is simulated by Matlab.In order to amplify the output signal of a quartz tuning fork under sinusoidal excitation or external sound field,a transimpedance amplifier circuit is designed.The frequency sweep and performance test system of quartz tuning fork is established by using a lock-in amplifier,a trans resistance amplifier,a signal generator and a LabVIEW signal ing the given quartz tuning fork,the equivalent circuit model parameters,resonant frequency and quality factor are tested under vacuum packaging and shell removal.This system integrates the basic knowledge of R-L-C frequency selection circuit and expands the scientific research application cases based on quartz tuning fork.The practical application shows that the system can meet the experimental teaching requirements of R-L-C frequency selection circuit and scientific research needs of quartz enhanced photoacoustic spectroscopy technology,and has achieved good teaching and research application results.收稿日期：2020-08-09基金项目：吉林大学“十三•五”本科生规划教材基金资助项目；吉林大学青年教师教学能力提升基金资助项目(2019XYB390)；吉林大学本科“创新示范课程”建设基金资助项目；吉林大学在线课程基金资助项目作者简介：郑传涛(1982-),男，河南商丘人，吉林大学教授，博士生导师，主要从事电子科学与技术专业本科生与研究生理论与实验教学工作及红外激光光谱学与应用领域科研工作研究，(Tel)86-137********(E-mail)*********************.cn。
QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究
QEPAS系统中石英音叉模态仿真计算与研究程刚;曹渊;刘锟;曹亚南;田兴;陈家金;杨刚;高晓明【摘要】对石英音叉增强型光声光谱(QEPAS)系统中常用的石英音叉进行了有限元模态计算,获得石英音叉前6阶振型与模态频率,认知了第4阶对称摆动振型为有效振动,利用单因素法分析了石英音叉的音臂长度l1、音臂宽度w1、音臂厚度t、音臂切角θ、音臂圆孔直径d及音臂圆孔高度h对低阶有效共振频率(Fre)的影响,敏感度依次为:l1>w1>d>θ>t>h,考虑实际设计情形,筛选出了l1,w1,d与h四个石英音叉设计变量,采用Box-Behnken实验设计方案与RSM(response surface methodology)方法,以Fre为函数目标,建立l1,w1,d与h的二次回归响应面模型,得到了参数之间的交互作用,利用Design-Expert软件对响应面模型进行设计参数反求,结果表明,在15000 Hz≤Fre≤25000 Hz计算区域内误差较小,基本满足QEPAS系统的计算需求,所提出的研究与设计方法具有一定通用性,可为QEPAS系统中石英音叉结构参数设计提供参考.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2019(039)001【总页数】8页(P31-38)【关键词】光声光谱;石英音叉;模态;实验设计;响应面法【作者】程刚;曹渊;刘锟;曹亚南;田兴;陈家金;杨刚;高晓明【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室 ,安徽淮南 232001;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所 ,安徽合肥230031;中国科学技术大学 ,安徽合肥 230031【正文语种】中文【中图分类】Q433.1引言痕量气体的探测在工业生产、环境监测、生物医学等领域有着广泛的应用。
音叉频率对共振现象的影响实验研究
音叉频率对共振现象的影响实验研究引言：共振现象是物理学中一个非常重要的现象，它发生在许多领域中，如机械、声学和电磁学等。
共振可以被描述为一个物体在受到特定频率的激励时发生的振动增强现象。
这个现象的发生与激励频率和物体固有频率之间的关系密切相关。
而音叉则是一个常用的实验工具，用于研究振动和共振现象。
本文将探讨音叉频率对共振现象的影响。
实验设备：本实验将使用一个音叉、一个放大器和一个音叉支架。
音叉支架的作用是将音叉稳定地固定在特定位置，确保实验的准确性。
实验步骤：在实验之前，首先需要调整放大器的音量和增益，以确保测量结果的准确性。
接下来，将音叉插入音叉支架中，并固定在一个特定的位置。
1. 音叉频率和固有频率相等首先，我们将调整放大器的频率，使其与音叉的固有频率相等。
固有频率是指音叉在没有外界激励下自然振动的频率。
我们可以通过观察音叉的振动情况来确认频率是否相等。
如果频率相等，我们将看到音叉发出明显的振动，并且声音变得非常响亮。
这是因为激励频率和固有频率相等时，共振现象发生，音叉的振动会被增强。
2. 音叉频率小于固有频率接下来，我们将改变放大器的频率，使其小于音叉的固有频率。
当频率小于固有频率时，我们会发现音叉的振动幅度减小，并且声音变得较为微弱。
这是因为现在共振现象没有发生，音叉无法获得足够的能量来增强振动。
3. 音叉频率大于固有频率最后，我们将进一步改变放大器的频率，使其大于音叉的固有频率。
当频率大于固有频率时，我们会发现音叉的振动幅度再次增大，并且声音变得更加响亮。
这是因为虽然频率差异较大，但共振现象仍然能够发生，从而增强音叉的振动。
实验结果分析：通过上述实验，我们可以得出结论：音叉频率对共振现象有着明显的影响。
当激励频率等于音叉的固有频率时，共振现象发生，音叉的振动被增强。
而当激励频率与固有频率相差较大时，共振现象无法发生，音叉的振动减弱。
结论及应用：共振现象在实际生活中有着广泛的应用。
例如，在音乐中，乐器的共鸣腔体是通过与特定频率的声波共振来产生富有共鸣质感的声音。
基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展
基于石英增强光声光谱的痕量气体传感技术研究进展佟瑶;马欲飞【摘要】石英增强光声光谱技术(QEPAS)作为一种高灵敏度的间接吸收光谱技术,目前已成为痕量气体检测领域的研究热点.本综述文章介绍了近几年具有代表性的QEPAS技术方案,从提高激光功率、增强声耦合效率以及传感器的实际应用三个角度,对比了新型结构的探测性能,分析了各结构的优势.最后,对本文中提到的QEPAS 结构进行了总结,并对QEPAS技术未来的发展进行了展望.【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(032)002【总页数】8页(P34-41)【关键词】石英增强光声光谱;痕量气体检测;激光器;石英音叉【作者】佟瑶;马欲飞【作者单位】哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室 ,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN2490 引言目前，痕量气体检测技术在环境监测、工业过程控制分析、火灾预警等多个领域具有广泛的应用.痕量气体检测技术分为光谱学法和非光谱学法，其中基于激光吸收光谱的光谱学检测技术具有以下优点：响应速度快，响应时间在毫秒量级；探测精度高，可达到ppbv(part per billion by volume)量级；选择性强，可实时监测等，因而成为痕量气体探测领域的重要手段[1].光声光谱技术是基于光声效应的一种间接吸收光谱技术，光声效应于1880年由Bell发现并提出[2].光声效应是指当气体吸收激光辐射后跃迁至高能级，受激分子通过无辐射跃迁至低能级，将吸收的光能转化为热能，分子间产生局部的温度变化和压力变化.如果光是周期性调制的，那么产生的温度和压力的变化也是周期性的，压力的频率与激光调制频率相同，通常在声频，即产生了声波.光声光谱技术中的信号强度如.(1)式中α为吸收系数，Q为光声池的品质因数，P为激光功率，f0为谐振频率.从式(1)可以看出，光声信号与光声池的共振频率呈反比，因此可以通过采用共振频率较低的光声池来提高信号值，但如果光声池的共振频率过低，便对电子元器件1/f 噪声、环境噪声以及气流产生的噪声更加敏感，最终导致系统的信噪比较低[3].另外，光声信号和激光功率成正比，传感器探测极限可通过使用高功率激光源提高.光声光谱技术中的声波探测元件为麦克风，其Q值在40-200，共振频率为1-4 kHz.虽然麦克风的共振频率较低，但其品质因数低、体积大的特点限制了光声光谱传感器的性能和实际应用[4-6].针对麦克风的缺点以及光声光谱技术在应用上的限制，美国Rice大学的Tittel教授课题组于2002年提出了石英增强光声光谱技术(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy， QEPAS)[7].QEPAS技术采用敏锐的声换能器-石英音叉进行探测.石英音叉是由压电材料石英制成的四极振子，通常被用来作为时钟、手表以及电路中的频率基准[8-10]，且具有损耗低、体积小、成本低的优点，消除了光声光谱技术中麦克风带来的限制.石英音叉在真空下的Q值约为100000，常压下约为10000，常见的共振频率为32.768 kHz.根据积分时间公式t=Q/f0计算出常压下的积分时间为320 ms.由于t值较大，因此QEPAS传感器系统信号强度较大.另外，石英音叉对环境噪声具有很好的免疫性[11-16]，只有在响应频带内的频率分量才能有效激发石英音叉振动，而在常压下，石英音叉的响应频带宽度小于4 Hz.另外，外部声源产生的声波会对石英音叉的两个叉股分别施加相同方向的力，而音叉叉股只有向相反方向摆动时才会产生有效信号，因此，QEPAS传感器对环境噪声不敏感.由于QEPAS技术具有高选择性和高灵敏度、低成本、结构紧凑和动态响应范围大的优点，因此被广泛地应用在众多领域[17-35]，其中包括：(1)大气监测；(2)化学分析；(3)生物诊断；(4)痕量气体检测，随着气体检测需求的不断产生，不同结构的QEPAS传感器应运而生.图1 基于石英音叉的QEPAS系统图常见的基于石英音叉的QEPAS系统如图1所示.激光源多采用蝶形封装的半导体激光器，激光器的输出波长根据气体分子的目标吸收谱线进行选择，通常遵循以下三个原则：(1)具有较强的激发强度；(2)与其他背景气体谱线相分离，即无干扰项；(3)适合波长的激光光源的可获得性[36].激光波长由高频的正弦波和低频的锯齿波叠加共同调制，通过给激光器输入变化的驱动电流，使激光在目标吸收线附近的波段内进行扫描.气体分子吸收对应波长的激光能量发生光声效应，产生的声波可等效为力“推动”石英音叉叉股向相反方向摆动，跨阻抗放大器(TA)将压电效应产生的微弱电流信号(pA-nA量级)放大为电压信号，并将其传递至锁相放大器，最终解调为谐波分量信号.由于偶次谐波在吸收峰处有最大值，且随着谐波次数的增加，吸收峰处的信号值减小，因此在QEPAS技术中通常使用二次谐波进行气体浓度的反演.本文总结了近几年具有代表性的QEPAS痕量气体传感技术，主要分三个方面：(1)优化光源输出功率，提高系统信号强度；(2)优化声波探测模块，提高声波探测元件间的耦合效率；(3)从应用角度出发，结合新技术，实现痕量气体分布式测量和传感器的小型化.最后总结了QEPAS技术的发展现状并对此进行展望.1 基于高功率激发源的QEPAS传感器系统由公式(1)可知，光声光谱信号与激光源输出功率呈正比，这是因为当激发源功率提高时，可增大分子抽运速率，使得激发态的分子数增多，因而增大了通过热弛豫释放的热量，提高了声波信号强度.因此可以通过采用高功率激光器实现QEPAS传感器性能的提升.1.1 基于高功率量子级联激光器的QEPAS传感系统量子级联激光器是1994年由美国Bell实验室研制成功的，它是一种基于子带间电子跃迁的新型单极光源，电子被注入到发生激光跃迁的有源层顶部，之后纵向光的发生清空了较低的激光能级，同时电子通过遂穿进入下一层.循环此过程便在有源层内周期性地形成一系列薄层，即多个量子阱构成的超晶格结构[37].量子级联激光器的输出波长仅与有源区量子阱的厚度有关，现有的量子级联激光器的输出波长覆盖了3.4-17 μm[38].2013年，美国Rice大学的马欲飞等人使用美国西北大学研制的输出波长为4.61 μm的高功率连续波分布反馈式量子级联激光器作为QEPAS传感器的光源[39].激光器输出特性如图2所示，在工作温度为10 ℃，工作电流为1250 mA时，激光器的输出功率为987 mW.使用共振频率为32.768 kHz的石英音叉，对位于2169.2 cm-1处的一氧化碳(CO)R分支的R(6)吸收谱线进行了探测，向目标气体中添加水汽加快分子的弛豫速率后，实现了1.5 ppb量级的探测极限.图2 高功率连续波分布反馈式量子级联激光器输出特性[20]1.2 基于掺铒光纤放大器的QEPAS传感系统在QEPAS技术中，蝶形封装或者TO封装的单纵模分布反馈式半导体激光器因为体积小、成本低的特点常被作为光源，然而这样的激光器输出功率较低(<50 mW)，限制了传感器的性能.光纤放大器作为一种全光放大器件，在光纤的纤芯中掺杂稀土离子可以起到使泵浦光放大的作用，具有高增益、宽带宽、低噪声的优点.常用的光纤放大器是掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA).当有合适的种子激光注入时，掺铒光纤放大器可以实现30 dB的增益放大[40,41].文献[40]中，使用EDFA将激光功率由80.6 mW放大为1402 mW，实验装置如图3(a)所示，以位于6320.6 cm-1处的硫化氢(H2S)为目标，在1个标准大气压以及1 s的积分时间内，实现的最小探测极限为734 ppb，归一化噪声等效吸收系数为9.8×10-9 cm-1W·Hz1/2，将积分时间提升至67 s时，系统的最小探测极限改进至142 ppb.该实验还测试了不同功率下的信号峰值并进行拟合，结果如图3(b)所示，得到的线性拟合系数为0.999，表征着采用光纤放大器的QEPAS传感器浓度线性响应度良好.图3 基于EDFA的QEPAS传感器装置图与浓度线性响应度测试结果[40]1.3 本节小结本节介绍了通过提高输出功率进而提升系统的探测极限，其中包括采用高功率量子级联激光器以及采用光纤放大器对半导体激光输出功率进行放大，表1总结并对比了两个系统的参数与性能.量子级联激光器由于其结构复杂、生长层次繁多、成本高等特性，限制了它的可获得性.掺铒光纤放大器具有高增益、低噪声、偏振无关等优点，但在使用掺铒光纤放大器时应注意非线性效应和光浪涌等问题.归一化噪声等效吸收系数表征了传感器的探测性能，其值越小，系统的探测性能越好.对比本节提到的两个系统可以看出，使用高功率量子级联激光器和掺铒光纤放大器均可以获得优异的探测性能.表1 高功率激光源的QEPAS系统参数与性能对比表[39-41]目标探测气体输出功率/mW最小探测极限/ppbv归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·Hz1/2文献[39]CO9871.51.6× 10-8文献[40]H2S14021429.8×10-9文献[41]NH31000418.43.83×10-8注：ppbv:part per billion by volume,10-9.2 声耦合增强型QEPAS传感器系统为了进一步增强声波信号强度，可在石英音叉两端外加微共振腔，让声波在微共振腔的作用下形成驻波，使微弱的光声信号得到增强.信号增强的幅度与微共振腔的尺寸和放置的位置有关，到目前为止，常见的微共振腔形式有两种，一种为“共轴”形式，另一种为“离轴”形式.为了避免产生光热效应，标准的调节方法是将激光光束完全无遮挡的通过共振腔和音叉叉股.图4 共轴式QEPAS系统结构示意图与声波强度分布模拟图[42]2.1 共轴式QEPAS探测系统在“共轴”式QEPAS系统中，微共振腔由两个不锈钢细管组成，分别放置在石英音叉的两端，激光束穿过这两个细管和音叉的叉股，共轴式微共振腔耦合声波探测模块结构如图4(a)所示.2010年，美国Rice大学的董磊研究了不同尺寸共振管耦合下的QEPAS系统，研究显示共振管长度为λs/4<L<λs/2时(λs为声波波长)[42-44]，微共振腔的信号增强效果较好，声波信号分布如图4(b)所示.通过耦合不同尺寸的金属管，得到了增强效果最好时的共振管尺寸参数，即长度为4.4 mm，内径为0.6 mm，外径为0.71 mm，音叉与共振管端面的距离为30-50 μm.相比于裸石英音叉，添加共振管后信号最大增强30倍.同时，石英音叉与共振腔的耦合使声波探测模块的品质因数减小，响应时间缩短了8-10倍.由于共轴式QEPAS具有较好的信号增强效果，很多研究均采用共轴式共振管增强的方式[7,23,36,45-51].2.2 离轴式QEPAS探测系统尽管共轴式的结构对信号增强效果较好，但仍然存在以下缺点：(1)共振腔由两个共振管组成，因此调节装配较为困难；(2)石英音叉叉股的间隙通常为300 μm，限制了共振管的内径，进而限制了射入共振腔的激光能量.针对上述的限制，刘锟提出了离轴式声波微共振腔[52].在离轴式QEPAS结构中，微共振腔仅由一个不锈钢细管组成，在细管的中间位置加工出设有宽度为0.15±0.02 mm的细槽(如图5(a)所示)，用来出射声波，方便音叉进行探测.在尝试了如图5(b)、5(c)和5(d)三种摆放位置后，发现图5(b)的增强效果最佳，即音叉的叉股间隙对准共振管的细槽平行放置时，该结构的增强效果分别是裸音叉的15.7倍和共轴式QEPAS的4.5倍，以水汽为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为5.9×10-9 cm-1W·Hz1/2.注：(a)离轴式音叉和共振腔示意图；(b)-(d)离轴式结构音叉与共振管的空间位置示意图图5 离轴QEPAS示意图[52]2.3 单管共轴式QEPAS探测系统声波在共振腔中形成驻波，共振腔的总长应为λs/2，但由于音叉位于共振腔的中心，音叉与共振腔间的间隙改变了驻波的模式，因此在传统的双管共轴QEPAS系统中，共振管的最佳长度L为λs/4<L<λs/2.减少音叉和共振管之间的间隙，有助于提高QEPAS信号强度，因此可以采用单共振管代替传统共轴式的双共振管.在单管共轴式QEPAS系统中，在金属管两侧加工出一段小孔，声波通过小孔泄露出来，推动音叉叉股进行摆动.由于常见的标准音叉叉股间隙只有300 μm，不利于单共振管的加工和装配，因此采用定制的大间隙石英音叉，对这种单管共轴式QEPAS系统的信号增强效果进行测试[53]，图6(a)为共振管与音叉的位置示意图，图6(b)和6(c)分别为传统双管共轴与单管共轴的声学耦合驻波强度模拟示意图.单管共轴QEPAS结构具有较高的耦合效率，这种结构相比于裸音叉提高了两个数量级，且这种方法相比于传统的共轴式更易进行激光准直.以CO2气体为探测目标，获得的归一化噪声等效吸收系数为1.21×10-8 cm-1W·Hz1/2.注：(a)单管共轴QEPAS声波探测模块示意图;(b)传统共轴声波强度分布模拟图;(c)单管共轴声波强度分布模拟图图6 单管共轴式QEPAS声波探测系统示意图[53]图7 基于两个音叉的M-QEPAS探测模块示意图[54]2.4 基于多音叉的QEPAS传感系统基于多音叉的QEPAS传感系统(Multi-QEPAS，简称M-QEPAS)中，声波将同时由N个音叉探测，单个石英音叉产生的电流信号叠加后的有效信号为原来的N倍，噪声为原来的N倍，因此信噪比提升为原来的N1/2倍.2015年，哈尔滨工业大学的马欲飞等人报道了基于双音叉的M-QEPSAS传感系统[54]，两个共振频率为32.76 kHz的石英音叉垂直反向放置，装置如图7所示，以水汽为目标气体，测得的信号与单个石英音叉相比信号提升了1.7倍.该方法验证了多音叉对系统信噪比的提升效果，后续可以通过增加音叉的数量实现信号的进一步提高.2.5 本节小结本节总结了通过增强声波耦合效率对系统探测能力进行提高的四种结构，其中包括三种微共振腔增强型以及一种多音叉增强型QEPAS传感系统.表2对这四种结构的探测性能进行了对比总结.可以看出采用低共振频率石英音叉的单管共轴型QEPAS系统共振管长度较大，调节光路时比较困难，共振管容易遮挡光束能量，导致系统噪声水平提高.离轴结构在光路调节时比较容易，光束几乎可以无遮挡的通过共振管，但离轴型的声波耦合增强水平较差.综合来看，传统双管共轴型的QEPAS系统的增强效果最好.表2 四个结构的参数与性能对比表[42，52-54]目标探测分子外径/mm内径/mm 管长/mm信噪比归一化噪声等效吸收系数/cm-1W·H1/2Z共轴型C2H20.710.64.427503.3×10-9离轴型H2O0.70.458187005.9×10-9单管共轴型CO20.90.65385541.21×10-8双音叉型H2O------8805.95×10-83 实用化QEPAS传感系统3.1 基于光纤倏逝波的QEPAS传感器传统的QEPAS技术只能进行单点的浓度探测，很难实现远距离多点的分布式测量.光纤倏逝波是指光源发出的光在纤芯中传播时，在纤芯和包层交界处发生全反射，但有部分激光能量渗透到包层中、且以指数衰减的能量场称为倏逝波.将光纤锥置于石英音叉的叉股之间，气体分子吸收倏逝场的能量并产生声波，得到基于光纤倏逝波的QEPAS技术[55]，由于光纤倏逝波的功率随着光纤直径的减小而增大，因此光纤的拉锥处的直径需要足够小(<2 μm)才能获得较强的倏逝波场.采用熔融拉锥法对单模光纤进行多级拉锥，光源发出的激光经过3 km长的单模光纤，将拉锥处放于石英音叉的叉股之间进行探测.三个光纤锥的直径分别为1.67、1.77、1.12 μm，各光纤锥的参数如表3所示.光纤倏逝波的QEPAS技术具有抗电磁干扰、低插入损耗和光学易对准的优点，另外可以通过减少光纤锥的直径进一步提高传感器的探测性能.表3 三个光纤锥的特性参数[55]光纤锥光纤锥直径/μm倏逝波场功率/mW 探测极限/ppmv归一化噪声等效吸收系/cm-1W·Hz1/211.6749.8303.55×10-621.7728.52513.52×10-631.1276.87133.66×10-6注：ppmv:part per million by volume,10-6.3.2 3D打印的QEPAS传感器图8 3D打印模块设计图与实物图[56]实际应用中，传感器应该具有体积小和重量轻的特点，然而，传统QEPAS技术使用了很多光学透镜用来进行激光束的准直和传输，这导致了QEPAS传感器结构不稳定且系统体积较大[56].2018年，哈尔滨工业大学马欲飞等人利用3D打印技术制造了一个体积为29×15×8 mm3的声波探测模块，采用直径为1.8 mm的光纤耦合输出的梯度折射率透镜(Grin透镜)进行激光的聚焦[57].在这个传感器系统中，光纤、Grin透镜、石英音叉、声耦合器都集成在3D打印的声波探测模块中(26,27)，3D打印技术中QEPAS传感器的设计图与加工实物图如图8所示，声波探测模块的质量仅为5 g.3.3 本节小结本节从传感器的实际应用角度出发，介绍了两种新型的QEPAS 传感系统.表4总结了光纤倏逝波QEPAS传感技术和基于3D打印技术的QEPAS传感技术的探测性能，可以看出基于3D打印技术的QEPAS传感系统不仅具有质量轻和体积小的优势，还具有非常灵敏的探测性能.而光纤倏逝波型QEPAS传感技术则可以实现远距离分布式气体浓度测量.表4 实用化QEPAS传感系统参数与性能对比表[55,57]目标探测气体最小探测极限归一化噪声等效吸收系数/ cm-1W·Hz1/2探测距离光纤倏逝波型C2H213 ppmv3.66 × 10-63 km3D打印传感器HCN29 ppbv1.08 × 10-8点测量4 总结与展望本综述文章对近几年新提出的基于石英增强光声光谱(QEPAS)的气体传感器技术进行了讨论和总结.QEPAS技术可以通过提高激发源的功率和优化声波探测结构实现传感器性能的提升.因此，在中红外波段采用量子级联激光器实现激光功率的提高；而在近红外波段，采用掺杂稀土元素的光纤放大器实现功率的放大.优化声波探测系统结构主要集中在添加声波共振管及多音叉结构两个方向，根据声波共振管的数量以及与音叉的放置位置不同分为双管共轴型、单管共轴型以及离轴型.其中双管共轴型QEPAS应用最为广泛，且当共振管长度为λs/4< L<λs/2时，声波增强效果最好.多音叉结构理论上可将信噪比放大为单音叉结构的N1/2倍.光纤倏逝波QEPAS技术实现了痕量气体的远距离分布式探测，且具有低插入损耗，光学易对准的优点.从气体传感器的实用性角度出发，基于3D打印技术的QEPAS传感具有质量轻、体积小、功耗低的优势.以上这些改进方法让基于QEPAS技术的痕量气体传感器应用在更广泛的领域成为可能.后续可以采用以下方法进一步改善QEPAS传感器的探测性能：(1)优化石英音叉所在气室的压强，石英音叉的共振频率与品质因数均与压强有关，因此优化压强将会实现传感器系统信号的提升；(2)优化声波微共振腔的结构及参数；(3)从学科交叉与技术应用的角度出发，实现QEPAS 技术的实用化.参考文献【相关文献】[1] Galli I，Bartalini S，Borri S，et al.Molecular gas sensing below parts per trillion：radiocarbon-dioxide optical detection[J].Phys Rev Lett，2011，107(27)：4.[2] Bell A G.On the production and reproduction of sound by light：Thephotophone[J].Am J Sci，1880，20：305-324.[3] Vincenzo S，Cinzia D F，Angela E，et al.Photoacoustic techniques for trace gas sensing based on semiconductor laser sources[J].Sensors，2009，9(12)：9616-9628. 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外文资料翻译--应用石英音叉谐振器的智能温度传感器
毕业设计(论文)外文资料翻译学院(系)：专业：姓名：学号：外文出处:OPTICS AND PRECISIONENGINEERING附件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。
指导教师评语：签名：年月日附件1：外文资料翻译译文应用石英音叉谐振器的智能温度传感器摘要：为了实现高精密温度测量，设计了高性能数字温度传感器，该传感器由石英音叉谐振器，数字接口电路和基于现场可编程门阵列的传感器重置控制算法构成。
依据石英晶体压电效应原理，对石英音叉谐振器的热敏切型和电极设置进行了研究；基于力学振动原理，导出石英音叉谐振器弯曲振动模式的微分方程；讨论了谐振式温度传感器的工作原理，提取出石英音叉温度传感器的特征参数并进行了非线性误差分析；采用光刻和侵蚀技术加工制作了石英音叉谐振器。
该传感器的频率输出信号通过数字接口进入现场可编程门阵列，通过重置控制算法实现传感器的重置和现场自动校验。
实验结果表明．在-20～140℃，该传感器的灵敏度可达65×10-6／℃，测温分辨率为0．001℃，响应时间为1S。
测温精度为0．01℃。
关键词：智能传感器；温度传感器；石英音又谐振器；数字设计1 引言随着科学技术的飞速发展，已经出台的高性能和低功耗系统，以满足市场的不断需求。
高精度温度测量的要求越来越高。
压电谐振器已被广泛使用，不仅为计时设备，同时也为温度测量传感器。
预测其温度频率特性以及其电气端子的阻抗为他们设计的首要重要性。
石英的各向异性，以及使用不同类型的振动控制，如温度，质量，压力，加速度，湿度等这些参数，为人们研究提供了可能性。
许多先前的研究已得到解决。
如散装声波（广管局宽）作为温度传感器的发展。
这些传感器主要是基于厚度剪切模式谐振器或音叉谐振器。
北汽的传感器体积小，重量轻，可靠，稳定，灵敏。
共振温度传感器的关键部分是振荡器的结构。
振荡器当外界电压变化不会使其频率改变。
此外，其品质因数超过104，因此外部电路的温度测量精度没有受到影响。
石英增强光声光谱技术研究进展
石英增强光声光谱技术研究进展马欲飞;佟瑶;何应;张立功;于欣【摘要】石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术,具有体积小、灵敏度高等优点,是痕量气体检测技术的研究热点.本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述,并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍,最后对该技术的发展前景进行了展望.%Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy( QEPAS) is a new technique for gas detec-tion. It is revealed that QEPAS holds merits in many aspects, including small volume and high sen-sitivity. Therefore, it has become the hot researching topic of trace gas detection technique. This pa-per introduces the QEPAS technique principle and the structures of several different QEPAS sys-tems. Furthermore, the development prospect of this kind technique is also predicted.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)007【总页数】10页(P839-848)【关键词】石英增强光声光谱;痕量气体检测;激光器;石英音叉【作者】马欲飞;佟瑶;何应;张立功;于欣【作者单位】可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001;可调谐激光技术国家级重点实验室哈尔滨工业大学, 黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN249近年来，大气环境污染、全球气候变暖以及工业生产过程中危险气体的产生等问题日益引起人们的关注。
一种磁性薄膜／石英音叉复合磁传感器研究
ｑａｔ ｔｎｎ ｒ ｅ ｌ ｔｅｐｏｌ ｆｏ ａ ｅｉ ｍａｎ ｔ —ｌ ｔｃｌ ｎｔ ｎｍ ｇｅｉ ｓｎｏ． ｈ ｔ ｉ ｕｒ ｉ ｆｋ ｔ ｓｔｅ ｈ ｒｂｅ ｏ ｗ Ｑｖｌ ｇｅ ｃｅ ｃ ｍｉ ｉ ａ ｔ ｅｓｒＴ ｅｓ ｔ ｚ ｕ ｇｏ ｏ ｔ ｍ ｌ ｕ ｎ ｉ ｅ ｒ ａ ａｏ ｉ ｎ ｃ ａｃ ｍ ｇｅ ｃｆ ｌ ｉ ｄｔ ｔｄｔｒｕｈｍ ａｕ ｎ ｅｃ ａｇ ｆｅｏ ａｔｒｑ ｅｃ ｒ ａ ｅＴ ｅｃｍｐｕ ｄｐ ｓｉ ａｎｔ ｅ ｅｅ ｅ ｏｇ ｅｓｒ ｇｔ ｈｎ ｅｏ ｓｎｎ ｆ ｕ ｎｙｏ ｖｌ ． ｈ ｏ ｏｎ ｏｉｏ ｉｉ ｄｓ ｃ ｈ ｉ ｈ ｒ ｅ Ｑ ｕ ｔｎ
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音叉式石英晶振共振频率对QEPAS传感器性能影响的研究李彪; 董磊; 武红鹏【期刊名称】《《光谱学与光谱分析》》【年(卷),期】2019(039)010【总页数】5页(P3056-3060)【关键词】石英增强光声光谱; 石英音叉; 光学气体传感器; 痕量气体检测【作者】李彪; 董磊; 武红鹏【作者单位】山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室山西太原 030006; 极端光学协同创新中心山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】O433.1引言痕量气体检测在大气监测、国防科研、能源化工、医疗诊断多个领域均有广泛的应用。
研发分子识别精度高、响应时间短、探测灵敏度高、结构紧凑且可连续实时监测痕量气体浓度的传感器具有十分重大的研究意义和应用价值。
光声光谱技术是众多气体检测技术中的一种，该技术以高选择性、高探测精度、长寿命以及低成本等特性成为长期以来人们研究的热点。
光声光谱技术是一种成熟的气态物质检测技术[1-3]，传统光声光谱传感器中的测声模块由光声池和麦克风构成。
然而光声池较大的几何尺寸使传统光声光谱传感器无法实现结构紧凑的设计；此外光声池共振频率一般较低(f0<2 kHz)且与环境噪声频率存在重叠区间，这使得传统光声光谱极易受到环境噪声的干扰[4]。
为解决上述问题，美国莱斯大学激光应用研究小组于2002年提出了石英增强光声光谱(QEPAS)技术[5]，该技术使用体积小巧的音叉式石英晶振(QTF)代替光声池和宽频域麦克风完成光声信号的收集。
由于商用QTF 的共振频率(f0=32.768 kHz)远高于常见环境噪声频率并且当两振臂对称性振动时QTF才能基于石英材料的压电特性产生压电信号因此商用QTF的使用使QEPAS 系统对环境噪声具有很好的免疫力。
此外，微型谐振腔以及谐波调制解调技术的使用进一步提高了基于QEPAS技术的系统探测灵敏度，例如QEPAS技术对CH3OH气体的探测归一化噪声等效吸收系数可达10-11 cm-1·W·Hz-1/2。
QEPAS技术不仅拥有传统光声光谱技术的所有优点并且具有体积小、性价比高、对环境噪声免疫等特性，因此该技术一经提出便受到研究人员的广泛关注，截止目前已被成功用于CO，CO2，CH4，CH2O和NH3等常见有机或无机气体的浓度检测。
目前QEPAS系统主要以商用QTF作为声音探测模块，但以下两个因素限制了该技术的进一步发展。
气体吸收特定波段光子能量后通过无辐射退激发转化为热能并由于调制激发的周期性变化进而产生了声波。
在声波的产生过程中气体的碰撞弛豫时间(气体内部能量从振动动能转换到平动动能的时间)是非常重要的一个因素，通常只有当气体弛豫时间远小于激光调制周期时光声信号才能被有效激发。
由于调制解调技术的使用，QEPAS技术中声波激励光源的调制频率将被严格要求等于QTF 共振频率或者共振频率的倍频。
因此，商用QTF较高的共振频率使得QEPAS技术无法很好的被应用于CH4和CO等低弛豫率气体分子测量。
一种可行的解决方案是设计共振频率较低的非标准QTF，相关实验研究已经证明了这一方案的可行性。
此外，由于激励光源与音叉振臂的接触会引入很大的噪声从而降低系统探测灵敏度，而商用QTF两振臂间0.3 mm的间隙使得LED和THz等光束质量较差的光源无法很好的被用于QEPAS传感器的激励光源。
为解决这一问题，一种可行的方案是设计振臂间距较宽的新型QTF，而QTF几何尺寸的改变会直接改变其共振频率。
综上所述，研究QTF共振频率与QEPAS信号之间的关系对QEPAS技术的发展应用以及新型音叉的设计制作均意义重大。
使用4只不同共振频率的QTF为研究对象，采用二次谐波调制解调技术系统的研究了QTF共振频率与QEPAS传感器信号幅值，噪声水平以及探测灵敏度之间的关系。
由于QEPAS技术没有波长选择性[6]，因此本文选择分布反馈半导体激光器为激励光源并以大气中的水汽作为目标气体开展实验研究。
1 实验部分实验装置如图1所示，QTF被固定在高度、俯仰角度以及旋转角度均可精密调节的底座上。
一个中心波长为1 368.8 nm的DFB激光器(华赢有限公司，型号：DFB-136810C1424)被装配在可对激光器温度和电流实现精密控制的电路控制单元(CEU)中。
当该激光器温度被控制在23.7 ℃时，其输出波长可覆盖H2O位于7 306.02 cm-1处的特征吸收线。
除控制激光器工作温度及驱动电流外，CEU还对激光器波长进行了调制，调制频率为QTF共振频率的一半(f0/2)。
固定于三维调节架上的光纤耦合聚焦器对激光进行汇聚准直，准直后的激光光斑直径约为100 μm。
平行光束从QTF两振臂之间无碰撞通过并与QTF振臂间气体相互作用产生光声信号。
QTF振臂在声波推动下产生对称性振动，振动的强度、频率等信息经石英材料的压电特性被转换为电信号，并经由QTF的两电极引脚被传输至前置放大器。
前置放大器放大后的压电信号被传输至锁相放大器(Stanford公司，型号：SR830)进行2f解调处理。
解调后的信号被传输至微型计算机以完成数据收集及显示。
上述过程均由微型计算机通过运行Labview程序实现自动化控制。
传统QEPAS传感器会在QTF两端对称性的装配一组微型声音谐振腔以增强QEPAS信号[6]，但微型声音谐振腔并不影响不同共振频率的QTF对单位光声信号强度的响应特性。
为简化实验装置本文仅使用裸音叉为测声模块研究QTF共振频率与基于QEPAS技术传感器性能之间的关系。
图1 实验装置图CEU：控制电路单元Fig.1 Experimental setupCEU:Control electronics unit2 结果与讨论2.1 非标准QTF性能比较为研究QTF共振频率对基于QEPAS技术的痕量气体传感器性能的影响，4个振臂长度及振臂间间距相同但共振频率不同的QTF分别被作为声学换能器装配在QEPAS传感器中。
为便于描述，我们将实验所用音叉分别命名为QTF#1—QTF#4，其几何形状及尺寸如图2和表1所示。
图2 不同共振频率石英音叉实物图从左至右分别为QTF#1—QTF#4Fig.2 The picture of the QTFs with different frequenciesQTF#1 to QTF#4 from left to right表1 不同频率石英音叉的参数Table 1 Theparameters of QTFs with different frequencies名称f/HzQR/Ω尺寸/mmQTF#130717.380631075.563×8QTF#232764.28721973.273×8QTF#337 995.48697992.353×8QTF#439990.014343230.043×8由于QTF#1—QTF#4几何尺寸及结构相同，因此上述QTF的性能差异可被认为是由音叉共振频率的不同引起。
QTF#1—QTF#4的频率响应特性首先被研究。
信号发生器对QTF任意一个引脚施加一个幅值恒定且频率随时间变化的正弦激励信号，激励信号的频率在石英音叉预期共振频率附近被扫描，与此同时QTF对该激励信号响应产生的压电信号将通过其另一引脚被同步测量。
为精确测量QTF输出的微弱压电信号，自制的跨阻抗前置放大器被使用，该放大器可对微弱压电信号实现六个数量级的放大。
不同QTF的频率响应特性曲线如图3所示。
前期工作显示QTF压电信号将在其共振频率处达到最大并且压电信号的峰值与频率响应曲线半高全宽的比值对应于QTF的品质因数Q。
因此通过分析图3所示不同QTF频率响应曲线可知，QTF#1—QTF#4的共振频率分别为30 717.3，32 764.2，37 995.4和39 990.0H z，且其品质因数Q分别为8 063，8 721，8 697，14 343。
后续实验将在不改变其他仪器的情况下分别使用上述4种QTF作为测声模块进行实验研究。
图3 常压下QTF#1—QTF#4的频率特性曲线Fig.3 The qualitative representation of the frequency response curves for different QTF实验研究显示QTF振臂不同部位对光声信号的响应程度不同[7-8]，因此光声激励位置首先被研究。
为便于描述光声信号与QTF的相对位置，如图2(b)所示的直角坐标系被建立：以石英音叉两振臂顶端中心位置作为坐标原点，沿振臂方向且指向振臂底端的方向为y轴正方向，x轴与y轴垂直。
由于光声信号是由激励光源与水汽经光声效应产生，并且声波是以激励光源所在位置为中心向四周传播，因此我们可以将激励光源位置作为声波激励位置进行研究，通过变换激励光源相对于QTF 的位置并测量与之对应QEPAS信号的大小来研究光声激励的最佳位置。
实验中，激励光源无碰触穿过QTF两振臂间间隙(x=0)，在激励光源相对音叉振臂水平位置(x方向)保持不变的情况下，分别测量了激励光源位于QTF振臂垂直方向上(y方向)不同位置处时系统输出的QEPAS信号。
为提高探测灵敏度，二次谐波调制解调技术被使用，因此对以不同QTF为测声模块的QEPAS系统，激光调制频率分别为15 358.65，16 382.1，18 997.7和19 995.0 Hz。
为消除环境中水汽浓度变化对实验结果的影响，光声探测模块外部装配有微型气室。
此外，我们搭建了基于直接吸收原理的水汽浓度测量装置对气室内水汽浓度进行实时测量，并以此对QEPAS 信号进行水汽浓度归一化处理，结果如图4所示。
由图可知，从y=0 mm开始，随着光声信号与QTF振臂有效作用面积不断增加，QEPAS系统输出的2f信号幅值快速增强；在激光光束完全进入振臂间隙(y=0.5 mm)之后，QEPAS信号幅值随y的增加趋势变缓，直至在y=0.7 mm处达到最大；随着y的进一步增加，QEPAS信号幅值开始显著下降，这是由于对下端被固定在同一基底上的两只音叉振臂而言，相同强度的声波信号在靠近基底的部位可引起的振臂位移变小，从而使QTF输出的压电信号减弱[6]。
如图4所示，实验结果显示实验所用不同共振频率QTF的最佳光声信号激励位置均为QTF振臂顶端以下y=0.7 mm的位置。
因此，下文所述实验均将激励光源固定于该位置以使QEPAS系统获得最佳的信噪比。
图4 归一化的QEPAS信号相对于激励光源位置y的变化Fig.4 Normalized QEPAS signal as a function of the laser position for different QTFs由于本实验中使用的是低功率激光器(P=19.96 mW)，因此QEPAS信号满足等式(1)所示关系式S=kPcαεQ(1)其中k是与系统相关的常量，P是激光入射光功率，c是目标气体浓度，α是吸收光谱二次谐波的峰值，ε是吸收光功率转化成声能的转化效率，Q是QTF的品质因数。