提供了一种光声示踪气体检测器（１００），用于检测气体混合物中示踪气体的浓度。检测器（１００）包括：光源（１０１），用于产生光束；以及光调制器（１０３），用于将光束调制为一系列光脉冲，以便在气体混合物中产生声波。将光调制器（１０３）设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对光束进行调制。光学腔（１０４ａ，１０４ｂ）包含气体混合物，并放大光脉冲的光强度。换能器（１０９）用于将声波转换为电信号。反馈回路（１１０，１１１）具有光检测器（１１０），用于测量光脉冲的光强度，调整光学腔（１０４ａ，１０４ｂ）中光强度的振幅。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种光声示踪气体检测器，用于检测示踪气体在气体混合 物中的浓度，光声示踪气体检测器包括光源，用于产生光束；光调制器， 用于将光束调制为一系列光脉冲，以便在气体混合物中产生声波，声波的 振幅是浓度的测量值；光学腔，用于包含气体混合物，并用于光脉冲的光 强度放大；换能器，用于将声波转换为电信号；以及反馈回路，用于在光 学腔中调整光脉冲的光强度放大，该反馈回路包括光电检测器，用于测量 光脉冲的光强度。
技术介绍
从Rossi等人发表在Applied Physics Letters中的文章Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity中了解了这种检测器。在此所述的检测器发送 断续的激光束(chopped laser beam)穿过包含在声学室中的气体。激光束 是通过旋转的圆盘截断器(chopper)而变得断续，圆盘截断器周期性地中 断光束。调谐激光波长以便将气体的特定分子激发到更高的能级。这个激 发导致了热能的增加，结果产生声学室内的温度和压力的局部上升。如果 这个截断频率与声学室的共振频率相匹配，则压力变化就导致声学驻波。 由声学室中的麦克风检测该声波。这种声学室的共振频率通常在几kHz数 量级。在Rossi等人的检测器中，使用了 2.6kHz的截断频率。Rossi等人还说明了通过将激光波长锁定为腔长度，而使用Fabry-Perot 腔来放大声学室中的光强度。该放大是非常有利的，因为检测器的灵敏度 与激光功率成正比。从放置在Fabry-Perot腔后面的光电二极管获得反馈信 号。传输穿过该腔的强度用于反馈激光波长。其缺点是，当截断器阻塞激 光束且使传输的强度为0时，就不存在反馈信号。因此，在这些时间段内 不能为激光提供腔反馈，当受到扰动时，腔会变得无法锁定。结果就是损失光功率并伴随着光声信号强度的降低。由Rossi等人提出的解决方案使用 了具有大时间常数的信号解调，以便在多个时间段上对所产生的反馈信号 进行平均。结果，使得腔锁定机制很慢。光声示踪气体检测器的一个重要应用是呼吸测试。呼吸测试是医学技 术的有前途的领域。呼吸测试是非侵入性的、用户友好且低成本的。呼吸 测试主要的实例是哮喘的监测、酒精呼吸测试和胃病检测及急性器官排异 反应。最初的临床试验显示了在呼吸和肺癌的预筛选中可能的应用。这些 不稳定的生物标志在每十亿(ppb)范围的部分中具有典型的浓度。氧化氮 (NO)是人呼吸中最重要的示踪气体之一，会在哮喘病患者中发现NO的 浓度升高。当前，基于化学发光或光学吸收光谱法，采用昂贵且笨重的设 备，仅能够测量ppb浓度的呼出的NO程度。紧凑的、手持的且低成本的 NO传感器构成了一种令人感兴趣的设备，其能够用于诊断并监测气道炎 症，并能够在医生办公室中使用，以及用于在家庭中的医疗控制。对于这些手持气体分析设备来说，将足够高的灵敏度(ppb等级)与高 鲁棒性相结合是有挑战性的。当前的光声示踪气体检测器的缺点是小形状 因子的激光器(即二极管激光器)不具有足够的激光功率以达到示踪气体 检测所需的灵敏度。使用如由Rossi等人所述的光学功率增强腔会增大光学 功率，但会导致较慢的反馈。如上所述，当结合光声学使用光学增强腔时， 由截断器间断地开启和关闭反馈信号。因此，腔锁定机制变得非常慢，这 导致产生了对于便携式应用不够鲁棒的系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种按照开头段落的具有快速反馈回路的光声示 踪气体检测器。根据本专利技术的第一方面，通过提供按照开头段落的光声示踪气体检测 器来实现这个目的，其中，将光调制器设置为在非零的较低强度级与较高 强度级之间调制光束。因为光强度没有下降到0，所以提供了不中断的反馈信号。以这个方式， 可以实现快速且更稳定的反馈锁定环，并可以实现检测器的便携式应用。在优选实施例中，检测器还包括用于调整较低强度级的高度的装置。用于调整的所述装置允许用户或自动化系统相对于经过光声调制的信 号，调整反馈回路的反馈信号强度。当需要强反馈信号时，将较多的光强 度用于反馈回路。在更稳定的条件下，可以将较多的光强度用于提供气体 流动室中的压力变化，较少的光强度用于反馈信号，导致了示踪气体检测 器精度的提高。用于调整的所述装置例如可以包括具有可调透明度的滤光 器。在优选实施例中，将光调制器设置为调制具有第一偏振的光，而不调 制具有第二偏振的光，并且反馈回路包括用于仅将具有第二偏振的光提供给光检测器的装置。在该实施例中，可以连续地获得具有第二偏振的光，以用作反馈信号， 同时调制具有第一偏振的光，来在气体流动室中引起预期的压力变化。这 个实施例的优点是反馈信号相对稳定，且不受提供光脉冲所需的光强度跃 迁的影响。优选地，光声示踪气体检测器还包括偏振旋转器，其放置在光源与光 调制器之间，用于能够改变具有第一偏振的光的强度与具有第二偏振的光 的强度之间的比率。通过旋转激光的偏振，可以改变具有第一和第二偏振的光的强度的比 率。这允许用户或自动化系统相对于经过光声调制的信号，调整用于反馈 回路的反馈信号。在优选实施例中，换能器是晶体振荡器。晶体振荡器比在上述现有技 术系统中所用的麦克风灵敏得多。因此，获得了更灵敏的光声示踪气体检 测器。作为额外的优点，晶体振荡器的高灵敏度使得声学室的使用变得并 非是必不可少的，从而简化了检测器的结构。在进一步的实施例中，晶体振荡器是石英音叉。石英音叉具有高精度。 而且，石英音叉不很贵，因为在大规模使用它们，例如，在数字钟表的制 造中。下文中将参考实施例来阐明本专利技术的这些及其它方面，并由此变得显 而易见。附图说明在附图中图la示意性地显示了根据本专利技术的光声示踪气体检测器的一个实施例，图lb示意性地显示了根据本专利技术的光声示踪气体检测器的另一实施例，图2a显示了根据现有技术的调制光的光强度的时间依赖性，图2b显示了根据本专利技术的一个实施例的调制光的光强度的时间依赖性，图3显示了两个截断器，其被设置为与根据本专利技术的示踪气体检测器 一起使用，图4显示了根据本专利技术另一实施例的调制光的光强度的时间依赖性，图5显示了根据本专利技术的一个实施例的调制光的波长依赖性，图6显示了根据包括基于偏振的调制器的本专利技术实施例的调制光的光强度的两个时间依赖性，并且图7显示了根据包括基于偏振的调制器的本专利技术实施例，具有两个不同偏振的调制光的光强度的时间依赖性。具体实施例方式图la显示了根据本专利技术的典型光声示踪气体检测器100。光源101提 供了连续波激光束，并且例如由截断器(chopper) 103、快门或声光调制器 调制为在特定截断频率上的一系列光脉冲。可替换地，光源101自身 可以以固定频率提供光脉冲。将光脉冲发射到光学腔中，它由两个半透明 镜104a和104b定义。将光隔离器102可任选地设置在光源101与输入镜 104a之间，以减小从腔镜104a到光源101的光反射。光脉冲通过输入镜104a 进入到光学腔中，并在这两个腔镜104a与104b之间反射许多次。如果在 这两个镜104a与104b之间的距离与激光的波长发生共振，就出现驻波本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光声示踪气体检测器（１００），用于检测气体混合物中示踪气体的浓度，所述光声示踪气体检测器（１００）包括： －光源（１０１），用于产生光束， －光调制器（１０３），用于将所述光束调制为一系列光脉冲，以便在所述气体混合物中产生声波，所述声波的振幅是所述浓度的测量值， －光学腔（１０４ａ，１０４ｂ），用于包含所述气体混合物，并用于放大所述光脉冲的光强度， －换能器（１０９），用于将所述声波转换为电信号，以及 －反馈回路（１１０，１１１），用于对所述光学腔（１０４ａ，１０４ｂ）中的所述光脉冲的光强度的所述放大进行调整，所述反馈回路（１１０，１１１）包括光检测器（１１０），用于测量所述光脉冲的光强度，特征在于： －将所述光调制器（１０３）设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对所述光束进行调制。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】EP 2006-8-31 06119854.51、一种光声示踪气体检测器(100)，用于检测气体混合物中示踪气体的浓度，所述光声示踪气体检测器(100)包括-光源(101)，用于产生光束，-光调制器(103)，用于将所述光束调制为一系列光脉冲，以便在所述气体混合物中产生声波，所述声波的振幅是所述浓度的测量值，-光学腔(104a，104b)，用于包含所述气体混合物，并用于放大所述光脉冲的光强度，-换能器(109)，用于将所述声波转换为电信号，以及-反馈回路(110，111)，用于对所述光学腔(104a，104b)中的所述光脉冲的光强度的所述放大进行调整，所述反馈回路(110，111)包括光检测器(110)，用于测量所述光脉冲的光强度，特征在于-将所述光调制器(103)设置为在非零的较低强度级与较高强度级之间对所述光束进行调制。2、如权利要求1所述的光声示踪气体检测器(100)，还包括用于调整 所述较低强度级的高度的装置。3、如权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：J卡尔克曼，MMJW范赫佩恩，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]
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