CN100552429C - 光声检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光声检测器，至少包括：可被提供待分析气体的第一腔室(V₀)；允许经过调制的和/或脉冲红外辐射和/或光进入第一腔室(V₀)的窗口；第二腔室(V)，其中，第二腔室(V)构成容积为V的测量空间并且通过设置在第一腔室壁中的孔与第一腔室联通；至少一个传感器，所述传感器布置在第一腔室的壁孔中，并布置为根据吸收的红外辐射和/或光在第一腔室中产生的压力变化而运动，以及，用于测量传感器运动的装置。用于测量传感器运动的装置包括至少一个或多个光源以及一个或多个多重检测器，其中，所述光源照射传感器或其一部分，并且，所述多重检测器用于接收从传感器反射的光并以光学角和/或平移测量来测量传感器运动。本发明另外还涉及光声检测器中的测量系统、用于测量光声检测器内传感器运动的方法、以及优化光声检测器的方法。

Description

光声检测器

本发明涉及在后附独立权利要求书的前序中提出的光声检测器，并涉及光声检测器中的测量系统以及用于测量光声检测器内传感器运动的方法。

当红外辐射或通常意义的光照射到填充气体的腔室时，其中，此腔室包含分压为p_x的待分析气体和分压为p_N的载体气体(通常为氮)，由气体p_x吸收辐射。在吸收过程之后，能量转换为一定时间常数τ(如10^-5s)的热运动。因而，全部气体的温度每单位时间升高ΔT。温度升高也导致压力增加Δp。

典型的光声检测器包括：可被提供待分析气体的腔室；让经过调制的或脉冲红外辐射或光进入腔室的窗口；以及适于测量由腔室中所吸收红外辐射或光而引起的压力变化的压力传感器。压力传感器一般包括麦克风、聚酯薄膜或金属膜。光声检测器通常可用于测量或检测红外辐射，但检测器的一个具体而重要的应用是处理例如与空气质量和污染有关的气体或气体混合物的测量和检测。

在麦克风中，通常用电容法测量膜(聚酯薄膜)的运动。聚酯薄膜涂敷金属并放置在另一固体金属膜片附近。其结果是具有以下电容的电容器，

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{h}---\left(a\right)$

这里，h代表静止膜之间的距离，A是膜的表面积，ε_rε₀是存在于板之间的气体的介电常数，而ε₀是真空的介电常数。C的测量提供h，从而得到聚酯薄膜的运动，因为

$\mathrm{\ΔC}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{3h^2}\mathrm{\Δh}---\left(b\right)$

这里，Δh是在中间的距离变化，而Δh/3是距离的平均变化。进一步，

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C}=-\frac{\mathrm{\Δh}}{h}---\left(c\right)$

或

$\left|\mathrm{\Δ}{h}_{\min }\right|\≈\frac{h}{C/\mathrm{\ΔC}}=\frac{h}{S/N}---\left(d\right)$

这里，S/N是测量电子学中的信噪比。

当h改变时，现有技术的电容测量受存在于板之间的气体流的限制。当间隙h减小时，气体被迫从板之间流出，而当h增加时，气体返回。流动具有惯性并需要能量。其结果是：膜片的角振荡频率ω越高并且h越小，所述流动就更多地减小膜片运动的振幅。因而，h不能无限地增加，因为这会增加信号ΔC。从而，市场上可得到的麦克风在物理规律的限制下发挥作用，并且在此方面不能提高它们的响应性。

在Nicolas Lederman等的出版物[1]中公开了一种用于传感器的光声检测器，其中，用悬臂型膜制作传感器，此膜响应光声检测器的腔室内气体的运动，并且在此膜中集成记录悬臂运动的压电元件。在此出版物中提出的传感器的问题是忽略悬臂的谐振频率。连接到传感器的压电元件有可能增加传感器的谐振频率，并因而使传感器的响应变坏。在此出版物中提出的传感器非常不准确，从而，不适于高精度应用。此出版物根本没有提及光声检测器内的腔室和传感器的优化，即腔室与传感器的尺寸之比的优化。

在M.H.de Paula等的出版物[2]和[3]中还公开了传统膜片解决方案的替代方案。这些出版物提出在光声检测器单元内的小管道上方距管道大约0.1mm处安装薄片。根据这些出版物的说明，在薄片本身周围不设置所谓的边缘，薄片因而延伸超出管道边界，即，问题与出版物[1]中所示悬臂的不同。因此，de Paula等的出版物中的根本问题其实是以下事实：在光声检测器单元内存在的且待测量的压力只作用到薄片总面积的一小部分上，导致显著降低响应。另外，在薄片下面有泄漏，薄片与管道尺寸相比是较大的，这进一步减小薄片响应。出版物[2]和[3]进一步描述用于测量薄片运动的光学角测量。然而，在所述出版物中提出的薄片的形状实际上不利于角测量。结果，在出版物[2]和[3]中提出的解决方案不能充分地响应高准确度测量和高精度应用。

光声检测的另一问题是由外部声音导致的干扰。因而，如果腔室内的声音比系统固有噪声更强，对于检测器系统灵敏性(响应)的提高不能改进对待分析气体的确定，其中，腔室内的声音是从测量仪器外部渗透进来的。减小外部声音所产生干扰的典型方法是隔声。隔声能以10000-100000的系数衰减外部声音。

另一减小外部声音所产生干扰的现有已知方法包括使用部分减小干扰声音的双重检测。在现有已知的双重检测系统中，提供与常规测量系统相同的测量系统，所述相同系统拒绝光的进入，并只测量腔室内的声音。接着，根据现有技术系统的解决方案，对实际测量信号与相同测量系统所提供的基准信号之间的差异执行直接放大。然而，上述双重检测系统的问题例如在于：这些系统只在狭窄的频带中在特殊的情况下发挥作用。此问题归咎于在各测量系统中的传感器之间产生的相位差。

结果，根据本发明的光声检测器、光声检测器中的测量系统以及用于测量光声检测器中传感器运动的方法的一个目的是消除或至少缓解上述现有技术中的问题。

根据本发明的光声检测器、光声检测器中的测量系统以及用于测量光声检测器中传感器运动的方法的另一目的是提供准确和高度灵敏的光声检测器。

本发明的又一目的是提供光声检测器和光声检测器中的测量系统，其中，已经减小外部声音所产生的干扰因素对测量结果的影响。

为了实现以上目的，首先，全部根据本发明的光声检测器、光声检测器中的测量系统以及用于测量光声检测器中传感器运动的方法的主要特征在独立权利要求书的特征条款中提出。

因而，在本发明的典型光声检测器中，用于测量传感器运动的装置至少包括：一个或多个光源，所述光源照射传感器或其一部分；以及一个或多个多重检测器，所述检测器用于接收从检测器的传感器反射的光，并以光学角运动和/或平移运动来测量传感器运动。在本文中，在涉及包括两个、三个或更多个检测器的检测器时，使用术语多重检测器，即，这些检测器可分别称为双重检测器、三重检测器等。换句话说，有可获得许多独立测量信号的检测器，即，从双重检测器获得两个测量信号，从三重检测器获得三个测量信号，等等。通过把许多单个的检测器链接在一起，或者，例如通过为单个框制作三个检测器，而配置多重检测器。例如，如在本文中所讨论的，阵列检测器，如CCD阵列检测器，也可用作多重检测器。CCD阵列检测器可用于取代双重检测器和三重检测器。

此结果是本质上几乎不与传感器功能干涉的测量方法和系统。不与测量干涉指测量方法实际上不干扰和/或抑制传感器运动的条件，即，在此情况下，考虑在实际测量应用中光学粒子对门运动的作用是没有意义的。优选地，使用的光源是激光或细灯丝。灯丝具有提供大范围直线性的优点。

双重检测器的优点是可通过使用角测量和平移测量来实施传感器运动的测量。在角测量中，优选光源所发射光束的焦点大约集中在双重检测器的表面上。在平移测量中，通常优选光源所发射光束的焦点大约集中在门或膜片的表面上，并集中在双重检测器上。

在本发明的一个优选光声检测器中，用于测量传感器运动的装置包括：用作光源的至少一个激光器；用于聚焦激光束的至少一个光学透镜；基准镜；把激光束分到传感器和基准镜的分束器；以及，用作检测器的三重或阵列检测器，所述检测器用于接收来自分束器的激光束。在更优选的形式中，以使三重或阵列检测器产生3/4干扰条纹的方式布置基准镜。

在本发明的更优选光声检测器中，用于测量传感器运动的装置包括固定的平面镜和固定的端镜，所述平面镜和端镜以下面方式布置：激光行进到端镜，并返回，在传感器与平面镜之间相互反射。在非常优选的形式中，平面镜和/或端镜按以下方式布置：适于借助传感器从分束器行进到达端镜的激光束在相同的光路上从端镜返回到分束器。

本发明一个更优选的光声检测器另外还包括第三腔室以及用于计算实际测量信号和基准信号的振幅并算出它们之间差值的装置，其中，第三腔室是封闭的并且在尺寸上与第一腔室相同，具有与第一腔室所包括孔相同的孔，并且所述孔连接第三腔室和第二腔室，用与封闭第一腔室孔的传感器相似的传感器来封闭第三腔室的孔，并且以与测量封闭第一腔室孔的传感器的运动相似的方式测量传感器运动，而且，实际测量信号从安装在第一腔室孔中的传感器测量，基准信号从安装在第三腔室孔中的传感器测量。

在光声检测器内用于测量光声检测器中传感器运动的本发明典型测量系统包括：用作光源的至少一个激光器或灯丝；用于聚焦光束的至少一个光学透镜；基准镜；把光束分到传感器和基准镜的分束器；固定的平面镜和固定的端镜，所述平面镜和端镜以下面方式布置：光束行进到端镜，并返回，在传感器与平面镜之间相互反射；以及用作检测器的三重或阵列检测器，所述检测器用于接收来自分束器的光束。

在用于测量光声检测器中传感器运动的本发明典型测量方法中，所述测量以光学测量实施，照射传感器或其一部分，并且通过多重检测器来测量从传感器反射的光。因而，通过把光束的焦点大约集中到双重或阵列检测器上，并借助双重或阵列检测器来测量反射光束的位移，以角测量来测量传感器运动；或者，通过把光束的焦点大约集中到传感器表面上和双重或阵列检测器上，并借助双重或阵列检测器来测量反射光束的位移，以平移测量为测量传感器运动；或者，通过使用干涉仪，并借助三重或阵列检测器来测量从传感器反射的光束的干涉条纹的位移，以平移测量为测量传感器运动。在本文中，关于把光束大约集中到传感器表面上和/或双重或阵列检测器表面上，指以技术上可能的准确度使光束的焦点位于传感器表面上和/或双重或阵列检测器上。

现在结合附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1示意性示出用于本发明光声检测器的设计，

图2示意性示出基于门的角变化而测量压力传感器门运动的本发明测量系统，

图3示意性示出在图2测量系统中双重检测器的光强度。

图4示意性示出基于门的平移测量而测量压力传感器门运动的本发明测量系统，

图5示意性示出基于使用迈克尔逊干涉仪而测量压力传感器门运动的本发明测量系统，

图6示意性示出在图5测量系统中的三重检测器上产生的干涉条纹，

图7示意性示出正切的间断，

图8示意性示出从斜上方观察的用于本发明光声检测器的压力传感器，

图9a示意性示出从前面观察的用于本发明光声检测器的压力传感器，

图9b在横截面上示意性示出用于本发明光声检测器的压力传感器，

图10a示意性示出谐振角频率ω₀对振幅A_x(ω)的影响，

图10b示意性示出门谐振的模型化，

图11示意性示出用于本发明光声检测器的一个优选门设计，

图12a和12b示意性示出用于本发明光声检测器的几个可选门设计，以及

图13示意性示出借助基于多次反射的光学倍增器而测量压力传感器门运动的本发明测量系统。

图1示意性示出本发明光声检测器的一个实施例。如图中所示，光声检测器包括填充气体的腔室V和V₀，其中，腔室V和V₀包含或可被提供分压为p_x的待分析气体和分压为p_N的载体气体(通常为氮)。第一腔室V₀由环形壳体元件1组成，环形壳体元件1的第一开口端设置有窗口2，窗口2封闭腔室的第一端，红外辐射或通常意义的光可通过窗口2被引导到腔室内。窗口2优选制作得对红外辐射和/或光高度透明，并且优选厚度为大约3-6mm。对于腔室V₀的尺寸和最优化，在后面更详细地描述。腔室V₀的第二开口端设置有至少部分封闭腔室第二端的硅门3，硅门3用作压力传感器，并且其设计在图8和9中更仔细地描述。硅门3也可用麦克风、聚酯薄膜或金属薄膜替代。光声检测器包括第二腔室V，第二腔室V布置为第一腔室V₀的第二端的延伸并构成容积为V的测量空间。测量空间设置有用于测量硅门运动的仪器。如图1所示，测量空间的第二端用基准系统封闭，基准系统包括基准腔室V₀，基准腔室V₀的一端被封闭并且其尺寸与第一腔室V₀相同。基准腔室V₀的第一端用与第一腔室所用硅门相似的硅门封闭。

通过用本发明的光学测量系统取代测量门或膜片运动的现有技术而提高光声检测器的准确度。光学测量导致与门或膜片运动非常小的干涉。根据本发明，可通过门或膜片表现出的角度或通过门或膜片中某个点的平移运动而测量所述运动。

图2示出基于角测量的测量系统，此测量系统设置有激光器10形式的光学指示器，同时，其检测器包括双重检测器11。除了用作传感器的门3之外，测量系统还包括作为光源的激光器10、用于对光束聚焦的光学透镜12、以及用于接收和测量从门3反射的光束v的双重检测器11。因而，双重检测器包括第一检测器d1和第二检测器d2。光束的焦点13在双重检测器上。图3描绘测量系统在双重检测器上的光功率，其中，在y的每个点上，在与y正交的方向上对光的强度进行积分。

在图2所示角测量中，角度变化Δα转换为平移运动Δy＝a2Δα，角度变化Δα用双重检测器d1d2测量。角度Δα代表在激光束照射的门区域中的平均角度变化。一般地，Δα取决于测量光点，即l。

$\tan \mathrm{\Δ\α}=\frac{F{L}^2}{6\mathrm{EI}}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]=\frac{8\mathrm{EI\Δx}{L}^2}{6L^3\mathrm{EI}}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]=\frac{4\mathrm{\Δx}}{3L}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]---\left(27\right)$

或

$\mathrm{\Δy}\≈2a\frac{4\mathrm{\Δx}}{3L}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]---\left(28\right)$

可用双重检测器测量的最小运动是

$\mathrm{\Δ}{y}_{\min }=\frac{\mathrm{\δ}}{2(S/N)}---\left(29\right)$

这里，σ是激光焦距的一半宽度。σ的最小值受衍射的限制，即

$\mathrm{\σ}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{D}(a+b)---\left(30\right)$

因而，在门的端部可检测的最小运动是

$\mathrm{\Δ}{x}_{\min }\≈\frac{3\mathrm{L\Δ}{y}_{\min }}{8a[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]}=\frac{3\mathrm{L\λ}(a+b)}{2D(S/N)8a[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]}=\frac{3\mathrm{L\λ}(a+b)}{16\mathrm{aD}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3](S/N)}---\left(31\right)$

门上的照射区域具有宽度aD/[(a+b)cosβ]，这提供最终的限制。如果b≈0且l≈L，从前一方程式就得到

$\mathrm{\Δ}{x}_{\min }=\frac{3\mathrm{L\λ}}{16D(S/N)}---\left(32\right)$

实际上，，即

$\mathrm{\Δ}{x}_{\min }=\frac{3\mathrm{\λ}}{16(S/N)}---\left(33\right)$

这里，S是激光强度I₀，并且，N是光和电子的总噪声。

信号的振幅(光功率的波动)

$A_v=\mathrm{\Δ}{P}_{d_1}-\mathrm{\Δ}{P}_{d_2}=2\mathrm{\Δy}{I}_{\max }---\left(34\right)$

这里，ΔP_d1和ΔP_d2代表光功率在检测器d₁和d₂上的变化，并且，I_max是最大光功率/Δy。现在，借助方程式(28)，得到

$A_v=a\frac{16A_x{I}_{\max }}{3L}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]\≈\frac{16a{A}_x}{3L}\frac{P_{d_1}+P_{d_2}}{\mathrm{\σ}}[1-{\left(\frac{L-l}{L}\right)}^3]---\left(35\right)$

这里，P_d1+P_d2＝I₀代表照射到双重检测器上的激光的光功率。

因而，光学指示器的光信号的振幅是

$A_v=\frac{16\mathrm{aD}{I}_0{A}_x}{3\mathrm{L\λ}(a+b)}\≈\frac{16I_0{A}_x}{3\mathrm{\λ}}---\left(36\right)$

这里，A_x是门运动x的振幅，A_x必须＜λ。

本发明光学指示器提供的一个好处是它的设计简单，它不与门运动干涉，并且，双重检测器抑制激光的光子噪声。优选地，为了具有较小的σ，激光点在门上的尺寸较大，D≈L。本发明光学指示器也可用于测量膜片运动，最佳测量位置是

因而，根据本发明，也可用平移测量来测量门运动。图4描绘本发明的测量系统，该系统不是角测量，并且通过此系统可测量门的平移运动x。除了门之外，测量系统包括作为光源的激光器10、双重检测器11、用于把光束焦点13集中到目前静止的或处于静止条件下的门3表面上的第一光学透镜12、以及用于把从门3反射的光束聚焦到双重检测器上的第二光学透镜12。光源、光学透镜以及双重检测器按以下方式配置：当门静止时，入射到门上与从门反射的光束之间的角度为90°。所述测量的优点特别是光束的焦点在门表面上，并且门具有较差的光学质量。如果门具有镜面，可由测量系统检测的最小运动是

${\mathrm{\Δ}}_{\min }\≈\frac{\sqrt{2}\mathrm{a\λ}}{4D(S/N)}---\left(37\right)$

最小运动的数量级与角测量中的相同，即，如果 $D=\sqrt{2}a/4,$ 那么，ΔX_min＝λ/(S/N)。平移测量也适用于测量膜片运动。

根据本发明的一个优选实施例，门或膜片的运动也可用干涉仪来光学测量。图5示出本发明借助所谓的迈克尔逊干涉仪来测量门或膜片运动的一个测量系统。如图所示，除了门本身之外，该系统还包括作为光源的激光器10、用于聚焦光束的光学透镜12、用于把激光束分到门和基准镜16上的分束器15或半透明镜、基准镜16、以及用于接收来自分束器15的激光束的三重检测器17。根据图中所示出的，激光束大约聚焦在门和基准镜上。基准镜16调整成三重检测器17产生3/4与纸平面垂直的干涉条纹，其中，三重检测器17由三个传感器d1、d2和d3构成。如图6所示，当x随着门的运动而改变时，干涉条纹在检测器上横向运动。当x改变λ/2时，条纹移动单个条纹间隙。条纹的强度分布是

$I\left(z\right)=\frac{1}{2}A[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{z}{D}\right)]---\left(38\right)$

如果干涉条纹移动ε，就按以下得到传感器d₁、d₂和d₃的信号I₁、I₂和I₃：

$I_1\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\underset{-\frac{2D}{4}+\mathrm{\ϵ}}{\overset{-\frac{D}{4}+\mathrm{\ϵ}}{\∫}}\frac{A}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{z}{D}\right)]\mathrm{dz}=\frac{\mathrm{AD}}{2\·4}+\frac{\mathrm{AD}}{2\·2\mathrm{\π}}[-\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)+\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)]---\left(39\right)$

$I_2\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\underset{-\frac{D}{4}+\mathrm{\ϵ}}{\overset{\mathrm{\ϵ}}{\∫}}\frac{A}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{z}{D}\right)]\mathrm{dz}=\frac{\mathrm{AD}}{2\·4}+\frac{\mathrm{AD}}{2\·2\mathrm{\π}}[\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)+\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)]---\left(40\right)$ 以及

$I_3\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\underset{\mathrm{\ϵ}}{\overset{\frac{D}{4}+\mathrm{\ϵ}}{\∫}}\frac{A}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{z}{D}\right)]\mathrm{dz}=\frac{\mathrm{AD}}{2\·4}+\frac{\mathrm{AD}}{2\·2\mathrm{\π}}[\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)-\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)]---\left(41\right)$

因而，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\left(\mathrm{\ϵ}\right)-I_1\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\mathrm{AD}}{2\mathrm{\π}}\cos \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)\\ I_2\left(\mathrm{\ϵ}\right)-I_3\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\mathrm{AD}}{2\mathrm{\π}}\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)\end{array}\right.---\left(42\right)$

或

$\frac{2\mathrm{\π\ϵ}}{D}={\tan }^{-1}\left\{\frac{I_2-I_3}{I_2-I_1}\right\}---\left(43\right)$

由于ε＝Δz＝2DΔx/λ，因此，

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left\{\frac{I_2-I_3}{I_2-I_1}\right\}---\left(44\right)$

由于信号I₁、I₂和I₃互相之间相位差是90°并由于信号I₂-I₁和I₂-I₃互相之间相位差是90°，因此，它们可提供如图7所示的路线横向正切函数间断。因而，在方程式

$\mathrm{\Δx}=(k+\frac{1}{2})\frac{\mathrm{\λ}}{4}+\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}{\tan }^{-1}\left\{\frac{I_2-I_3}{I_2-I_1}\right\}$

中，有可能测量在正切间断φ＝(n+1/2)π上测量整数k的变化±1。

最小的可检测运动是

$\mathrm{\Δ}{x}_{\min }=\frac{\mathrm{\σ}}{2(S/N)}=\frac{\mathrm{\λ}}{8(S/N)}---\left(45\right)$

这里，S＝I₀/2。

如果门运动＜λ/4，就可用与光学指示器中相同的方式，用双重检测器取代上述测量系统的三重检测器。因而，传感器的结合宽度等于单个条纹的宽度，并且，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1+I_2=\frac{\mathrm{AD}}{2}=\frac{I_0}{2}\\ I_1-I_2=\frac{\mathrm{AD}}{\mathrm{\π}}\sin \left(2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\ϵ}}{D}\right)\end{array}\right.---\left(46\right)$

因为ε＝Δz＝2DΔx/λ为

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}{\sin }^{-1}\left\{\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}\right\}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{8}\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=\frac{\mathrm{\λ}}{4I_0}(I_1-I_2)---\left(47\right)$

这里，I₀是激光功率。接着，光信号的振幅为

$A_l=I_1-I_2\≈4\frac{I_0{A}_x}{\mathrm{\λ}}---\left(48\right)$

这里，A_x是门运动x的振幅。

因而，在基于使用干涉三重检测器的测量系统中，基本想法是必需提供互相之间有90°相位差的三个信号。因而，使用这三个信号能消除因光源的可能闪光而导致的误差因素，dc-分量。结果，也可通过调整干涉仪以使检测器上条纹之间间隔基本上是无穷的而执行干涉测量，从而，不基于条纹的移动来执行测量。除此之外，干涉仪按以下方式调整，光源设置为相对分束器的角度是除45°角之外的角度，从而，从门(或膜片)和从基准镜返射的光束不精确地沿着相同的路径返回，但相反，在射出光束与回归光束之间有较小角度，其中，反射光束的焦点在门(或膜片)上并在基准镜上。在此情况下，可按以下方式设计用于测量返回光束的三重检测器，其中，构成双重检测器的两个检测器适于测量从门(或膜片)返回的并从分束器反射的光束，并适于测量从基准镜返回的并通过分束器的光束。第三检测器适于测量从门(或膜片)返回的并通过分束器的光束，并适于测量从基准镜和分束器反射的光束(第三检测器优选布置在光源附近)。另外，当从基准镜返回的光束的行进路径设置有两个元件如两个玻璃面板时，通过调整所述元件的位置，有可能在建立双重检测器的检测器的测量信号之间提供90°相位差，其中，所述两个玻璃面板中的至少一个是可调整位置的。这导致三个信号I₁、I₂和I₃，这些信号之间互相有90°相位差。

根据本发明的干涉仪测量所得到的优点例如包括：根据方程式(44)，即使当门或膜片的运动覆盖几个波长时，响应是高度线性的。绝对准确度较高，因为干涉信号的形状与1/2(1+cos(2πz/D))正好一致。另外，激光以几乎点的方式聚焦在门的测量点上，并且其结果不受衍射的影响。测量结果的值也不受激光强度I₀波动的影响，因为最大强度值A在方程式(44)中减去。

如上所述，为了检测在第一腔室中发生的压力波动，本发明的测量系统可采用有应力或无应力的本身已知的膜片，或者，根据本发明更优选的实施例，采用硅制门，其中，使用硅制门更进一步更新光声检测器的测量准确度和灵敏度。另外，以下描述用于优化门或膜片的方法。

图8和9借助实例示意性描述一个优选的硅制门，所述硅制门作为压力传感器并可应用于本发明的光声检测器中。压力传感器包括作为门边框的面板状边缘部件、以及通过缝隙而与面板状部件分离的门。L为门的宽度，h为其高度，d为其厚度，并且Δ为缝隙的宽度。

利用在平衡状态下光源可通过窗口传导到腔室内的低IR输出，当W(t)＝W_av+W₀cos(2πft)时，满足

$\left(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\right)=\frac{a_x{p}_{x}2l{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^{-1}{W}_0\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)}{{\mathrm{\Σ}}_l{c}_V^l{m}_i}=\frac{a_x{p}_{x}2l{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^{-1}{W}_0\cos \left(2\mathrm{\πft}\right)}{V_0{\mathrm{\Σ}}_i{c}_V^i{\mathrm{\ρ}}_i}---\left(1\right)$

这里，a_x是分压为P_x的气体的吸收系数，l为腔室的长度，α是IR束与腔室的中心轴之间的角度，并且，W(t)是输入到腔室中的净光功率。也就是说，W(t)是光强度×πR²，其中，R是腔室的半径，m_i是气体成分的质量，c_V ⁱ是相应气体的比热，ρ_i是气体i的密度，并且，V₀是更小腔室的容积。例如，

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_V^l{m}_i=c_V^x{m}_x+c_V^N{m}_N=V_0(c_V^x{\mathrm{\ρ}}_x+c_V^N{\mathrm{\ρ}}_N)$

在方程式(1)中τ＜＜f^-1＜＜τ₀是缺省的，其中，τ₀是用于从腔室导出热的时间常数，并且，τ是用于把吸收能量转换为热的时间常数。

进一步地，

$\mathrm{\ΔT}=T\left(t\right)-T_0={\∫\left(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\right)}_{T_0}\mathrm{dt}=\frac{a_x{p}_{x}2l{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^{-1}{W}_0\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)}{2\mathrm{\πf}{V}_0{\mathrm{\Σ}}_i{c}_V^i{\mathrm{\ρ}}_i}---\left(2\right)$

理想气体状态的方程式导致

$\frac{\mathrm{dp}}{p_0}+\frac{\mathrm{dV}}{V_0}=\frac{\mathrm{dT}}{T_0}---\left(3\right)$

在压力传感器中：

$\mathrm{dV}\≈\frac{1}{2}\mathrm{xA}$

Adp＝kx＝F                            (4)

这里，A代表压力传感器的表面积，k是弹簧常数，并且x是运动。从方程式(3)和(4)得到

$x\≈\frac{\mathrm{\ΔT}/T_0}{\frac{k}{A{p}_0}+\frac{A}{2V_0}},(\mathrm{\ω}=0)---\left(5\right)$

由于在方程式(2)中出现的ΔT用角频率ω调制，因此，必需检查门(或膜片)运动的方程式，即

这里，F₀eⁱω^t代表周期力，β是阻尼常数， ${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{k/m}$ 是谐振角频率，并且，x是门的端部或门或膜片的中间的运动。方程式(6)的解为

$x=\frac{(F_0/m)e^{\mathrm{i\ωt}}}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2+2\mathrm{i\ω\β}}---\left(7\right)$

从此解获得振幅

$\sqrt{x*x}=A_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{F_0/m}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^2}}---\left(8\right)$

方程式(3)和(4)提供振幅

$\frac{\mathrm{\Δp}}{p_0}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}-\frac{\mathrm{\ΔV}}{V_0}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}-\frac{1}{2}{A}_x\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{A}{V_0}$

并且，因而，

$A_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\mathrm{A\Δp}/m}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^2}}=\frac{A{p}_0(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}-\frac{A_x\left(\mathrm{\ω}\right)A}{2V_0})}{m\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^2}}$

从中得到

$A_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{A{p}_0\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_0}}{m\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+4{\mathrm{\β}}^2{\mathrm{\ω}}^2}+\frac{p_0{A}^2}{2V_0}}---\left(9\right)$

图10a示意性示出谐振角频率ω₀对门或膜片振幅A_x(ω)的影响。

如果ω＝0，那么方程式(9)就导致方程式(5)，即，A_x(0)＝x，因为 $m{\mathrm{\ω}}_0^2=k.$

优选门或膜片的谐振按以下方式模型化，所述方式为：不考虑ω₀附近谐振所带来的振幅增加(参见图10b)。也就是说，如果ω＜ω₀，结果就是

$A_x\left(\mathrm{\ω}\right)\≈\frac{A{p}_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{m{\mathrm{\ω}}_0^2+\frac{p_0{A}^2}{2V_0}}=\frac{p_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{\frac{m{\mathrm{\ω}}_0^2}{A}+\frac{p_{0}A}{2V_0}}=\frac{p_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{\mathrm{\ρd}{\mathrm{\ω}}_0^2+\frac{p_{0}A}{2V_0}}---\left(10\right)$

并且，如果ω＞ω₀，结果就是

$A_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{\mathrm{pd}{\mathrm{\ω}}^2+\frac{p_{0}A}{2V_0}}---\left(11\right)$

这里，ρ代表门或膜片密度，并且d是厚度。如果不利用谐振，在低于谐振角频率ω₀使用门或膜片，即，使用方程式(10)，就是合理的，这表示振幅A_x(ω)的优化，即最大化，必须借助ω₀、d、V₀和A来实现。ω₀和A越低，A_x(ω)就越高。

当

达到最小时，振幅达到最大。当满足以下条件

$\mathrm{pd}{\mathrm{\ω}}_0^2\≈\frac{p_{0}A}{2V_0}---\left(12\right)$

并且

$A_x^{\mathrm{opt}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{2\mathrm{\ρd}{\mathrm{\ω}}_0^2}=\frac{p_0\mathrm{\ΔT}/T_0}{2\frac{p_{0}A}{2V_0}}---\left(13\right)$

时，发生此情况。

通过方程式(1)和(2)，方程式(13)的结果为

$A_x^{\mathrm{opt}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p_0{a}_x{p}_{x}l{\left(\cos \mathrm{\α}\right)}^{-1}{W}_0}{T_0\mathrm{\ω}{V}_0{\mathrm{\Σ}}_l{c}_V^l{\mathrm{\ρ}}_l\mathrm{\ρd}{\mathrm{\ω}}_0^2}---\left(14\right)$

这里ω≤ω₀。此方程式表示增加响应的最佳方式是减小角频率ω和ω₀。利用市场上可得到的典型麦克风，谐振频率f₀＝ω₀/2π通常为10-20kHz。如果谐振频率f₀＝20kHz的麦克风以接近谐振频率工作，结果就为A_x ^opt(20kHz)。如果使用相似的膜片来构造其谐振频率f₀＝500Hz的新麦克风，那么

$A_x^{\mathrm{opt}}\left(500\mathrm{Hz}\right)={\left(\frac{20\mathrm{kHz}}{\mathrm{0,5}\mathrm{kHz}}\right)}^3{A}_x^{\mathrm{opt}}\left(20\mathrm{kHz}\right)={40}^3{A}_x^{\mathrm{opt}}\left(20\mathrm{kHz}\right)=64000A_x^{\mathrm{opt}}\left(20\mathrm{kHz}\right)---\left(15\right)$

只要麦克风根据方程式(12)优化就行。进一步地，如果为频率500Hz优化的麦克风以50Hz频率工作，响应就会进一步增加十倍，并且，改善因数因而为640000。通过使门或膜片更薄，可基于以下的方程式(16)而减小谐振频率。这进一步提供比例为d₁/d₂的改善，只要门或膜片的变薄在技术上可行就可以。

谐振角频率取决于门或膜片的尺寸和材料。对于门，

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{\frac{2E}{3\mathrm{\ρ}}}\frac{d}{L^2},A=\mathrm{Lh},---\left(16\right)$

这里，E为材料的扬氏模量，ρ为密度，L是门的宽度，h是高度，并且d是厚度。

对于不处于拉伸的圆形金属膜片，

$\mathrm{\ω}_0^E=\sqrt{\frac{E}{3\mathrm{\ρ}(1-{\mathrm{\σ}}^2)}}\frac{4d}{r^2},---\left(17\right)$

这里，σ＝泊松比，r为膜片的半径。

对于拉伸的薄膜(例如，聚酯薄膜)

$\mathrm{\ω}_0^T=\frac{2.4\sqrt{T/\mathrm{\μ}}}{r}=\frac{2.4}{r}\sqrt{\frac{F}{2\mathrm{\πr\ρd}}}---\left(18\right)$

这里，T代表膜的拉伸，并且μ是质量/单位面积，即μ＝m/a＝ρdA/A＝ρd。

为了精确点，即使对于薄膜(聚酯薄膜2μm)，也应用

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{tod}}^2=\mathrm{\ω}_0^2{}_E+\mathrm{\ω}_0^2{}_T---\left(19\right)$

不过 $\mathrm{\&omega;}_0^2{}_T<<\mathrm{\&omega;}_0^2{}_T$

如果在根据本发明一个典型实施例的门与不处于拉伸的圆形膜片之间进行比较，其中，所述门由相同材料(硅)制作并具有高度L/s，结果就是

$\frac{A_{\mathrm{door}}^{\mathrm{opt}}}{A_{\mathrm{film}}^{\mathrm{opt}}}\&ap;\mathrm{s\&pi;}{\left[\frac{8}{\mathrm{s\&pi;}(1-{\mathrm{\&sigma;}}^2)}\right]}^{1/3}\&ap;20---\left(20\right)$

如果s＝10，即，门的高度为宽度L的1/10。

如果在根据本发明一个典型实施例的门与在现有技术麦克风中通常使用的拉伸聚酯薄膜之间进行比较，结果就是

$\frac{A_{\mathrm{door}}^{\mathrm{opt}}}{A_{\mathrm{Mylar}}^{\mathrm{opt}}}\&ap;43{\left(\frac{F}{N}\right)}^{2/3}---\left(21\right)$

这里，F代表总拉力，单位为牛顿，并且s＝10。该比例一般为10-20，取决于需要多小的力F来使该膜发挥作用。

因而，根据本发明的门提供一种解决方案，该方案对传感器的响应至少提高一个数量级。如果此提高增加到通过角频率而得到的改善，就可创造低谐振门，该门以更有利的方式在传感器响应方面提供几百万的改善。

使用根据本发明一个典型实施例的门传感器要求门与壁之间的缝隙或间隙优选制作得尽可能的窄。腔室通过间隙泄漏，结果，传感器具有更低的截止频率f_cut，截止频率f_cut用门间隙面积a定义，如下所示：

$f_{\mathrm{cut}}\&Proportional;v_0\frac{a}{V_0}---\left(22\right)$

这里，v₀是声音在腔室中的速度，并且V＞＞V₀。

另一方面，为了使腔室之间的缓慢压力变化相等，在腔室之间具有小孔是有利的，并且因而，此孔可设计为在门与门框之间的上述间隙。

当互相比较光学指示器和干涉仪时，可得出结论，实际上不能计算方程式(33)，因为当优化方程式(10)时，方形(矩形)门不是最佳的形式。即，换句话说，本发明的光学指示器和干涉仪与方形(矩形)门一起工作得很好，但是，如果希望进一步提高灵敏度和准确度，就必须改变门的形状。当使用其高度为其宽度L的1/10的门时(即s＝10)，根据图11，方程式(31)得到

$\mathrm{\&Delta;}{x}_{\min }\&ap;\frac{3\mathrm{L\&lambda;}}{16L/10(S/N)}\&ap;\frac{2\mathrm{\&lambda;}}{S/N}---\left(49\right)$

这是干涉仪的相应值的16倍(方程式(45))。进一步地，如果s增加，即，门变得更短，那么，与光学指示器相比，干涉仪得到进一步改善，另一方面，这还增加门运动的振幅A_x(ω)。

例如，如图12a所示，通过在门铰链中部挖槽使门铰链减弱以进一步减小谐振频率，并且/或者，如图12b所示，通过在门的端部增加门的表面积，还可改善门的配置。如后面更详细描述地，图12b所示门设计尤其适用于干涉仪的倍增器解决方案。

由于使用干涉仪在门上产生几乎为点状的光点，因此，有可能在图13所示的干涉仪中应用多次反射，即倍增器。激光行进到端镜21上，从门并从固定的平面镜20反射n次，其中，平面镜20安装在门附近并优选设置得与门表面平行。激光的焦点在端镜附近，激光束从此端镜沿着相同的路径返回，从门又反射n次。如果门轻推距离Δx，干涉仪中的光学距离就改变4nΔx，并且，如果没有反射损失，响应增加2n倍。

如果镜子和门具有反射系数R，方程式(45)现在就采用新的形式：

$x_{\min }^R=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2n{R}^{4n-2}8(S/N)}=\frac{x_{\min }}{2n{R}^{4n-2}}---\left(50\right)$

此方法使灵敏度大约增加10倍。对于平移测量，在本发明的激光反射中也可应用多次反射，因为激光的焦点在门上。

当互相比较本发明的光学指示器和干涉仪时，可以得出结论，本发明的两个测量系统对于测量的准确度和灵敏度都能提供显著的改善。干涉测量甚至比光学指示器稍微更精确些，但同时测量系统稍微更复杂些。因而，应该根据具体应用和选择合适测量方法的情形来考虑所要求的灵敏度。

如上所述，现有技术光声检测器的问题是外部声音导致的干扰。根据本发明，可通过本身已知的双重检测器来抑制外部声音的影响，在图1中示出双重检测器。根据本发明，分别测量实际测量信号和基准信号并计算它们的振幅，它们之间的差异使得更准确并更有效地过滤外部噪声。尤其是在气体不产生信号的频率范围内，可明显减少干扰噪声。以上类型的干扰消除方法不仅可应用于上述光声检测器，也可应用于其它检测器。从而，例如，本发明的干扰消除方法还能更新基于使用传统麦克风的光声检测器的操作。

无论如何都不把本发明限制于在前文描述的实施例，但是，在权利要求中提出的本发明概念范围内，可以改变本发明。因而，例如，在前面实例中使用的双重和三重检测器可用CCD阵列检测器或一些其它的包括几个检测器的多重检测器来取代，因为检测器的数量或在实例中所出现的独立测量信号只代表至少需要的测量信号数量。

参考文献：

[1]Nicolas Ledermann等的集成铁电体IntegratedFerroelectrics，第35卷，第177-184页(2001)

[2]M.H.de Paula等的J.Appl.Phys.，第64卷第3722-3724页(1988)

[3]M.H.de Paula等的Rev.Sci.Instrum.，第673卷第3487-3491页(1992)

Claims (6)

1.一种光声检测器，至少包括

-可被提供待分析气体的第一腔室(V₀)，

-允许经过调制的红外辐射和/或光进入第一腔室(V₀)的窗口，

-第二腔室(V)，其中，第二腔室(V)构成容积为V的测量空间并且通过设置在第一腔室的壁中的孔与第一腔室连通，

-至少一个传感器，所述传感器布置在第一腔室的所述孔中，并适于根据吸收的红外辐射和/或光在第一腔室中产生的压力变化而运动，以及

-用于测量传感器运动的装置，其特征在于：用于测量传感器运动的装置至少包括用作光源的激光器或灯丝；基准镜；用于将由光源发射的光束大致聚焦到传感器表面和基准镜的光学透镜；把光束分到传感器和基准镜的分束器；以及用作检测器的三重或阵列检测器，所述检测器用于接收来自分束器的光束。

2.如权利要求1所述的光声检测器，特征在于：以使三重或阵列检测器产生3/4干涉条纹的方式布置基准镜。

3.如权利要求1或2所述的光声检测器，特征在于：用于测量传感器运动的装置进一步包括固定的平面镜和固定的端镜，所述平面镜和端镜以下面方式布置：激光行进到端镜，并返回，在传感器与平面镜之间相互反射。

4.如权利要求3所述的光声检测器，特征在于：平面镜和/或端镜按以下方式布置：适于借助传感器从分束器行进到达端镜的激光束在相同的光路上从端镜返回到分束器。

5.如权利要求1所述的光声检测器，特征在于进一步包括第三腔室以及用于计算实际测量信号和基准信号的振幅并算出它们之间差值的装置，其中，第三腔室是封闭的并且在尺寸上与第一腔室相同，具有与第一腔室的孔相同的孔，并通过第三腔室的孔，第三腔室与第二腔室连接，用与封闭第一腔室的孔的传感器相似的传感器封闭第三腔室的孔，并且以与测量封闭第一腔室的孔的传感器的运动相似的方式测量封闭第三腔室的孔的传感器的运动，而且，实际测量信号从安装在第一腔室的孔中的传感器测量，基准信号从安装在第三腔室的孔中的传感器测量。

6.一种用于测量光声检测器内传感器运动的方法，特征在于：所述测量以光学测量实施，照射传感器或其一部分，并且通过多重检测器来测量从传感器反射的光，以及通过使用干涉仪，并借助三重或阵列检测器来测量从传感器反射的光束的干涉条纹的位移，以平移测量来测量传感器运动，所述干涉仪至少包括：用作光源的激光器或灯丝，基准镜，用于将由光源发射的光束大致聚焦到传感器表面和基准镜的光学透镜，把光束分到传感器和基准镜的分束器。

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