本发明专利技术提供一种光声示踪气体探测器(100)，其用于探测气体混合物
中的示踪气体的浓度。光声示踪气体探测器(100)包括光源(101)、光学
腔(104a，104b)、比率调制器件(105，111)和换能器(109)。光学腔(104a，104b)
容纳气体混合物并放大光强。当光束的波长与光学腔(104a，104b)的长度
的比率具有共振值时，提供最大的放大。比率调制器件(105，111)对比率
进行调制以将光束变换为一系列光脉冲以生成声波，声波的振幅为对示踪
气体的浓度的测量。换能器(109)将声波转换为电信号。
【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用于探测气体混合物中的示踪气体的浓度的光声示踪 气体探测器，所述光声示踪气体探测器包括光源，其用于生成光束；光 学腔，其用于容纳气体混合物以及用于放大光束的光强，当光束的波长与 光学腔的长度的比率具有共振值时，光学腔提供最大的放大；比率调制器 件，其用于调制比率；以及换能器，其用于将气体混合物中的声波转换为 电信号。
技术介绍
从Roosi等人发表于Applied Physics Letters上的文章"Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection by means of external Fabry-Perot cavity"中可以知晓这样的探测器。该文献中所述的探 测器发射穿过声学室中所容纳的气体的斩波激光束。由周期性地中断光束 的旋转盘斩波器对激光束进行斩波。调谐激光波长以激发气体的特定分子 到更高的能级。这一激发引起热能增加，引起声学室内温度和压力的局部 升高。如果斩波频率与声学室的共振频率相匹配，则压力变化引起驻声波。 由声学室中的麦克风对这些声波进行探测。典型地，这样的声学室的共振 频率为几kHz的量级。在Rossi等人的探测器中，使用2.6kHz的斩波频率。Rossi等人还描述了通过将激光波长锁定到腔长度而使用Fabry-Perot 腔以放大声学室中的光强。由于探测器的灵敏度与激光功率成比例，所以 放大是非常有利的。从置于Fabry-Perot腔后的光电二极管获取反馈信号。 为了生成反馈信号，通过将小正弦波加到电源电流上来对激光波长进行弱 调制。激光束穿过光学腔并聚焦于光电二极管上。之后，将光电二极管信 号用于激光波长的反馈，从而将激光波长锁定到腔长度。光声示踪气体探测器的重要应用为呼吸测试。呼吸测试是医学技术的 有前途的领域。呼吸测试为非侵入性的、用户友好且成本低廉的。呼吸测4试的主要示例为哮喘监测、酒精呼吸测试和胃病检测以及急性器官排斥反 应。第一临床试验示出了在乳腺癌和肺癌的预筛选中的可能应用。这些挥发性生物标记具有十亿分之几(ppb)范围的典型浓度。 一氧化氮(NO) 是人呼吸中的最重要的示踪气体之一，且在哮喘患者中可以发现NO浓度 提高。当前，仅使用基于化学发光或光学吸收光谱的昂贵且笨重的装置对 ppb浓度的呼出NO水平进行测量。小型、手持且成本低廉的NO传感器形 成有用的设备，所述设备可以用于对气道炎症进行诊断和监测，并能够用 于医生办公室中以及用于家庭药物控制。对于这些手持气体分析设备，将足够高的灵敏度(ppb水平)与具有简 单设计和高鲁棒性的小的便携设备结合具有挑战性。当前光声示踪气体探 测器具有如下缺点，即波形因子小的激光器(如二极管激光器)不具有足 够的激光功率以达到示踪气体探测所需的灵敏度。使用如Rossi等人所描述 的光学功率增强腔可以增加光学功率。但是，Rossi等人的设计在保持高鲁 棒性的情况下不容易縮减到便携尺寸。
技术实现思路
本专利技术的目的为根据开始部分的光声示踪气体探测器提供更简单的设计。根据本专利技术的第一方面，通过提供根据开始部分的光声示踪气体探测 器而实现此目的，其中，将比率调制器件配置为调制比率以将光束变换为 一系列光脉冲以生成声波，声波的振幅为对示踪气体的浓度的测量。通过调制比率，同样调制光学腔中的光强的放大。每次比率具有共振 值时，放大为最大。当比率远离共振值时，放大为最小。选择足够大的比 率调制范围以生成具有如下光强的光脉冲，即所述光强足够在气体混合物 宁生成声波。声波必须具有足够的振幅以能够从中导出示踪气体的浓度。 戶) 生成的声音的量取决于感兴趣的示踪气体的浓度。优选地，调制比率， 使得放大在最小放大和最大放大之间变化。光强的调制的振幅越高，示踪 气体探测的精确度越高。根据本专利技术的光声探测器不需要斩波器，而是使 用腔的内在特性代替斩波器来调制腔中的激发功率。这引起需要更少组件 和更少移动部件的更简单设计。优选地，将比率调制器件配置为围绕共振值调制比率。在每个调制周期期间，两次获取共振值； 一次为在增加比率时， 一次为在降低比率时。 结果，当以频率f围绕共振值调制比率时，在光学腔中生成频率为2f的光 脉冲。同样可以以频率2f生成光声信号。围绕共振值调制是有利的，腔中 的功率将较高且光声信号将较强。在优选实施例中，探测器还包括用于调整放大的反馈回路，反馈回路 包括用于测量光脉冲的光强的光电探测器，以及耦合到光电探测器和比率 调制器件的调节器件，根据测得的光强，所述调节器件调节比率平均值， 使得围绕共振值大致对称地执行调制。这一实施例，保持比率对称地围绕最优值并以固定时间间隔生成光脉 冲。结果，也可以以固定时间间隔生成气体混合物中的压力变化，从而有 助于示踪气体探测。优选地，将调节器件配置为计算测得的光强的频率分量。通过计算测 得的光强的频率分量，确定所传输的信号在调制频率f的多倍的振幅分量。 如果围绕最优值精确对称地执行调制，则可以以频率2f的固定时间间隔生 成光脉冲，且光电二极管信号将只包括调制频率f的偶数倍(2f，4f,…,2nf) ^振幅分量。如果围绕最优值不精确对称地执行调制，光电二极管信号中 ik将包括频率f的奇数倍(lf，3f,…，(2n+l) f)。当调制精确地集中于最优 比率上时，这些奇频率分量将为零。当探测奇频率分量时，调节器件调节 比率的平均值，使得围绕共振值大致对称地执行调制。可以使用奇频率信 号的相位确定反馈的方向。通过调制光束的波长或者调制光学腔的长度可以实现比率调制。调制 光学腔的长度具有如下优点，即可以更快速和更精确地完成。调制光束波 长具有如下优点，即探测器不需要任何移动部分，这对制造鲁棒的和小的 便携式探测器来说是非常有利的。在优选实施例中，换能器为晶体振荡器。晶体振荡器比用于上面提到 的现有技术系统中的麦克风更加灵敏。结果，可以获得更加灵敏的光声示 踪气体探测器。作为附加优势，晶体振荡器的高灵敏度使得不必使用声学 室，从而简化了探测器的构造。在另一实施例中，晶体振荡器为石英音叉。石英音叉具有高精确性。6努外，石英音叉不是非常昂贵，这是因为其大规模地用于例如数字手表的 制造。根据本专利技术的第二方面，提供一种方法，所述方法包括以下步骤生 成光束；将光束变换为一系列光脉冲以在气体混合物中生成声波；将声波 的振幅作为对示踪气体浓度的测量；放大容纳气体混合物的光学腔中的光; 当光束波长与光学腔长度的比率具有共振值时，光学腔提供最大放大；以 及将声波转换为电信号。变换步骤包括调制比率。通过之后描述的实施例，本专利技术的这些以及其他方面变得明显，并且 参照之后描述的实施例对其进行说明。附图说明在附图中图1示意性地示出了根据本专利技术的光声示踪气体探测器的实施例； 图2示出了光学腔中的光强与光学腔长度的相关性；图3a示出了在比率调制过程中光学腔中的光强的时间相关性，围绕最 优值对称地执行调制；图3b示出了在图3a中所示的测得的光强的频率谱；图4a示出了在比率调制过程中光学腔中的光强的时间相关性，围绕最 优值不对称地执行调制；图4b示出了在图4a中所示的测得的光强的频率谱；以及图5示出了根据本专利技术的方法的流程图。具体实本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于探测气体混合物中的示踪气体的浓度的光声示踪气体探测器（１００），所述光声示踪气体探测器（１００）包括： 光源（１０１），其用于生成光束； 光学腔（１０４ａ，１０４ｂ），其用于容纳所述气体混合物并用于放大所述光束的光强，在 所述光束的波长与所述光学腔（１０４ａ，１０４ｂ）的长度的比率具有共振值时，所述光学腔（１０４ａ，１０４ｂ）提供最大的放大； 比率调制器件（１０５，１１１），其用于调制所述比率；以及 换能器（１０９），其用于将所述气体混合物中的声 波转换为电信号，其特征在于， 将所述比率调制器件（１０５，１１１）配置为调制所述比率以将所述光束变换为一系列光脉冲以生成所述声波，所述声波的振幅为对所述示踪气体的所述浓度的测量。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：E·M·H·P·范戴克，J·卡尔克曼，
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
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