具有改进的信号处理的光声检测器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器（２００）。所述光声检测器（２００）包括：光源（１０１），其用于产生光束，以便激发所述样品的分子；以及光调制器（１０２），其用于调制所述光束，以便在所述样品混合物中产生压力变化，其中所述压力变化的幅度是所述浓度的量度。所述光声检测器（２００）还包括：检测器元件（１０３），其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及处理部分（１０６），其用于对所述检测器电流进行处理，以便生成代表所述浓度的输出信号。所述处理部分（１０６）包括：用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，其中所述积分放大器通过保持开关耦合到所述检测器元件（１０３）；以及用于生成保持信号ＳＷ↓［ＨＯＬＤ］的定时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期的预定间隔期间把所述积分放大器耦合到所述检测器元件（１０３）。

【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检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器，所述光声检测器包括光源，其用于产生光束，以便激发所述样 品的分子；光调制器，其用于调制所述光束，以便在所述样品混合物 中产生压力变化，所述压力变化的幅度是所述浓度的量度；检测器元 件，其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及处理部分，其用 于对所述检测器电流进行处理，以便生成表示所述浓度的输出信号。
技术介绍
上述光声检测器可以从美国专利申请US 2005/0117155中获知。所 述专利申请描述了 一种光声示踪气体检测器，其利用石英音叉来检测 压力变化。利用幅度或波长调制来执行光调制。在通过前置放大器进 行放大之后，由锁定放大器将检测器信号与参考信号进行混合，以便 获取输出信号。用于所述锁定放大器的参考信号是从用于调制所述光 束的信号中取得的。通过使用石英音叉来检测压力变化允许实现相对 紧凑的光声示踪气体检测器。光声示踪气体检测器的一种应用是呼吸测试。呼吸测试是医疗技 术的一个非常有前景的领域。呼吸测试是非侵入性的，并且具有用户 容易使用和成本低的优点。呼吸测试的主要实例有哮喘监控、酒精呼 吸测试以及检测胃病和急性器官排异。最初的临床试验表明了在乳癌 和肺癌的前期筛检中的可能应用。这些不稳定的生物标志的典型浓度 在十亿分率(ppb)的范围内。氧化一氮(NO)是人类呼吸中的一种 公知的示踪气体，在哮喘患者中可以发现NO的浓度升高。当前只能 使用基于化学发光或者光学吸收光谱法的昂贵而且体积巨大的设备来 测量ppb浓度的呼出NO水平。因此紧凑的低成本NO传感器就成为 一种令人感兴趣的设备，其可以被用来诊断及监控呼吸道炎症，并且 可以被用在医生办公室内以及用于在家中进行药物治疗控制。根据US 2005/0117155的光声示踪气体检测器的一个问题在于，在 示踪气体检测期间的检测器电流常常非常小，并且很容易被电子噪声4所左右，从而限制了低浓度下的示踪气体检测。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种根据开头段落的光声检测器，所述 检测器具有比现有技术检测器更低的检测极限。根据本专利技术的第一方面，实现所述目的是因为所述处理部分包括 用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，所述积分放大器通过 保持开关耦合到所述检测器元件；以及用于生成保持信号5"『woiz)的定 时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期 的预定间隔期间把所述积分放大器耦合到所述检测器元件。由所述检测器元件提供的检测器电流在由所述光源于所述样品混 合物中引发的压力变化的共振频率下振荡。通过操作所述积分放大器 中的所述保持开关，导致仅仅对所述检测器电流的周期期间的预定间 隔进行采样。所述固定间隔被选择成短于整个周期，这是因为所述振 荡的检测器电流的正部分会补偿其负部分，结果所述检测器电流在整 个周期内的积分值与所述压力变化的幅度无关。在整个周期内对所述 检测器电流进行积分不会提供关于所述样品在样品混合物中的浓度的 信息。通过仅仅积分所述信号的一个较短的预定间隔，所述补偿将不 会发生，并且更高的幅度将导致更高的积分值。每一个所获得的信号 样本都是所述样品的浓度的量度。通过把对应于所述检测器电流的多 个周期的所获得的信号样本相加，所述输出信号的增益得到提高，并 且可以检测更低的样品浓度。优选地，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号5Tf^o^生成 为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率 等于所述检测器电流的频率并且具有50%的占空比。优选地，所述检测器电流与所述保持信号S『开OiZ)同相或者反相。通过采样所述检测器电流的每一个周期的50%,仅仅对所述检测器电 流的正部分或者仅仅对所述检测器电流的负部分进行积分。通过仅仅 把来自所述振荡器元件的信号的多个周期的正部分相加，可以大大改 进所述检测器的增益和信噪比，从而得到一种更加灵敏的光声检测器。 当所述检测器电流与所述保持信号SWhold不完全同相或反相时，所述 检测器的增益减小。优选地，所述检测器元件是振荡器元件，并且所述光调制器被设 置成在所述振荡器元件的共振频率下调制所述光束。由于其带宽较小，这种振荡器元件对于环境噪声没有那么敏感。 来自这种振荡器的检测器电流是高度正弦的，从而使其非常适用于下 面描述的处理方案。在所述光声检测器的另一个实施例中，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号生成为周期性信号来重复地操作所述保持 开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率的三分之 一并且具有50%的占空比。在本实施例中，对于每三个周期积分所述检测器电流一次，并且 在其间对所述检测器电流进行积分的固定间隔包括两个正部分和一个负部分(反之也可)。其中一个正部分补偿所述负部分，第二个正部 分则对输出信号有贡献。此外，在本实施例中，所述检测器电流与所述保持信号S『^ i/)优选地同相或反相。本实施例还消除了上面描述的实施例的缺陷，在上面描述的实施 例中，所述保持信号5"『^^z)的频率等于所述检测器电流的频率，并且 其具有50°/。的占空比。当把上面描述的该实施例与振荡器元件组合使 用来检测所述压力变化时，其表现出下面的缺陷所述保持开关的开 关频率与所述检测器信号的共振频率相同。当所述保持开关(其通常 是FET)进行开关时，有某个小电流在所述振荡器元件的共振频率下 流经该开关，结果，所述振荡器受到一点激励，从而导致在输出信号 中出现偏移量。因此，即使没有激光和样品分子，在输出中也会出现偏移量。当所述保持信号S『^^/)的开关频率等于所述检测器电流的频率的三分之一时，所述保持开关不在所述振荡器元件的共振频率下操作，因此所述振荡器元件再不会在开关S『及Oi2)时共振。结果，所述开关动作不会影响所述检测器电流。在另一个实施例中，通过以下措施来实现类似的效果把所述保 持信号S『及^Z)生成为周期性信号，其中该周期性信号的频率等于所述 检测器电流的频率的一半，并且具有75。/。的占空比。本实施例的附加优点在于，取得样本所需要的时间要短于前一个 实施例中的情况。这样就导致具有相同信噪比的更快检测，或者导致 同样快的检测具有更好的被设置成执行以下操作通过分别生成第一和第二输出信号来取得第 一和笫二测量，被用于所述第二测量的所述保持信号5TFwoiz)相移超过 所述检测器电流的周期的一半；以及从所述第一和第二输出信号的绝 对值计算平均输出信号。在本实施例中，由所述保持开关的开关动作所导致的偏移量被平 均掉。所述第一测量给出正结果，所述第二测量给出负结果，但是这 两个测量都带有相同的偏移量。在另一个实施例中，所述保持开关通过緩冲级耦合到所述振荡器 元件。所述緩冲级导致一些额外的增益。所述緩冲级还导致偏移量抵 消，这是因为在所述检测器元件与所述保持开关之间不再有直接耦合。在一个优选实施例中，所述处理部分还包括选择开关，其用于 把来自所述积分放大器的积分后的电压拷贝到所述输出信号，以及复 位开关，其用于复位所述积分放大器，并且其中所述定时电路被设置 成生成用于操作所述选择开关的选择信号S『犯^cr以及用于相继地操 作所述复位开关的复位信号5"『朋犯r，并且其中所述定时电路还被设置 成生成所述保持信号X『开wz)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器（２００），所述光声检测器（２００）包括：　光源（１０１），其用于产生光束，以便激发样品的分子；　光调制器（１０２），其用于调制所述光束，以便在样品混合物中产生压力变化，所述压力变 化的幅度是所述浓度的量度；　检测器元件（１０３），其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及　处理部分（１０６），其用于对所述检测器电流进行处理，以便生成代表所述浓度的输出信号，　其特征在于，　所述处理部分（１０６） 包括：　用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，所述积分放大器通过保持开关耦合到所述检测器元件（１０３）；以及　用于生成保持信号ＳＷ↓［ＨＯＬＤ］的定时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期的预定间隔期间把 所述积分放大器耦合到所述检测器元件（１０３）。

【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：IF赫尔韦根，HW范克斯特伦，
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]