CN107003232A - 光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种能够使用光谱法对样品中的材料浓度值进行高灵敏度测量的系统。该系统利用具有减少的总信道的传感器输出的原始信号进行高速数据采集和高分辨率采样，并使用傅里叶变换方法对信号进行频率分析，以并行处理所有传感器通道。当每个传感器以某些特定频率对某些材料进行检测时，系统能够以高测量灵敏度和高速度同时对样品中感兴趣的多种材料进行检测。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月12日提交的美国临时申请No.62/090,944的权益，其内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及光谱系统。更具体地，本发明涉及一种用于测量样品中材料浓度值的光谱系统。
背景技术
正在开发用于高灵敏度气体检测的光学仪器，以用于未来的环境、工业和健康监测应用。为了测量光谱测量系统中的多个传感器通道，常规方法使用多个数据采集通道，或者使用时分复用方法将多个传感器输出连接至相同的数据采集通道。这些解决方案由于数据采集通道数量的增加而导致更高的系统总成本或者由于死区测量时间而导致传感器输出信号的较低效率使用。
图1是现有的用于多种气体成分检测的光谱系统的示意图，如于以下文献中所公开的：“Compact Portable QEPAS Multi-gas Sensor”,Proc.of SPIE Vol.7945,2011。当激光是由频率为f的正弦波形调制时，则传感器输出中的材料吸收信号位于2f的谐波频率处，以及谐波频率2f处的信号强度与样品中的材料浓度值成比例。处理的数据被传送到其他设备(即，经由RS232通信端口至另一计算机)以进行显示和存储。该系统也向用户提供频率为2f的信号的监控端口。
如图1所示，各传感器(称为分光仪的改进型石英音叉，其为一种压电元件)由SPhl-SPh4表示。互阻抗放大器(TA)连接到每个传感器，以将由传感器产生的微小压电电流信号转换成待数字化的电压信号。通过设备(COMM)将来自四个传感器的电压信号组合成一个频率为2f的信号。该信号组合装置可以是电压组合器或信号开关。
图2示出了使用锁定放大器来测量在指定的调制频率下的传感器信号强度，如以下公开所披露的：“Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy”,Opt.Lett.V27,1902,2002。因为锁定放大器因其从极其嘈杂的环境中提取具有已知载波频率的信号的能力而是众所周知的，所以根据提供给锁定放大器的参考频率，该系统能够一次检测一个传感器的调制频率。然而，系统的总测量时间是每个传感器通道的测量时间的总和。
在光谱测量中，当光能被目标样品材料吸收时，吸收能量的一部分被转换成其它形式的能量，例如从样品辐射的不同波长的光、超声波和热能。可以使用特殊的传感器来检测来自样品的辐射能量。为了使传感器有效地区分样品辐射能量与其他环境噪声，通常及时对激发光进行强度调制或波长调制，样品的辐射能量具有相同的调制频率。由于传感器通常被设计为具有一个基本谐振频率，因此重要的是，选择光源的强度调制频率来匹配传感器的谐振频率以产生最大检测效率。
如图1所示，通常使用正弦波形来调制光谱测量中使用的光源的强度或波长。由于样品中的能量转换过程通常不是完美的线性过程，因此样品辐射能将包含基本调制频率和谐波分量。只有一个谐振频率的传感器只能响应一个频率激励，并且在谐波频率处有很弱的或没有响应。调制频率谐波处的样品辐射能量不能被传感器检测到，因而被浪费。
如上所述，现有系统非常复杂且效率低下。因此，需要解决在使用光谱分析方法来进行高灵敏度材料分析中存在的挑战，其要求增加的样品测量通道、降低的系统复杂性、提高的测量效率和检测灵敏度。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种用于测量样品中的材料浓度值的系统，包括：以不同频率调制的多个激光源，每个激光源将光发射至样品中；多个传感器，用于检测来自样品的输出信号；信号组合器模块，用于将由所述多个传感器检测到的输出信号组合成一组合信号；数据采集(DAQ)装置，用于数字化组合信号；傅立叶变换单元，用于对数字化信号进行傅里叶变换，以并行获得每个调制频率的信号强度；和数字信号处理器，用于计算样品中的材料浓度值。
本发明的另一个实施例提供了一种用于测量样品中的材料浓度值的方法，包括：将来自以不同频率调制的多个激光源的光引导至样品中；用多个传感器检测来自样品的输出信号；将由所述多个传感器检测出的输出信号组合并转换为电压信号；数字化电压信号；对数字化信号进行傅立叶变换，以并行获得每个调制频率的信号强度；并计算样品中的材料浓度值。
本发明的另一个实施例提供了一种用于补偿激光源的调制中心波长漂移的方法，包括：将中心波长的漂移转换为脉冲信号，脉冲信号的占空比是与中心波长漂移成比例；测量脉冲信号的占空比以确定中心波长的漂移；并产生用于激光源的电流驱动器的控制信号以补偿漂移。
本发明的另一实施例提供了一种用于提高光谱系统的检测灵敏度的方法，包括：产生连接到激光源驱动器的调制波形；将来自激光源的调制光传输通过参比池并检测参比池的样本吸收曲线；测量样品吸收频谱；测量传感器频率响应谱并识别传感器峰值响应频率；并设计定制的调制波形，以提高样品吸收频谱中传感器峰值响应频率的信号强度。
附图说明
图1示出了用于多个气体成分检测的现有光谱系统；
图2示出了采用锁定放大器来测量在指定调制频率下的传感器信号强度的现有方法；
图3示出了根据一实施例的用于同时测量多个材料成分的光谱系统。
图4示出了根据一实施例的用于补偿激光源调制中心波长漂移的布置；
图5示出了根据另一实施例的用于补偿激光源调制中心波长漂移的布置；
图6示出了使用根据一实施例的方法的人体呼吸中CO浓度的测量结果；
图7示出了提高光谱系统的测量灵敏度的方法；
图8示出了在其谐振频率32764.4Hz附近的l0Hz范围内的传感器的测量的频率响应曲线；
图9示出了在25kHz至100kHz的较大频率范围内与图7中相同的传感器的测量频率响应曲线；
图10示出了当通过正弦波形调制激光源时样品吸收曲线的典型时间曲线；
图11示出了图9中的样品吸收曲线的傅立叶变换，以显示其频率分量；
图12示出了当通过定制的驱动波形调制激光源时优化的样品吸收曲线的时间曲线；
图13示出了图11中的优化的样品吸收曲线的傅立叶变换，以显示其频率分量。
具体实施方式
根据本发明的原理的说明性的实施例的描述旨在结合附图来阅读，其中附图将被认为是整个书面描述的一部分。在本文公开的本发明的实施例的描述中，对于方向或取向的任何参考仅仅是为了方便描述，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。相对术语如“下方的”、“上方的”、“水平的”、“垂直的”、“之上”、“之下”、“上”、“下”、“顶”和“底”，以及其派生词(如“水平地”、“向下地”、“向上地”等)应当被解释为指的是如所描述的或如所讨论的图中所示的取向。这些相对术语仅用于描述的方便，并不要求将设备构造或操作在特定方向，除非明确指出。诸如“附接”、“附加”、“固定”、“耦合”、“互联”和类似的术语是指其中结构通过中间结构直接或间接地彼此固定或附接的关系，以及两者可移动或刚性附件或关系，除非另有明确说明。此外，通过参考示例性实施例来说明本发明的特征和益处。因此，本发明明确地不应限于此类示例性实施例，其示出了可能单独存在或以特征的其他组合存在的特征的一些可能的非限制性组合；本发明的范围由所附权利要求限定。
本公开描述了目前预期的实施本发明的一个或多个最佳模式。本说明书并不旨在被理解为限制性的，而是提供仅用于通过参考附图的说明性目的本发明的实例，以向本领域技术人员建议本发明的优点和结构。在附图的各种视图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。
传统的光谱分析系统使用离散的传感器，每个传感器针对要检测的一种材料，并且每个传感器具有它自己的连接到数据采集(DAQ)装置的信号输出通道。所述系统需要多个DAQ通道或为所有传感器分时(time-sharing)相同DAQ通道。
本文公开了一种系统，其利用一个高速数据采集通道对来自多个传感器的输出信号进行采样，随后进行傅里叶频率分析以同时处理多个传感器通道。来自新系统中多个传感器通道的信号以信号频率进行复用，并可同时数字化和并行处理。由于数据采集和处理通道总体减少，系统效率更高，以及系统可能具有实现比传统系统更高的检测灵敏度的潜力。
图3示出了根据一个实施例的能够同时测量同一样品中的多种材料成分的光谱系统。多个激光源311、312、313、314以针对不同传感器331、332、333、334优化的不同基频(f1-f4)进行调制。在一个实施例中，传感器具有不同的谐振频率。在另一个实施例中，传感器基于使用石英音叉(QTF)作为声振荡的检测器，声振荡是通过光辐射在吸收气体中引起的。考虑其他类型的光谱传感器。每个传感器的输出信号主要在激发激光调制频率的二次谐波(2f1至2f4)处。注意，为了明确和不失一般性，图3中示出了4个激光源和4个传感器。应当理解，本公开的系统可以容纳不同数量的激光源和不同数量的包括单个通道的传感器。
来自不同传感器的不同信号频率在信号组合器340处组合成组合信号。在一个实施例中，信号组合器可以是互阻抗放大器，或电压相加电路并且组合信号是电压信号。高速数据采集(DAQ)装置350以至少或高于奈奎斯特采样率所需要的采样率数字化组合信号，以提高测量信号的SNR(信噪比)。处理单元360对数字化信号进行傅里叶变换，以计算组合信号的频谱。在傅里叶变换过程中并行地获得不同调制频率下的信号强度。数字信号处理器370执行包括滤波、平均和背景相减的必要的信号处理步骤，以获得作为测量结果380的材料浓度值。应当理解，傅立叶变换和数字信号处理可以由配置有指令或编程代码的一个或多个电路、处理器或子系统执行以完成一个或多个这样的功能。
一实施例包括以下三个方面：(1)使用信号组合器将来自多个传感器的输出信号组合进一个模拟信号通道。使用一个高速模数转换通道对一个模拟通道中的组合信号进行数字化；(2)模数转换的采样率等于或高于奈奎斯特采样理论所需的采样率，以捕获最高感兴趣的频率信号：(3)对数字化信号进行傅立叶变换，以同时计算所有频率分量的信号强度，进而分离来自不同传感器的信号；和(4)数字信号处理器并行地计算所有传感器通道中的样品材料浓度值。
根据一个实施例的测量方法采用用于光谱测量系统中的数据采集和信号处理的高速DAQ卡和傅立叶变换，并且该测量方法可以应用于具有一个或多个传感器通道的系统。与使用用于信号检测的锁定放大器的常规系统相比，该方法是一种改进。在根据一个实施例的方法中，来自所有传感器通道的原始信号被频率复用到一个信号路径中，在模数转换期间以最高可能的电压分辨率和时间分辨率被捕获，并且使用傅里叶变换被并行处理。相反，锁定方法使用非常窄的带通滤波器，通过抑制所有其它频率分量来检测感兴趣的频率的信号。利用根据一个实施例的方法，信号检测效率明显更高。
在使用光谱系统测量样品中的材料浓度值时，需要补偿激光源的调制中心波长的漂移。
图4示出了设计为补偿用于材料吸收光谱测量的激光源的调制中心波长漂移问题的实施例。在一个实施例中，激光调制中心波长漂移作为用于处理器的电压信号被检测，以进行监视和控制其恒定。这个目标是通过三个步骤实现的：(1)将激光中心波长漂移转换为脉冲信号，使得脉冲信号的占空比与中心波长漂移成比例；(2)测量脉冲信号424的占空比并使用模数转换器(ADC)416将其转换成由处理器414检测的电压信号；(3)处理器通过数模转换器(DAC)412输出控制信号，以控制从激光器426的电流控制器418输出的直流偏置电流，以补偿波长漂移。
如图4所示，任意波形发生器(AWG)422向激光电流驱动器418提供调制波形，使得激光输出波长扫描参比池(reference cell)428中的材料的吸收波长。参比池428包含吸收与系统要检测的样品相同的波长的样品。然后通过检测器432检测激光通过参比池428的传输。来自AWG的触发输出连接到脉冲发生器434的一个输入端口，以及检测器输出端连接到同一脉冲发生器434的另一个输入端口，AWG触发器将在调制周期开始时将脉冲发生器输出设置为高逻辑电平，以及光检测器输出中的吸收事件将脉冲发生器输出设置为低逻辑电平。脉冲的上升沿和下降沿分别与触发事件和波长吸收事件同步。因此，保持在高逻辑电平的脉冲发生器输出的占空比与发生在调制触发事件的时间和发生波长吸收事件的时间之间的时间延迟成比例。占空比的变化意味着激光源的调制中心波长的漂移。脉冲占空比测量模块424测量从脉冲发生器434输出的作为电压信号的脉冲信号的占空比。在一个实施例中，脉冲占空比测量模块424使用电阻-电容网络。
由于脉冲占空比测量的输出是电压信号，而电流驱动器所需的直流偏置控制输入也是电压信号，所以如图5所示的专用放大器510，可以设计为替代需要一个额外的ADC416和DAC412的基于处理器的控制环路。图5示出了根据一实施例的能够自动补偿激光源的调制中心波长漂移的电路。图4所示的处理器414、ADC416和DAC412被放大器510代替。在一个实施例中，“边沿触发的”置位-复位(SR)锁存器520执行脉冲发生器434的功能。
图6示出了使用根据一实施例的方法的实验的结果。例如，该实验测量了几个受测试者(吸烟和无吸烟)的人体呼吸中的CO水平测量。该结果通过使用高速数据采集后并通过傅里叶变换的软件进行计算的。QTF气体传感器的共振频率(32768Hz)处的信号强度与靶向气体(CO)浓度成比例。
在软件显示中，水平轴是时间，纵轴是与人体呼吸中的CO浓度成比例的信号强度。如图6所示，在显示的右半部分，共有10个信号峰值对应于来自多个受试者的10个测试。每次测试的时间约为15秒。
在针对样品中材料浓度值的测量的光谱系统中，由样品吸收的光以诸如热或超声波的其它类型的能量辐射出去，所述能量是可由传感器检测到的。系统的检测灵敏度高度地取决于辐射能量与传感器之间的转换效率。
图7示出了提高光谱系统的检测灵敏度的一种方法：通过设计定制调制波形，其中在样品吸收频谱中的传感器峰值响应频率处具有改善的信号强度。这个目标是通过以下步骤实现的：(1)使用任意波形发生器422来生成提供给激光源426的驱动器418的定制调制波形710，并将调制光通过参比池428发送到检测器432，以获得参考样品吸收曲线712；(2)使用频率分析器716进行参考样品吸收曲线712的频率分析，得到样品吸收频谱720。(3)使用波形发生器422产生连接到传感器740的激励波形730，并使用信号处理器742测量传感器频率响应谱744，并识别传感器峰值响应频率746；(4)设计定制的调制波形710，使得样品吸收频谱720中的传感器峰值响应频率746处的信号强度得到改善。当输出波长非常接近于样品的吸收波长时，该方法具有降低激光源的波长扫描速度的效果，并且当激光输出波长在样品的吸收波长窗口中时，允许样品和激光器之间更长的相互作用时间，以增加从传感器输出的检测的信号强度。
图8示出了在32764.4Hz的基本谐振频率附近的10Hz范围内的石英音叉传感器的测量的频率响应谱。这通过在测试频率范围内扫描来自波形发生器的激励波形的频率，并测量作为激励频率的函数的传感器输出信号强度而获得。该频率响应曲线意味着传感器对发生在32764.4Hz的任何环境扰动，例如超声波振动或电流刺激，比其在他频率更为敏感。图9显示了在25kHz至100kHz频率范围内同一传感器的测量的频率响应谱。图9显示了，传感器只有在32764.4Hz的基频处的一个谐振峰值，但是在二次谐波频率65528.8Hz、三次谐波频率98293.2Hz处没有可见的谐振峰值。因此，32764.4Hz被识别为传感器的峰值响应频率。
图10显示了可以在示波器上测量的两个信号。顶部信号是典型的样品吸收曲线，其示出了光通过包含在参比池中的样品的光功率变化。底部信号是提供给激光源的电流驱动器的调制波形。该信号通常是正弦波形。激光源的输出光功率和波长是由该波形调制。当激光源以f＝16382.2Hz的频率进行调制时，吸收峰值在2f＝32784.4Hz出现。这是因为对于每个调制周期，激光输出波长扫描样品吸收线两次，一次向前扫描和一次向后扫描。
图11示出了图9中样品吸收曲线的在信号的傅里叶变换之后的频率分量。它表明样品吸收曲线包含多个频率分量：频率为32764.4Hz的基频，频率为65528.8Hz的二次谐波，频率为98293.2Hz的三次谐波。这意味着当激光源被正弦波形调制时，从用于检测的样品辐射出的能量具有基频和谐波分量。如果只有基频谐振频率的如图7所示的传感器用作样品辐射能的检测器，则只有基频处的能量才能与传感器共振并被检测；谐波频率下的样品辐射能量不能被传感器检测到，从而被浪费。
图12示出了使用与图10类似的方法测量的两个信号。顶部信号是优化的样品吸收曲线，其示出了光通过包含在参比池中的样品后的光功率变化。底部信号是提供给激光源的电流驱动器的定制驱动波形，所述底部信号不是正弦波形。该信号被定制以改变靠近样品的吸收波长的激光的波长扫描速度，目的是将样品吸收曲线转换成针对传感器优化的正弦形状。实现这一目标的一个重要步骤是当输出波长非常接近于样品的吸收波长时，降低激光源的波长扫描速度，当激光输出波长在样品的吸收波长窗口时，基本上允许样品和激光器之间更长的相互作用时间。
图13示出了图12中优化的样品吸收曲线在信号的傅里叶变换之后的频率分量。它显示当激光源是由定制波形调制时，优化后的吸收曲线仍然包含频率为32764.4Hz的基频分量，但频率为65528.8Hz的二次谐波分量、频率为98293.2Hz的三次谐波分量与图11相比是比较弱。最重要的是，基频分量的强度比如图11中所示的强。这意味着当激光源是由定制的波形调制时，从样品辐射的能量具有很强的基频分量和弱的谐波分量。如果使用如图8所示的仅具有一个谐振频率的同一个传感器，则传感器可以输出较大的信号。因此，定制的调制波形产生在传感器峰值响应频率32764.4Hz下的更强的信号强度。传感器峰值响应频率下样品辐射能量的改善的信号强度可有利于系统的检测灵敏度。
虽然已经使用若干描述的实施例详细地和一些特殊性地描述了本发明，但是并未旨在将其限制于任何这样的细节或实施例或任何特定实施例，而是应当通过参考所附权利要求来解释，以便根据现有技术提供对这种权利要求的最广泛的可能解释，并且因此有效地涵盖了本发明的预期范围。此外，上述内容根据发明人所预见的实现方式描述了本发明，尽管如此，尽管未发现本发明的非实质性修改，但仍可表示其等价物。
Claims (15)
1.一种用于测量样品中材料浓度值的系统，包括：
以不同频率调制的多个激光源(311、312、313、314)，每个激光源将光发射至样品(320)中；
多个传感器(331、332、333、334)，用于检测来自样品的输出信号；
信号组合器模块(340)，用于将由所述多个传感器检测到的输出信号组合成一组合信号；
数据采集(DAQ)装置(350)，用于数字化组合信号；
傅立叶变换单元(360)，用于对数字化信号进行傅里叶变换，以并行获得每个调制频率的信号强度；和
数字信号处理器(370)，用于计算样品中的材料浓度值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个激光源(311、312、313、314)是波长调制的或强度调制的。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器(331、332、333、334)具有不同的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器(331、332、333、334)是石英音叉(QTF)传感器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信号组合器模块(340)是互阻抗放大器或电压相加电路。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述DAQ设备(350)以至少为奈奎斯特采样率的采样率数字化所述组合信号。
7.一种用于测量样品中材料浓度值的方法，包括：
将来自以不同频率调制的多个激光源(311、312、313、314)的光引导至样品(320)中；
利用多个传感器(331、332、333、334)检测来自样品的输出信号；
将由所述多个传感器检测出的输出信号组合并转换为电压信号；
数字化组合电压信号；
对数字化信号执行傅里叶变换，以并行获得与每个调制频率的每个传感器通道对应的信号强度值；和
计算样品中的材料浓度值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个传感器(331、332、333、334)具有不同的谐振频率。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个激光源(331、332、333、334)是石英音叉(QTF)传感器。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述输出信号是由互阻抗放大器或电压相加电路组合。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述电压信号以至少奈奎斯特采样率的采样率进行数字化。
12.一种用于补偿激光源(426)的调制中心波长漂移的方法，包括：
将中心波长的漂移转换成脉冲信号，以及脉冲信号的占空比是与中心波长的漂移成比例；
测量脉冲信号的占空比以确定中心波长的漂移；和
产生用于激光源的电流驱动器的控制信号以补偿漂移。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述中心波长的偏移转换为脉冲信号，包括：
通过波形发生器(422)将调制信号提供给激光源的驱动器；
通过波形发生器(422)向脉冲发生器(434)提供触发信号；
将调制信号通过参比池(428)发送至检测器(432)中；
将检测器输出连接到脉冲发生器(434)；和
由脉冲发生器输出脉冲序列，所述脉冲序列具有与调制波形触发事件和样品波长吸收事件同步的脉冲的上升沿和下降沿。
14.一种用于提高光谱系统的检测灵敏度的方法，包括：
产生连接到激光源驱动器的调制波形；
将来自激光源的调制光传输通过参比池并检测参比池的样品吸收曲线；
测量样品吸收频谱；
测量传感器频率响应谱并识别传感器峰值响应频率；和
设计定制的调制波形，以提高样品吸收频谱中传感器峰值响应频率处的信号强度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，设计定制的调制波形，包括：
当激光输出波长接近样品的吸收峰值波长时，降低激光波长调制速度。
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| CN111220513A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-06-02 | 石家庄铁道大学 | 一种基于数字锁相和光声光谱技术的雾霾检测装置及方法 |
| CN112881296B (zh) * | 2021-01-20 | 2023-02-28 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 用于光声光谱装置环境因素影响分析的实验平台 |
| CN113890691B (zh) * | 2021-09-29 | 2024-04-23 | 天翼物联科技有限公司 | 数据传输控制方法、装置、物联网终端及存储介质 |
| DE102022128472A1 (de) * | 2022-10-27 | 2024-05-02 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Anordnung und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Stoffe in einem flüssigen oder gasförmigen Medium |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6332868B1 (en) * | 1999-02-12 | 2001-12-25 | Kao Corporation | Method for evaluating skin conditions |
| US20100242572A1 (en) * | 2006-10-28 | 2010-09-30 | James Yu | Wavelength modulation spectroscopy for simultaneous measurement of two or more gas ingredients |
| US20110216311A1 (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-08 | Li-Cor, Inc. | Method and apparatus for locking a laser with a resonant cavity |
| CN103180698A (zh) * | 2010-10-28 | 2013-06-26 | 英派尔科技开发有限公司 | 光声传感器 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| IL86759A (en) * | 1988-06-16 | 1992-09-06 | Dror Nedivi | Medical monitoring system |
| US5127267A (en) * | 1991-01-18 | 1992-07-07 | Southern California Gas Company | Acoustic method for locating concealed pipe |
| US5381473A (en) * | 1992-10-29 | 1995-01-10 | Andrea Electronics Corporation | Noise cancellation apparatus |
| WO2005075963A1 (en) * | 2002-05-03 | 2005-08-18 | Rakesh Kapoor | Evaluation of multicomponent mixtures using modulated light beams |
| WO2007056772A2 (en) * | 2005-11-09 | 2007-05-18 | William Marsh Rice University | Modulation cancellation method in laser spectroscopy |
| US20080277586A1 (en) * | 2007-05-07 | 2008-11-13 | Dennis Cardinale | Low-Power Fast Infrared Gas Sensor, Hand Held Gas Leak Detector, and Gas Monitor Utilizing Absorptive-Photo-Acoustic Detection |
| EP1990629A1 (en) | 2007-05-07 | 2008-11-12 | Core Enterprises Inc. | Low-power fast infrared gas sensor, hand held gas leak detector, and gas monitor utilizing absorptive-photo-acoustic detection |
| RU77441U1 (ru) * | 2008-06-10 | 2008-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Устройство для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя |
| WO2010106064A1 (de) * | 2009-03-17 | 2010-09-23 | Siemens Aktiengesellschaft | Nicht-lineare wellenlängenmodulation bei der laserspektroskopie |
| US20120250881A1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | Mulligan Daniel P | Microphone biasing |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6332868B1 (en) * | 1999-02-12 | 2001-12-25 | Kao Corporation | Method for evaluating skin conditions |
| US20100242572A1 (en) * | 2006-10-28 | 2010-09-30 | James Yu | Wavelength modulation spectroscopy for simultaneous measurement of two or more gas ingredients |
| US20110216311A1 (en) * | 2010-03-02 | 2011-09-08 | Li-Cor, Inc. | Method and apparatus for locking a laser with a resonant cavity |
| CN103180698A (zh) * | 2010-10-28 | 2013-06-26 | 英派尔科技开发有限公司 | 光声传感器 |
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