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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur optischen Detektion
eines chemischen Stoffs gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Verfahren zum optischen Detektieren von insbesondere
polaren Gasen und Verwendungen des Sensors bzw. Verfahrens.
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Bei
der vorliegenden Erfindung geht es um die optische Detektion von
chemischen Stoffen, insbesondere Gasen. Unter dem Begriff "Detektion" bzw. "detektieren" ist hier insbesondere
nicht nur das Feststellen des Vorhandenseins des jeweiligen Stoffs,
sondern darüber
hinaus auch das (mögliche) Bestimmen
des absoluten Gehalts, des relativen Anteils und/oder die Unterscheidung
zwischen verschiedenen Stoffen, Isomeren o. dgl. zu verstehen.
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Der
Artikel "Selective
optical detection of aromatic vapors" von Robert P. Podgorsek et al., erschienen
in "Applied Optics", Vol. 41, Nr. 4,
Seiten 601 bis 608, vom 1. Februar 2002, der den Ausgangspunkt der
vorliegenden Erfindung bildet, offenbart einen Sensor zur optischen
Detektion aromatischer Dämpfe.
Der Sensor weist ein Prisma in Form eines rechtwinkligen Dreiecks
auf, das an einer Kathetenseite ein Sensorelement aufweist und an
der anderen Kathetenseite verspiegelt ist. Das Sensorelement bildet
ein optisches Resonanzsystem und besteht aus einer Zwischenschicht
aus Silber und aus einem Polymerfilm aus Teflon. Die Polymerschicht
ist ausreichend porös,
so daß aromatische
Gase, wie Xylole, hinein diffundieren können. Die Gasfront der in die
Polymerschicht diffundieren den Gasmoleküle ist optisch detektierbar.
Polarisiertes Laserlicht wird über
die Hypotenuse in das Prisma eingeleitet und fällt schräg auf das Sensorelement, von
dem es auf die verspiegelte Kathetenseite und von dort zu einem Erfassungssystem
reflektiert bzw. abgelenkt wird. Die Reflektion am Sensorelement
hängt von
der Wellenlänge
und von der Gasfront bzw. Gaskonzentration in der Polymerschicht
bei entsprechender Polarisation des Lichts aufgrund Leckmoden und
Oberflächenplasmonenresonanzen
ab. So ist eine sehr selektive optische Detektion von aromatischen
Gasen bzw. Dämpfen
möglich.
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Weitere,
insbesondere theoretische Einzelheiten zur optischen Bestimmung
von Moleküldiffusionskoefizienten
in Polymerfilmen und zur optimierten Leckmodenspektroskopie ergeben
sich aus den Artikeln "Optical
determination of molecule diffusion coefficients in polymer films" von R.P. Podgorsek
et al., erschienen in "Applied
Physics Letters",
Vol. 73, Nr. 20, Seiten 2887 bis 2889, vom 16. November 1998, und "Optimized leaky mode
spectroscopy with a single planar film" von M. Leitz et al., erschienen in "Applied Physics Letters", Vol. 77, Nr. 17,
Seiten 2674 bis 2676, vom 23. Oktober 2000.
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Die
US 5,815,278 A offenbart
einen optischen Sensor zur Oberflächenplasmonenspetroskopie mit
breitbandigem Licht oder Weißlicht.
Das Licht wird über
eine Hälfte
eines sphärischen
Kollimators in einen Wellenleiter eingekoppelt und am Ende des Wellenleiters
reflektiert. Das reflektierte Licht wird über die andere Hälfte des
Kollimators auf einem Empfänger
zur räumlichen
Auflösung
des reflektierten Lichts gelenkt. Ein Sensorelement ist seitlich
an dem Wellenleiter zur Wechselwirkung mit dem Licht im Wellenleiter
angeordnet. Entsprechend wird hier nur die Oberflächenplasmonenresonanz
ausgenutzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor
zur optischen Detektion eines chemischen Stoffs, ein Verfahren zum
optischen Detektieren eines insbesondere polaren Gases und Verwendungen
des Sensors bzw. Verfahrens anzugeben, wobei bei einfachem, kostengünstigem
Aufbau und geringem Aufwand eine sehr schnelle, empfindliche und/oder
selektive Detektion von chemischen Stoffen, insbesondere Gasen,
ganz bevorzugt polaren Gasen, wie Luftfeuchtigkeit, ermöglicht wird.
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Die
obige Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1, ein Verfahren
gemäß Anspruch 20
oder eine Verwendung gemäß Anspruch
25 oder 26 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Sensor
mit nur einem einzigen Anschluß für einen
Lichtleiter zur Zuleitung und Ableitung von Licht, insbesondere
breitbandigem Licht oder Weißlicht,
zu versehen. Dies ermöglicht
einen sehr einfachen, kostengünstigen
und kompakten Aufbau.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das vorzugsweise
ein optisches Resonanzsystem bildende Sensorelement zweifach vom
Licht vor dessen Erfassung bestrahlt. Dies ist einer sehr hohen
Empfindlichkeit bzw. Selektivität
zuträglich
und sehr einfach realisierbar.
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Die
zweifache Bestrahlung ergibt sich insbesondere dadurch, daß in einer
Einfallrichtung schräg auf
das Sensorelement gerichtetes Licht von diesem reflektiert und anschließend auf
das Sensorelement zurückgespiegelt
wird, um dann wieder zurück
in die Einfallrichtung vom Sensorelement reflektiert zu werden.
Dementsprechend ist diese "zweifache
Bestrahlung" auch
besonders gut zur Kombination mit nur einem einzigen Anschluß und Lichtleiter
zur Zu- und Ableitung
des Lichts geeignet.
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Dementsprechend
kann der Sensor sehr kompakt und einfach aufgebaut werden.
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Ein
dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, breitbandiges
Licht oder Weißlicht
einzusetzen, das dann aufgrund der Kombination von Leckmoden und
Oberflächenplasmonenresonanz von
dem von dem Sensorelement gebildeten optischen Resonanzsystem in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge
bzw. Wellenzahl unterschiedlich stark reflektiert wird. In einer
einfachsten Variante erfolgt vorzugsweise nur die Erfassung der
Reflektivität
(Intensität)
nur in einem schmalen Frequenzbank bei festem Einfallwinkel des
Lichts auf das Sensorelement bzw. die Detektionsschicht und darüber die
Detektion eines chemischen Stoffs, insbesondere eines in das Sensorelement
bzw. dessen Detektionsschicht diffundierenden Gases, wie Luftfeuchtigkeit.
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Die
Kombination der zweifachen Bestrahlung mit der Verwendung von breitbandigem
Licht bzw. Weißlicht
ist ebenfalls sehr vorteilhaft, da diese Kombination zu einer sehr
hohen Empfindlichkeit bzw. Selektivität bei geringem Aufwand führt.
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Ein
vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Ionomer,
wie Nafion (Handelsmarke von DuPont), oder Polyimid als Detektionsschicht
zur Detektion von polaren chemischen Stoffen, insbesondere polaren
Gasen, zu verwenden. Versuche haben gezeigt, daß insbesondere Wasser, Propanol
und/oder Ethanol bzw. deren Gase oder Dämpfe sehr schnell mit hoher
Empfindlichkeit bzw. Selektivität
detektierbar sind.
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Weitere
Aspekte, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Sensors gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit einer zugeordneten Auswerteinrichtung;
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2 einen
schematischen ausschnittsweisen Schnitt des Sensors mit einem Sensorelement; und
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3 eine
schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Sensors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
mit einer zugeordneten Auswerteinrichtung.
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In
den Figuren werden für
gleiche oder ähnliche
Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte
Beschreibung aus Vereinfachungsgründen weggelassen ist.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen vorschlagsgemäßen Sensor 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit einer zugeordneten Einrichtung 2 zur Versorgung mit
Licht und Auswertung.
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Der
Sensor 1 dient der optischen Detektion eines chemischen
Stoffs, insbesondere eines Gases, besonders bevorzugt eines polaren
Gases bzw. polarer Gasmoleküle,
beispielsweise von Wasser, Propanol, Ethanol oder dergleichen und
insbesondere von Wasserdampf, Luftfeuchtigkeit, Alkoholdämpfen, Ethanoldämpfen oder
dergleichen.
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Beim
Darstellungsbeispiel sind der Sensor 1 und die Einrichtung 2 als
getrennte Teile ausgebildet. Dies gestattet insbesondere eine optimale
Miniaturi sierung des Sensors 1. Jedoch ist es auch möglich, die
Einrichtung 2 in den Sensor 1 zu integrieren.
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Der
Sensor 1 weist ein Sensorelement 3 auf, das in
einem Lichtpfad 4 liegt bzw. von Licht bestrahlt wird.
Die Zuführung
des Lichts erfolgt insbesondere nur über einen einzigen Anschluß 5 und
einen daran angeschlossenen bzw. anschließbaren Lichtleiter 6.
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Der
Sensor 2 ist vorzugsweise mit Weißlicht oder breitbandigem Licht
betreibbar, das bedarfsweise durch eine LED erzeugbar ist. Alternativ
ist jedoch auch verhältnismäßig oder
sehr schmalbandiges Licht, beispielsweise auch von einer LED insbesondere
mit etwa ± 20
nm, oder Laserlicht einsetzbar.
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Beim
Darstellungsbeispiel erfolgt die Erzeugung des Lichts in der Einrichtung 2,
beispielsweise mit einer Leuchtdiode, an die der Lichtleiter 6 zur
Zuleitung des Lichts zum Sensor 2 angeschlossen ist.
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Der
Lichtleiter 6 ist vorzugsweise vom Sensor 1 trennbar.
Jedoch kann der Lichtleiter 6 auch einen Teil des Sensors 1 bilden,
insbesondere mit diesem baulich fest verbunden sein.
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Der
Sensor 1 weist einen Lichtleitkörper 7, insbesondere
aus Glas oder einem sonstigen geeigneten transparenten Material,
auf.
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Bei
der ersten Ausführungsform
ist der Lichtleitkörper 7 als
Winkelprisma ausgebildet, insbesondere in der Form eines rechtwinkligen
Dreieckprismas. Jedoch kann es sich auch insbesondere um ein sonstiges
gleichschenkliges Dreieckprisma handeln.
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Die
Zuleitung und Ableitung des Lichts erfolgt über eine Kathetenseite bzw.
eine Seite der beiden gleich langen Schenkel. Das Sensorelement 3 ist an
der Hypothenusenseite bzw. an der die beiden gleich langen Schenkel
verbindenden Seite angeordnet.
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Das
zugeführte
bzw. einfallende Licht läuft vom
Anschluß 5 innerhalb
des Lichtleitkörpers 7 zur Hypothenuse,
wo es unter einem Einfallwinkel α auf das
Sensorelement 3 trifft. Der Aufbau, die Funktion und die
Wirkungsweise des Sensorelements 3 werden später anhand
von 2 im einzelnen erklärt.
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Das
Licht wird nach Wechselwirkung mit dem Sensorelement 3 von
diesem wieder reflektiert, und zwar unter dem entsprechenden Winkel α zur anderen
Kathetenseite bzw. Schenkelseite des Lichtleitkörpers 7. Zumindest
in diesem Bereich ist der Lichtleitkörper 7 verspiegelt
oder ein sonstiger Spiegel angeordnet, so daß das Licht von dort wieder
zum Sensorelement 3 zurückgespiegelt
wird. Das Licht trifft also wieder bzw. zum zweiten Mal auf das
Sensorelement 3, insbesondere in dem Bereich des vom Anschluß 5 auf
das Sensorelement 3 treffenden Lichts, also des einfallenden
Lichts. Dieses Rückspiegeln
bzw. das zweite Auftreffen des Lichts auf das Sensorelement 3 wird
bei der vorliegenden Erfindung auch als "zweite Bestrahlung" bzw. "zweifach bestrahlbar" bezeichnet und ist besonders bevorzugt. Die
zweite Bestrahlung führt
dazu, daß das
Licht nochmals mit dem Sensorelement 3 in Wechselwirkung
tritt und so eine besonders hohe Empfindlichkeit bzw. Selektivität erreicht
werden kann.
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Das
Licht wird dann vom Sensorelement 3 wieder zum Anschluß 5 zurück reflektiert
und über den
Anschluß 5 und
den Lichtleiter 6 zur Einrichtung 2 geleitet,
in der ein nicht dargestellter Empfänger angeordnet ist.
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2 zeigt
in einem schematischen, ausschnittsweisen Schnitt den Lichtleitkörper 7 mit
dem ummittelbar auf der Hypotenuseseite angeordneten Sensorelement 3.
Das Sensorelement 3 bildet insbesondere ein optisches Resonanzsystem.
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Das
Sensorelement 3 ist vorzugsweise als Schichtsystem ausgebildet,
das besonders bevorzugt unmittelbar auf den Lichtleitkörper 7 beschichtet ist.
Dies gestattet eine einfache und kostengünstige Herstellung. Jedoch
ist auch jede sonstige Ankopplung des Sensorelements 3 an
das Licht möglich.
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Das
Sensorelement 3 weist eine Detektionsschicht 8 auf,
die vorzugsweise porös
ausgebildet ist. In die Detektionsschicht 8 kann ein zu
detektierender chemischer Stoff 9 diffundieren, wie schematisch durch
Pfeile in 2 angedeutet. Der Stoff 9 liegt
insbesondere in gasförmiger
Form vor. Jedoch ist es grundsätzlich
auch möglich,
daß die
Detektionsschicht 8 unmittelbar mit einer flüssigen Phase
in Kontakt steht, die in die Detektionsschicht 8 diffundiert.
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Aufgrund
der mit der Diffusion einhergehenden Änderung der optischen Eigenschaften
des Sensorelements 3 bzw. der Detektionsschicht 8 ist
eine Bestimmung des Diffusionskoeffizienten und/oder anderer Parameter
möglich.
Aufgrund dieser Diffusionskoeffizienten bzw. Parameter kann eine
Detektion eines bestimmten Stoffs erfolgen. Dies gilt nicht nur beim
Diffundieren in die Detektionsschicht 8, sondern auch beim
Herausdiffundieren aus der Diffusionsschicht 8.
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Die
Detektionsschicht 8 ist vorzugsweise aus einem Ionomer,
insbesondere aus dem unter dem Handelsnamen Nafion von DuPont erhältlichen
Polymer-Material,
oder aus Polyimid, hergestellt.
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Eine
sehr gleichmäßige Detektionsschicht 8 mit
der gewünschten
Dicke von vorzugsweise 0,1 bis 10 μm, insbesondere 1 bis 5 μm, wird gemäß einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
durch sogenanntes Spin-Coating erreicht.
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Das
Sensorelement 3 weist weiter eine Zwischenschicht 10 auf,
die insbesondere einer Anpassung des Brechungsindexes dient. Die
Zwischenschicht 10 enthält
vorzugsweise Metall, insbesondere Gold, Silber und/oder Aluminium,
oder besteht daraus. Die Dicke der Zwischenschicht 10 beträgt vorzugsweise
5 bis 100 nm, insbesondere 10 bis 70 nm.
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Das
Sensorelement 3 wechselwirkt mit dem auftreffenden Licht
in Form von Leckmoden in Kombination mit Oberflächenplasmonenresonanzen. Dementsprechend
variiert die Reflektivität
in Abhängigkeit
sowohl von der Wellenlänge
bzw. Wellenzahl als auch von dem zu detektierenden chemischen Stoff
bzw. dessen Diffusion innerhalb der Detektionsschicht 8.
Zu Einzelheiten und Möglichkeiten,
auch hinsichtlich der Auswertung bzw. Erfassung und Detektion im
eingangs genannten Sinn wird als ergänzende Offenbarung auf die
eingangs genannten Artikel verwiesen, die hiermit als Referenz eingeführt werden.
Diesen Artikeln sind auch weitere Einzelheiten, beispielsweise hinsichtlich
der Polarisation des Lichts zu entnehmen.
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Die
Einrichtung 2 weist vorzugsweise ein nicht dargestelltes
Faserspektrometer auf, um die Information auszuwerten. Alternativ
kann die Einrichtung 2 eine Photodiode zur Erfassung der
Information aufweisen, insbesondere wenn in einem kleinen Wellenlängenbereich
angeregt bzw. mit schmalbandigem Licht oder Laserlicht gearbeitet
wird.
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Der
Lichtleiter 6 endet vorzugsweise in der Einrichtung 2 in
der Form einer optischen Y-Doppelfaser. Über ein Ende einer Faser wird
Licht, beispielsweise einer Halogenlampe oder einer Leuchtdiode,
in die Faser eingekoppelt und zum Sensor 1 geleitet. Nachdem
die Meßinformation
im Lichtspektrum aufgenommen wurde, wird das Licht zu der Einrichtung 2 zurückgeleitet
und über
die andere Faser vorzugsweise zu dem nicht dargestellten Faserspektrometer oder
einer sonstigen geeigneten Meßeinrichtung
in der Einrichtung 2 führt,
wo die Information im erläuterten
Sinne ausgewertet wird. Grundsätzlich
kann auch ein Intensitätsmesser
zur Auswertung genügen.
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Zur
Kollimierung weist der Sensor 1 vorzugsweise einen Kollimator 11 auf,
der beispielsweise in den Anschluß 5 integriert ist.
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Zur
Polarisierung des Lichts in gewünschter Weise – in 1 senkrecht
zur Zeichenebene – weist der
Sensor 1 einen vorzugsweise folienartigen Polarisator 12 auf,
der beim Darstellungsbeispiel zwischen dem Anschluß 5 bzw.
Lichtleiter 6 einerseits und dem Sensorelement 3 oder
dem Lichtleitkörper 7 andererseits
angeordnet ist. Dies ermöglicht
einen einfachen, kompakten und kostengünstigen Aufbau.
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Bei
der ersten Ausführungsform
des Sensors 1 ist der Einfallwinkel α des Lichts fest. Er ist so
gewählt,
daß die
gewünschte
Detektion ermöglicht
wird. Bei Verwendung von Weißlicht
oder sehr breitbandigem Licht entfällt eine Abstimmung der Wellenlänge des
Lichts.
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Versuche
haben gezeigt, daß insbesondere mit
dem besonders bevorzugten Nafion oder Polyimid und mit dem beschriebenen
Aufbau eine sehr hohe Empfindlichkeit bzw. Selektivität mit hoher
Reaktionsgeschwindigkeit erreichbar ist.
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Der
Sensor 1 und das Verfahren können beispielsweise Wasserdampf
mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität detektieren. Der Sensor 1 und
das erläuterte
Verfahren gestatten eine derartig hohe Empfindlichkeit und schnelle
Reaktion, daß beispielsweise
die erhöhte
Luftfeuchtigkeit bei Annäherung
einer Person, insbesondere einer Hand oder eines Fingers, erfaßbar ist.
Dementsprechend ist der Sensor 1 oder das beschriebene
Verfahren gemäß einer
besonders bevorzugten Variante für
einen Näherungssensor,
Näherungsschalter,
sonstigen berührungslosen
Schalter, beispielsweise einen Schwellwertschalter, oder dergleichen
verwendbar. So kann auf sehr einfache, kostengünstige und effektive Weise
beispielsweise die Annäherung
einer Person oder eines Tieres an das Sensorelement 3 erfaßt werden.
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Es
ist aber auch möglich,
die Hautfeuchtigkeit bei Berührung
des Sensorelements 3 mittels des Sensors 1 bzw.
des Verfahrens zu detektieren. Dies kann dann beispielsweise zur
Erfassung einer Berührung
ausgewertet oder für
sonstige Zwecke verwendet werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Variante kann der Sensor 1 bzw. das
Verfahren auch für
einen Alkoholtest verwendet werden. Bei entsprechender Abstimmung
des Sensors 1 bzw. des Verfahrens können nämlich Alkoholdämpfe, insbesondere
Ethanolgase, in der Atemluft oder gegebenenfalls sogar aus der Haut
einer Person detektiert werden, insbesondere um daraus den Alkoholgehalt
im Blut zu bestimmen.
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Nachfolgend
wird eine zweite Ausführungsform
des vorschlagsgemäßen Sensors 1 anhand
von 3 erläutert,
wobei lediglich auf wesentliche Unterschiede gegenüber der
ersten Ausführungsform eingegangen
wird. Die Ausführungen
und Erläuterungen
zur ersten Ausführungsform
gelten also entsprechend oder ergänzend.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
weist der Lichtleitkörper 7 vorzugsweise
die Form eines Halbzylinderprismas auf. Der Anschluß 5 ist
relativ zum Lichtleitkörper 7 auf
einer Kreisbahn bewegbar, wie durch den Doppelpfeil angedeutet.
Dementsprechend ist der Einfallswinkel α bei der zweiten Aus führungsform
einstellbar. So kann auf sehr einfache Weise ein geeigneter Winkel
bei einer gegebenen Materialkonfiguration gefunden werden.
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Optional
ist eine Blende 13 vorgesehen, um Strahlanteile auszublenden,
die durch Reflexion bzw. Brechung an der gekrümmten Prismenoberfläche entstehen.