CN101506645B - 具有改进反馈回路的腔增强型光声痕量气体探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测气体混合物中痕量气体的浓度的光声痕量气体探测器(100)。所述探测器(100)包括用于生成光束的光源(101)和用于以斩波频率将所述光束调制为一系列光脉冲以在所述气体混合物中产生声波的光调制器(103)。声波的振幅是痕量气体浓度的量度。探测器(100)还包括具有气体混合物的光腔(104a，104b)。光腔(104a，104b)放大光脉冲的光强度。换能器(109)将声波转换为电信号。反馈回路(110，111，113，114)调整光腔(104a，104b)的长度和光束的波长的比率以在所述光腔(104a，104b)中放大光脉冲的光强度。反馈回路(110，111，113，114)包括用于以调制频率来调制比率的比率调制装置(113，114)、用于测量光脉冲的光强度的光探测器(110)和被耦合到所述光探测(100)和比率调制装置(113，114)的调节装置(111)，用于依据所测量的光强度来调节所述比率的平均值。所述斩波频率高于调制频率。

Description

具有改进反馈回路的腔增强型光声痕量气体探测器

技术领域

本发明涉及用于探测气体混合物中痕量气体的浓度的光声痕量气体探测器，所述光声痕量气体探测器包括用于生成光束的光源，用于以斩波频率将所述光束调制为一系列光脉冲以在所述气体混合物中产生声波的光调制器，所述声波的幅度为所述浓度的量度，用于包含所述气体混合物并且用于放大所述光脉冲的光强度的光腔，用于将所述声波转换为电信号的换能器，以及用于调整所述光腔的长度和所述光束的波长的比率以放大所述光腔中光脉冲的光强度的反馈回路，所述反馈回路包括用于以调制频率调制所述比率的比率调制装置，用于测量所述光脉冲的光强度的光探测器，以及耦合到所述光探测器和比率调制装置的调节装置，用于根据所测量的光强度来调节所述比率的平均值。

背景技术

这种探测器可从由Rossi等人在Applied Physics Letters中发表的文章“Optical enhancement of diode laser-photo acoustic trace gas detection bymeans of external Fabry-Perot cavity”中了解。其中所描述的探测器发送通过包含在声室(acoustic cell)中的气体的斩波激光束。激光波长被调整以便将特定的气体分子激发到更高的能级。这一激发导致热能增加，使得声室内温度和压力的局部升高。如果斩波频率与所述声室的谐振频率一致，那么压力变化会产生持续的声波。所述声波由声室中的麦克风检测。这种声室的谐振频率一般在500Hz到数kHz之间。在Rossi等人的探测器中，2.6kHz的斩波频率用于匹配声室的谐振频率。

Rossi等人还描述了使用Fabry-Perot腔来放大声室中的光强度。放大是非常有益的，因为探测器的灵敏度与激光功率成正比。从放置于Fabry-Perot腔后面的光电二极管获得反馈信号。为了生成此反馈信号，通过将小正弦波形添加到电源电流来微弱地调制激光波长。当反馈信号超过固定阈值时，激光束的波长或腔的长度适于将传输带回到所需的级别。当斩波器妨碍光束通过时光电二极管不提供反馈信号。结果，所述系统可能由于突然的干扰而跳出其闭环，因为它无法足够快地进行响应。为了避免这点，需要低响应时间，从而将平衡调和地开启和关闭反馈信号的效应。

光声痕量气体探测器的一个重要应用是呼吸试验。呼吸试验是医学技术中有前景的领域。呼吸试验是非侵入的、用户友好的和低成本的。呼吸试验的主要例子是监视哮喘、酒精呼吸试验以及检测胃病和急性器官排斥。最初的临床试验表明可能应用于乳腺癌和肺癌的初筛。这些易失性生物标记物一般浓度在十亿分之几(ppb)的范围内。一氧化氮(NO)是人体呼吸中最重要的痕量气体之一，并且在哮喘病人中可以发现NO的浓度升高。目前，仅能够使用昂贵且笨重的设备基于化学发光或远红外光学吸收光谱法来测量呼出的ppb浓度级别的NO。小型手持式且低成本的NO传感器成为令人感兴趣的设备，其可以用来诊断和监视气管发炎并且可以在医生办公室使用并且用于家庭内的药物控制。

对于这些手持式气体分析设备来说将足够高的灵敏度(ppb级)与高健壮性结合是一个挑战。当前的光声痕量气体探测器的缺点在于小外形激光器(即二极管激光器)没有足够的激光功率来达到痕量气体检测所要求的灵敏度。使用如Rossi等人描述的光功率增强腔可以增加光强度，但是这可能会导致较慢的反馈。当结合光声来使用光学增强腔时，反馈信号被斩波器间歇地开启和关闭。从而，腔锁定机制变得非常缓慢，这导致不足以健壮地用于便携式应用的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种依照开头段落的、具有快速反馈回路的光声气体痕量探测器。

依照本发明的第一方面，通过提供依照开头段落的光声痕量气体探测器来实现此目的，其中斩波频率高于调制频率。

当选择高于调制频率的斩波频率时，在波长或腔长的一个调制周期内多次地开启和关闭光。于是将在波长调制的一个周期内对光束受阻效应进行平均，并且没有其中不存在反馈信号的周期。反馈回路的响应时间可以比先前已知的具有光腔的光声痕量气体探测器快得多。

优选地，斩波频率至少比调制频率高三倍，以实现最有益的效果。

在优选实施例中，换能器为晶体振荡器。晶体振荡器比在上述现有技术的系统中使用的麦克风敏感得多。从而，获得更敏感的光声痕量气体探测器。作为附加优点，晶体振荡器的高灵敏度使得不必使用声室并且由此简化了探测器的构造。此外，晶体振荡器通常以比麦克风更高的频率进行谐振并且由此能够实现更高的斩波频率和更快的反馈回路。由此获得的更高的健壮性允许在便携式应用中使用痕量气体探测器。

在进一步的实施例中，晶体振荡器为石英音叉。石英音叉具有高灵敏度并且以高频率工作。此外，因为石英音叉例如大规模地用于制造数字钟表，所以它们并不十分昂贵。

参考以下描述的实施例将阐明本发明的这些及其他方面并使其更加清楚。

附图说明

在附图中：

图1示意地示出了依照本发明的光声痕量气体探测器的实施例；

图2示出了在依照现有技术的反馈回路中信号与时间的关系；

图3示出了在依照本发明实施例的反馈回路中信号与时间的关系；

图4示出了本发明使用的反馈方法的流程图；以及

图5示出了本发明使用的另一反馈方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了依照本发明的典型光声痕量气体探测器。光源101提供连续波激光束并且被例如斩波器103、快门或声光调制器以确定的“斩波”频率调制为一系列光脉冲。以更高的斩波频率(＞6kHz)，优选使用声光调制器而不是机械斩波器。或者，光源101本身可以以固定斩波频率提供光脉冲。光脉冲被发送到光腔中，所述光腔由两个半透明镜104a和104b来界定。光隔离器102选择性地放置于光源101和输入镜104a之间以减小从腔镜104a反射回到光源101的光。光脉冲通过输入镜104a进入光腔并且在两个腔镜104a和104b之间多次反射。如果两个镜104a和104b之间的距离与激光器的波长处于谐振，那么出现驻波并且光强度被放大。利用光探测器110来测量由输出镜104b发出的光。来自光探测器110的信号被用作激光波长或光腔长度的反馈信号。

在示例性的锁闭腔方案中，激光波长和腔长被保持处于谐振。在大部分设计中，调制激光波长或腔长，并且利用光探测器110来监控激光通过腔的传输或反射。通过波长调制器113来控制波长调制。通过腔长控制器114来调制腔长，所述腔长控制器114控制压电驱动器105，所述压电驱动器105附着于腔镜104a、104b之一。于是由激光波长或腔长调制所引起的传输变化被用作反馈信号，用来驱动被附着于腔镜104a、104b之一的致动器(例如压电驱动器105)(腔长调制)或设定激光频率(激光波长调制)。

激光器的波长一般在腔谐振的侧面上被扫描，如果所述激光器被锁定到腔的话。当激光波长与腔脱离谐振时(不包括激光器的小波长调制)，所发射的强度会改变。然后信号被发送到激光二极管101以校正波长并且将传输带回到所需的级别。注意，在最大腔传输下，激光器的波长调制并不会导致传输的变化。因此，应当刚好在最大传输下操作腔。当激光强度改变时(由于激光器不稳定)，结果谐振峰值的高度随反馈幅度的后续改变而改变。锁定机制将激光移到新谐振曲线上的另一频率，从而产生相同的反馈幅度。

在光腔内，气室106用来包含待检查的气体样品。作为选择，光腔被气室106封闭。可选地，气室106包括进气口107和出气口108，用于允许气流通过所述气室106。如果将激光波长调谐到分子跃迁，即E_I→E_K，那么较低能级E_I中的一些气体分子将被激发到较高能级E_K。通过与其它原子或分子碰撞，这些受激发分子可以将它们的激发能量转换为为碰撞双方的平移、旋转或振动能量。在热平衡时，这造成热能增加，导致气室106内温度和压力的局部升高。光的每个脉冲将在下一脉冲到达之前使压力增加，在此之后所述压力可再次减小。压力的增加和降低将以斩波频率产生声波。可以使用声室来放大声信号，所述声室具有用于以斩波频率进行谐振的合适尺寸。在气室106中间的是用于将声波转换为电信号的换能器109。优选地，换能器109是具有谐振频率的晶体振荡器，例如石英音叉，其可以拾取由气体中所吸收的光产生的声波。使用晶体振荡器可以使声室变得不是必需的。

如参考图2和3所阐明的，使用在调制频率以上的斩波频率可以减少反馈回路的响应时间。

图2示出了在依照现有技术的反馈回路中信号与时间的关系。虚线示出了用于光源101的驱动信号202。优选地，光源101是二极管激光器101并且驱动信号202由激光驱动器提供。驱动信号202还用作反馈回路的基准信号。二极管激光器101提供具有对应于驱动信号202的波长调制的激光束。激光束被斩波器103斩波并且通过光腔发送。通过光腔放大光强度取决于激光束的波长。结果，可以利用探测器110来测量调制信号。探测器信号201被发送到电子系统111，例如锁相放大器，其中使用调制的基准信号202来解调探测器信号201。解调信号表示激光波长相对于光腔的最优波长的位置。如果信号为正，那么所述位置在谐振波长的一侧，并且如果所述信号为负，那么所述位置在另一侧。信号的幅度与到最优位置的距离相对应。

还可以调制腔镜104a、104b的位置而不是调制激光波长。与先前实施例的差别在于调制信号现在被发送到压电驱动器105而不是激光器。此实施例的优点在于由于压电更快(＞1kHz)并且比调谐激光波长更稳定，所以反馈可以更迅速并且不必结合激光器稳定性。另外，激光器可能不能完全地调谐其波长，或者所述激光器可能不能足够快地调谐其波长。

取决于应用腔长调制还是波长调制，所解调的信号经由各自的比率调制装置114或113发送到压电驱动器105或激光驱动器(一般经由额外的放大器)。然后所解调的信号被添加到已经发送到压电驱动器105或激光驱动器的电压上。以这种方式，腔长或激光波长将分别锁定于所述激光波长或腔长。

由于激光束的斩波，在一半时间内，探测器信号201将是零并且无法用于反馈。在现有技术中(参见Rossi等人)，这一问题通过使用至少为斩波频率二倍并且优选为三倍的调制频率来解决。如在图2中所见，这产生探测器信号201，对于斩波频率的每个周期来说，所述探测器信号201包括至少一个周期的调制信号。通过在更长周期上监控反馈信号201，斩波效应最终得到平衡。此现有技术方法的缺点在于平衡斩波效应花费很多时间并且造成响应时间对于便携式应用来说太长。

图3示出了在依照本发明实施例的反馈回路中信号与时间的关系。依照本发明，斩波频率高于腔镜位置或激光波长的调制频率。优选地，使用在斩波频率谐振的晶体振荡器。由于晶体振荡器109的高灵敏度，不需要声室来放大压力变化。在此示例性实施例中，斩波频率大约为调制频率的9倍。因为不存在其中没有反馈信号301的长周期，所以不必长时间监控反馈信号301来平衡斩波效应。因此，反馈回路的响应时间比现有技术短得多。

图4示出了本发明使用的反馈方法的流程图。在驱动器步骤41中，光源驱动器向光源101发送驱动信号并且向反馈电子设备111发送基准信号。驱动信号和基准信号包括在调制频率f_mod上的小调制。然后在光产生步骤42中，产生具有对应于驱动信号中的调制的波长调制的连续光束。在斩波器步骤43中，以斩波频率f_chop从连续光束中产生光脉冲。在放大步骤44中，如果光腔的长度匹配光的波长，那么所述光被光腔放大。此后，在检测步骤45中，探测器110测量在光腔后面的光强度并且向反馈电子设备111提供探测器信号。在波长反馈步骤46中，处理探测器信号和驱动信号以向光源驱动器提供反馈信号。随后，反馈信号由光源驱动器用来适应驱动信号和基准信号。利用此反馈回路，光束的平均波长被重复地适于腔长。如上面参考图3所阐明的，斩波频率f_chop高于调制频率f_mod以减少反馈回路的响应时间。

图5示出了本发明使用的另一反馈方法的流程图。图5的方法类似于图4的方法。主要区别在于并不调制光束的波长。而是，调制光腔的长度。在步骤51，光源驱动器将驱动信号发送至光源101。并不调制驱动信号。在步骤57，例如压电驱动器的镜致动器105调制腔镜104a、104b中至少一个的位置来改变所述腔的长度。同时，对应于位置调制的尺寸基准信号被发送至反馈电子设备111。以调制频率f_mod执行对腔镜104a、104b的位置的调制。正如参考图4所描述的，执行光产生步骤42、斩波器步骤43、放大步骤44和检测步骤45。在尺寸反馈步骤56中，处理探测器信号和尺寸基准信号以向镜致动器105提供反馈信号。随后，反馈信号由镜致动器105用来适应光腔的尺寸。利用此反馈回路，重复地使腔长适于光束的平均波长。如上面参考图3所阐明的，斩波频率f_chop高于调制频率f_mod以减少反馈回路的响应时间。

应当注意，光腔和晶体振荡器的有益组合在原理上还可以使用不同的反馈回路和/或调制方案在痕量气体探测器中实现。当使用晶体振荡器来代替麦克风时，重要的是使用与所述晶体振荡器的谐振频率匹配的斩波频率。

应当注意，上述实施例解释而并非限制本发明，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围内的情况下可以设计很多替换的实施例。在权利要求中，不应当将置于括号内的任何参考符号看作是对权利要求的限制。动词“包括”的使用及其变型不排除在权利要求中声明之外的元件或步骤的存在。位于元件之前的冠词“一个”或“一种”并不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件来实现，也可以借助于适当编程的计算机来实现。在列举多个装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以被具体化为同一个硬件项。在彼此不同的从属权利要求中记载的某些方法这一事实并不意味着这些方法的组合是无益的。

Claims (6)

1.一种用于检测气体混合物中痕量气体的浓度的光声痕量气体探测器(100)，所述光声痕量气体探测器(100)包括：

用于生成光束的光源(101)；

用于以斩波频率将所述光束调制为一系列光脉冲以在所述气体混合物中产生声波的光调制器(103)，所述声波的振幅为所述浓度的量度；

用于包含所述气体混合物并且用于放大所述光脉冲的光强度的光腔(104a，104b)；

用于将所述声波转换为电信号的换能器(109)；以及

反馈回路(110，111，113，114)，用于调整所述光腔(104a，104b)的长度和所述光束的波长的比率以在所述光腔(104a，104b)中放大所述光脉冲的所述光强度，所述反馈回路(110，111，113，114)包括：

比率调制装置(113，114)，用于以调制频率调制所述比率；

光探测器(110)，用于测量所述光脉冲的所述光强度；以及

调节装置(111)，被耦合到所述光探测器(110)和所述比率调制装置，用于根据所测量的光强度来调节所述比率的平均值，

其特征在于：

所述斩波频率高于所述调制频率。

2.如权利要求1所述的光声痕量气体探测器(100)，其中所述斩波频率至少比所述调制频率高三倍。

3.如权利要求1所述的光声痕量气体探测器(100)，其中所述换能器(109)为晶体振荡器。

4.如权利要求3所述的光声痕量气体探测器(100)，其中所述晶体振荡器是石英音叉。

5.如权利要求1所述的光声痕量气体探测器(100)，其中所述比率调制装置(113)被配置为调制所述光束的所述波长。

6.如权利要求1所述的光声痕量气体探测器(100)，其中所述比率调制装置(114)被配置为调制所述光腔的所述长度。

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