DE102019001738A1 - Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components - Google Patents

Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components Download PDF

Info

Publication number
DE102019001738A1
DE102019001738A1 DE102019001738.2A DE102019001738A DE102019001738A1 DE 102019001738 A1 DE102019001738 A1 DE 102019001738A1 DE 102019001738 A DE102019001738 A DE 102019001738A DE 102019001738 A1 DE102019001738 A1 DE 102019001738A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
measuring cell
medium
interferometer
designed
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019001738.2A
Other languages
German (de)
Inventor
Marcel Hoffmann
Andrea Lardschneider
Matthias Saurer
Anselm Stempflinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Priority to DE102019001738.2A priority Critical patent/DE102019001738A1/en
Publication of DE102019001738A1 publication Critical patent/DE102019001738A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2418Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2418Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G01N29/2425Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids
    • G01N2021/1704Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids in gases
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03Cuvette constructions
    • G01N21/05Flow-through cuvettes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Photoakustische Messvorrichtung umfassend eine photoakustische Messzelle, in der sich die zu bestimmende Spezies als Medium befindet, ein optischer Anregungspfad zur Erzeugung akustischer Wellen im Medium und ein optisches Mikrofon zum Nachweis der akustischen Wellen dienen.Photoacoustic measuring device comprising a photoacoustic measuring cell in which the species to be determined is located as a medium, an optical excitation path for generating acoustic waves in the medium and an optical microphone are used to detect the acoustic waves.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet der optischen Messtechnik und betrifft insbesondere die Detektion bzw. Konzentrationsmessung von Gasen und Flüssigkeiten.The present application relates to the field of optical measurement technology and relates in particular to the detection or concentration measurement of gases and liquids.

Stand der TechnikState of the art

Lichtquelle: Eine photoakustische Anregung des Messmediums wird zum aktuellen Zeitpunkt mittels schwarzer Strahler, Laser oder LEDs realisiert. Die Lichtquellen werden elektrisch gepulst oder mittels einer Pulsblende in der Intensität moduliert.Light source: A photoacoustic excitation of the measuring medium is implemented at the current time by means of black emitters, lasers or LEDs. The light sources are electrically pulsed or their intensity is modulated by means of a pulse diaphragm.

Messzelle und Schallsensoren: Photoakustische Messzellen variieren stark in Form und Größe. Die Detektion bzw. Messung der angeregten Schallwellen beruht je nach Messmedium auf folgenden Prinzipien:

  1. 1. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels einer bzw. mehreren zur Schwingung angeregten Membranen mit kapazitiver oder induktiver Messung der Signale
  2. 2. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels einer zur Schwingung angeregten Membran und optischer Abstandsmessung (Triangulationsverfahren, Interferometrische Verfahren) der Membran
  3. 3. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels piezoresistiven Schwingquartz
Measuring cell and sound sensors: Photoacoustic measuring cells vary greatly in shape and size. The detection or measurement of the excited sound waves is based on the following principles, depending on the measuring medium:
  1. 1. Detection or measurement of the sound waves by means of one or more membranes excited to vibrate with capacitive or inductive measurement of the signals
  2. 2. Detection or measurement of the sound waves by means of a membrane excited to vibrate and optical distance measurement (triangulation method, interferometric method) of the membrane
  3. 3. Detection or measurement of the sound waves by means of piezoresistive oscillating quartz

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Alle im Stand der Technik genannten Systeme basieren darauf, dass eine Schallwelle auf eine eingespannte Fläche trifft und diese in Abhängigkeit der Schallamplitude bzw. der resultierenden Kraft auf die Fläche auslenkt. Daraufhin unterliegen die Systeme mehreren Nachteilen die zu Messabweichungen führen. Diese sind:

  1. 1. Frequenzabhängigkeit aufgrund der Massenträgheit der Membran bzw. des piezoresistiven Schwingquarzes
  2. 2. Einfluss von Körperschall, der in die Membran eingekoppelt wird
  3. 3. Parasitärer Einfluss von fluiden Strömungen, die eine Kraft auf die Sensorfläche ausüben Ein Messsystem ohne bewegliche Teile bzw. mit einer membranfreien Messung von Schallwellen ist somit von Vorteil aufgrund der:
    1. 1. Unabhängigkeit von Körperschall
    2. 2. Messmöglichkeit über eine größere Bandbreite
    3. 3. Messmöglichkeit in fluiden Strömungen
    4. 4. Einflussfreiheit von der Massenträgheit einer schallempfindlichen Membran
    5. 5. Reduzierung der lokalen EMV Empfindlichkeit
All the systems mentioned in the prior art are based on the fact that a sound wave hits a clamped surface and deflects it onto the surface as a function of the sound amplitude or the resulting force. As a result, the systems are subject to several disadvantages that lead to measurement errors. These are:
  1. 1. Frequency dependence due to the inertia of the membrane or the piezoresistive quartz oscillator
  2. 2. Influence of structure-borne noise that is coupled into the membrane
  3. 3. Parasitic influence of fluid currents that exert a force on the sensor surface A measuring system without moving parts or with a membrane-free measurement of sound waves is therefore advantageous due to:
    1. 1. Independence from structure-borne noise
    2. 2. Measurement possibility over a larger bandwidth
    3. 3. Measurement possibility in fluid currents
    4. 4. Influence from the inertia of a sound-sensitive membrane
    5. 5. Reduction of the local EMC sensitivity

Beschreibung des technischen Problems: Im industriellen Umfeld unterliegen technische Anlagen besonderen Einflussfaktoren wie beispielsweise Vibrationen. Die Nutzung photoakustischer Methoden ist daher nur in eingeschränktem Maße unter der Verwendung von aufwändiger Signalaulbereitung möglich. Dies ist z. B. mit hohen Kosten verbunden, sodass sich ein flächendeckender Einsatz der photoakustischen Messtechnik bisher nicht etabliert hat.
Ein weiteres Problem ist die Analyse von bewegten Gasen oder Flüssigkeiten. Aktuelle photoakustische Systeme beruhen darauf, dass z.B. ein Bypass zum Strom eines Analyten gelegt wird und nur sequenziell Konzentrationsmessungen durchgeführt werden können. Eine direkte Messung im Fluss führt z.B. zu breitbandigem Rauschen und somit zu einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis aufgrund der Interaktion der Strömung mit der Messfläche des Sensors.
Description of the technical problem: In the industrial environment, technical systems are subject to special influencing factors such as vibrations. The use of photoacoustic methods is therefore only possible to a limited extent with the use of complex signal processing. This is e.g. B. associated with high costs, so that a widespread use of photoacoustic measurement technology has not yet established itself.
Another problem is the analysis of moving gases or liquids. Current photoacoustic systems are based on the fact that, for example, a bypass is placed in the flow of an analyte and concentration measurements can only be carried out sequentially. A direct measurement in the river leads, for example, to broadband noise and thus to a poor signal-to-noise ratio due to the interaction of the flow with the measuring surface of the sensor.

Wie wurde das technische Problem gelöst?
Konventionelle photoakustische Detektoren beruhen auf der Auslenkung einer eingespannten Membran bzw. eines piezoresistiven Schwingquarzes aufgrund des Schalldrucks, der auf die Bauteilfläche wirkt. Anstatt der Nutzung beweglicher Bauteile wird der Schall zwischen zwei statisch fixierten optischen Elementen interferometrisch gemessen. Der akustische Schall wird als Modulierung des Brechungsindexes des Analyten interpretiert. Mit dem Brechungsindex variiert die optische Weglänge und die Phase der elektromagnetischen Welle(n). Aufgrund der optischen Interferenz variiert diese Phasenverschiebung die Intensität der (relativen) Transmission und (relativen) Reflexion in der Frequenz der modulierenden Lichtquelle. Eine Integration dieses Systems in eine photoakustische Messzelle kann bei Nutzung einer gepulsten Lichtquelle zu einem vollkommen statischen photoakustischen Messsystem führen.
How was the technical problem solved?
Conventional photoacoustic detectors are based on the deflection of a clamped membrane or a piezoresistive oscillating crystal due to the sound pressure that acts on the component surface. Instead of using moving components, the sound is measured interferometrically between two statically fixed optical elements. The acoustic sound is interpreted as modulating the refractive index of the analyte. The optical path length and the phase of the electromagnetic wave (s) vary with the refractive index. Due to the optical interference, this phase shift varies the intensity of the (relative) transmission and (relative) reflection in the frequency of the modulating light source. An integration of this system into a photoacoustic measuring cell can lead to a completely static photoacoustic measuring system when using a pulsed light source.

Die Anmeldung beruht auf der Kombination einer gepulsten Lichtquelle und einer photoakustischen Messzelle mit einem integrierten statischen membranlosen optischen Mikrophon und einer Auswerteeinheit.
Hierbei ist die zu ermittelnde physikalische Größe die Konzentration eines Analyten.
Der Analyt wird mittels einer mit der Frequenz f gepulsten Lichtquelle (11) angeregt. Dabei entsteht eine frequenzabhängige Änderung der Dichte und somit des Brechungsindexes, resultierend in einer Schallwelle. Es sollen Phänomene der akustischen Resonanz genutzt werden, um die zu detektierende Schallgröße zu verstärken. Dies wird erreicht, indem die Frequenz f identisch mit einer akustischen Raumresonanzfrequenz der Messzelle gewählt wird. Die Messzelle besitzt unterschiedliche, geometrisch festgelegte, Raummoden, welche unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Die Schallwelle breitet sich im Medium aus und passiert die Spiegel des interferometrischen Systems. Wird die Messzelle in akustischer Resonanz betrieben, bilden sich stehende Wellen aus. Hierbei steigt die Empfindlichkeit der Schalldetektion mit der Amplitude der stehenden Schallwelle im System. Gleichzeitig ist die Amplitude dieser stehenden Schallwelle damit ortsabhängig. Die Empfindlichkeit des Messsystems wird bei einer Schalldetektion an Schallknoten gering und an Schallbäuchen groß, da an Schallbäuchen (oder Schalldruckbetrachtung oder Schallschnelle) die Änderung der Dichte des Analyten und somit auch die Brechungsindexänderung am größten ist. Die Änderung des Brechungsindex führt zu einer Phasenverschiebung des Lichts im Interferometer und zu einer Änderung der reflektierten und transmittierten Lichtintensität. Die Lichtintensität ändert sich zudem aufgrund der Absorption des Analyten proportional zur dessen Dichte. Reflektierte und/oder transmittierte Lichtintensitäten werden mittels lichtempfindlicher Sensoren gemessen. Gleichsignale werden mittels geeigneter elektrischer Filter kompensiert und das gefilterte Signal verstärkt.
The registration is based on the combination of a pulsed light source and a photoacoustic measuring cell with an integrated static, membrane-free optical microphone and an evaluation unit.
The physical quantity to be determined is the concentration of an analyte.
The analyte is measured by a light source pulsed with the frequency f ( 11 ) stimulated. This creates a frequency-dependent change in density and thus in the refractive index, resulting in a sound wave. Phenomena of acoustic resonance should be used to amplify the sound quantity to be detected. This is achieved by the Frequency f is chosen to be identical to an acoustic room resonance frequency of the measuring cell. The measuring cell has different, geometrically defined room modes, which are differently pronounced. The sound wave propagates in the medium and passes the mirrors of the interferometric system. If the measuring cell is operated in acoustic resonance, standing waves are formed. The sensitivity of the sound detection increases with the amplitude of the standing sound wave in the system. At the same time, the amplitude of this standing sound wave is therefore location-dependent. The sensitivity of the measurement system is low when sound is detected at sound nodes and high at sound bellies, since the change in the density of the analyte and thus also the change in the refractive index is greatest at sound bellies (or sound pressure observation or sound velocity). The change in the refractive index leads to a phase shift of the light in the interferometer and to a change in the reflected and transmitted light intensity. The light intensity also changes due to the absorption of the analyte in proportion to its density. Reflected and / or transmitted light intensities are measured using light-sensitive sensors. DC signals are compensated for using suitable electrical filters and the filtered signal is amplified.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Eine mögliche Ausführungsform eines Verstärkers ist in 4 dargestellt: mit Transimpedanzverstärker (201), Nicht-invertierendem Verstärker (202), Nicht-invertierendem Integrierer (203) und Spannungsversorgung (204). In diesem wird mit einem Transimpedanzverstärker das vom lichtempfindlichen Sensor (114/115) kommende Signal verstärkt. Der Gleichanteil des Signals, der dem Arbeitspunkt des Interferometers entspricht, wird mit Hilfe einer zweiten Verstärkerstufe kompensiert. Diese erzeugt einen entgegengesetzten Strom, der am Eingang der ersten Verstärkerstufe, parallel zum lichtempfindlichen Sensor (114/115), eingekoppelt wird. Selbst hohe Gleichlichtanteile werden mit der so entstehenden Regelschleife kompensiert. Die Kombination aus den zwei Verstärkerstufen führt zu einem Frequenzgang, welcher z. B. eine Hochpasscharakteristik oder Bandpasscharakteristik aufweist oder aber auch das „Diagramm passend abschneiden“ kann. Der Gleichanteil wird eliminiert, niederfrequentes Umgebungsrauschen sowie niederfrequente Signale (z. B. mit 20 dB/Dek) unterdrückt. Oberhalb der Grenzfrequenz des Hochpasses bis zur Grenzfrequenz des Transimpedanzwandlers (TIA) wird das Signal mit der Verstärkung des TIA verstärkt. In einer weiteren Stufe wird das jetzt gefilterte Signal weiter verstärkt.One possible embodiment of an amplifier is in 4th shown: with transimpedance amplifier ( 201 ), Non-inverting amplifier ( 202 ), Non-inverting integrator ( 203 ) and power supply ( 204 ). In this, with a transimpedance amplifier, the light-sensitive sensor ( 114/115 ) incoming signal is amplified. The constant component of the signal, which corresponds to the operating point of the interferometer, is compensated with the aid of a second amplifier stage. This generates an opposite current that is applied to the input of the first amplifier stage, parallel to the light-sensitive sensor ( 114/115 ), is coupled. Even high levels of constant light are compensated for with the control loop that is created in this way. The combination of the two amplifier stages leads to a frequency response which z. B. has a high-pass characteristic or band-pass characteristic or can also "cut off the diagram appropriately". The DC component is eliminated, and low-frequency ambient noise and low-frequency signals (e.g. at 20 dB / dec) are suppressed. Above the cutoff frequency of the high pass filter up to the cutoff frequency of the transimpedance converter (TIA), the signal is amplified with the amplification of the TIA. In a further stage, the now filtered signal is further amplified.

Im Folgenden sollen mehrere Möglichkeiten von Realisierungen des abstrakt beschriebenen Systems dargestellt werden. Diese können in ihren Einzelkomponenten miteinander kombiniert werden.
Die gepulste Lichtquelle (103) hat kohärente oder nicht-kohärente Eigenschaften. Das Licht fällt mittels einer Optik (110) kollimiert oder unkollimiert in die Messzelle. Optional wird es mittels einer Optik (110) und eines lichtempfindlichen Sensors (116) detektiert oder durch einen konkaven oder planen Spiegel in die Zelle zurück reflektiert (113). Um einen festkörperphotoakustischen Effekt zu vermeiden, kann der Teil der Zellwand, der beschienen wird, durch ein Fenster ersetzt werden.
Die Messzelle (101) beinhaltet den Analyten. Der Analyt wird durch einen Zulauf (105) in die Messzelle eingeleitet und durch einen Abfluss (106) abgeleitet. Die Anschlüsse befinden sich beispielsweise an den Seitenwänden der Messzelle und gleichzeitig in den Knotenpunkten der stehenden Schallwellen, sodass die Schallmoden nicht kollabieren. Schallknoten können durch Agitation des Analyten verschoben sein. Durch geschickte Positionierung der Anschlüsse können unerwünschte Moden zum Kollabieren gebracht werden.
Das Interferometer besteht aus einer Lichtquelle (107) mit einer optischen Abbildeeinheit (108) zur Einkopplung des Lichts in eine optische Faser. Das Licht wird durch einen Nx1-Koppler oder optischen Zirkulator geführt. Die Faserenden (107) sind nicht oder teilverspiegelt. Sie können gleiche oder auch unterschiedliche Reflektivitäten/Brechungsindizes besitzen, um das Messsignal zu maximieren, wobei aber mit steigenden Reflektivitäten der Faserendflächen dem Arbeitspunkt des Systems in Form des Gleichanteils der Lichtleistung/Phasenverschiebung eine zunehmend bedeutendere Rolle zukommt. Für eine optimale Auswertung ist es vorteilhaft, dass sich der Arbeitspunkt in einem Wendepunkt hinsichtlich des Transmissions- und Reflexionsgrads der Übertragungsfunktionen (siehe 2) des Fabry-Pérot-Interferometers befindet. Für höhere Reflektivitäten der Faserenden ergeben sich zwar steilere Flanken, die das Messsignal deutlich verstärken können, doch führt dies gleichzeitig zu einer Abnahme der Halbwertsbreite der Interferenzpeaks. Dies hat zur Folge, dass der Arbeitspunkt beispielsweise mittels einer Wellenlängenvariation für eine gegebene Geometrie des Messaufbaus in eine steigende oder fallende Flanke gesetzt werden sollte. Dann können die zeitlichen Änderungen des Brechungsindex auf periodische Lntensitätsschwankungen mit hoher Wechselsignalamplitude für je Transmission und Reflexion abgebildet werden (siehe 3) Die optischen Kollimatoren (110) sind nicht oder teilverspiegelt. Die Kollimatoren können gleiche sowie unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen. Das Licht passiert die Messzelle und wird mittels des Kollimators (110) in das Faserende eingekoppelt und zu einem lichtempfindlichen Sensor (114) geleitet. Das reflektierte Licht wird mittels Zirkulator oder Nx1-Koppler zu einem lichtempfindlichen Sensor (115) geleitet. Das Signal wird hochpass-gefiltert und elektrisch verstärkt.
In the following, several possibilities for realizing the abstractly described system are presented. These can be combined with one another in their individual components.
The pulsed light source ( 103 ) has coherent or non-coherent properties. The light falls through an optic ( 110 ) collimated or uncollimated into the measuring cell. Optionally, it is made using an optic ( 110 ) and a light-sensitive sensor ( 116 ) or reflected back into the cell by a concave or plane mirror (113). In order to avoid a solid-state photoacoustic effect, the part of the cell wall that is illuminated can be replaced by a window.
The measuring cell ( 101 ) contains the analyte. The analyte is fed through an inlet ( 105 ) introduced into the measuring cell and through a drain ( 106 ) derived. The connections are located, for example, on the side walls of the measuring cell and at the same time in the nodes of the standing sound waves so that the sound modes do not collapse. Sound nodes can be displaced by agitation of the analyte. By cleverly positioning the connections, undesired modes can be caused to collapse.
The interferometer consists of a light source ( 107 ) with an optical imaging unit ( 108 ) for coupling the light into an optical fiber. The light is passed through an Nx1 coupler or optical circulator. The fiber ends ( 107 ) are not or partially mirrored. They can have the same or different reflectivities / refractive indices in order to maximize the measurement signal, but with increasing reflectivities of the fiber end faces, the working point of the system in the form of the constant component of the light output / phase shift plays an increasingly important role. For an optimal evaluation it is advantageous that the working point is at a turning point with regard to the transmittance and reflectance of the transfer functions (see 2 ) of the Fabry-Perot interferometer. For higher reflectivities of the fiber ends, steeper edges result, which can significantly amplify the measurement signal, but at the same time this leads to a decrease in the half-width of the interference peaks. As a result, the operating point should be set to a rising or falling edge, for example by means of a wavelength variation for a given geometry of the measurement setup. The changes in the refractive index over time can then be mapped to periodic intensity fluctuations with a high alternating signal amplitude for each transmission and reflection (see 3 ) The optical collimators ( 110 ) are not or partially mirrored. The collimators can have the same or different reflectivities. The light passes through the measuring cell and is generated by the collimator ( 110 ) coupled into the fiber end and to a light-sensitive sensor ( 114 ) directed. The reflected light is converted to a light-sensitive sensor by means of a circulator or Nx1 coupler ( 115 ) directed. The signal is high-pass filtered and electrically amplified.

Eine weitere Ausführungsform des membranlosen optischen Mikrofons ist in 5 gezeigt. dargestellt mit der Messzelle (101), dem Zulauf (105), dem Ablauf (106), dem Interferometer (111) und dem Beispiel einer zu detektieren entstehenden Welle (102) innerhalb der Messzelle. Das Interferometer besteht aus einer Lichtquelle (107). z. B. kohärent und schmalbandig, mit einer optischen Abbildeeinheit (108) zur Einkopplung des Lichts in eine optische Faser. Das Licht kann durch einen optischen Zirkulator geführt werden, um eine Modulation durch eine Rückreflexion in die Lichquelle zu vermeiden. Das Licht wird aus der Faser ausgekoppelt. Das Faserende ist rellexionsarm und nicht verspiegelt. Ein Kollimator kollimiert den Lichtstrahl. Der Strahl wird durch ein optisches Element, wie z. B. einen Strahlteilerwürfel (112) in zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Ein Teilstrahl wird durch einen Spiegel (113) parallel zu dem anderen Strahl ausgerichtet. Beide parallel laufenden Strahlen werden durch die Messkammer geführt und auf der hinten liegenden Seite durch Spiegel (113) reflektiert. Diese können kombiniert als ein Spiegel ausgeführt sein. Die reflektierten Teilstrahlen werden durch Spiegel oder Prisma (113) und Strahlteiler (112) zur Deckung gebracht und mittels Kollimator (110) in eine optische Faser (109) eingekoppelt. Diese führt zum Detektor, z. B. einer Photodiode mit Verstärker, (114), welcher die Intensitätsschwankungen separiert und verstärkt. Die gepulste Lichtquelle (103) wird zur fotoakustischen Anregung genutzt. Hierbei wird beispielsweise ein Spiegel (104) verwendet.Another embodiment of the diaphragmless optical microphone is shown in FIG 5 shown. shown with the measuring cell ( 101 ), the inlet ( 105 ), the process ( 106 ), the interferometer ( 111 ) and the example of a wave to be detected ( 102 ) within the measuring cell. The interferometer consists of a light source ( 107 ). z. B. coherent and narrow band, with an optical imaging unit ( 108 ) for coupling the light into an optical fiber. The light can be passed through an optical circulator in order to avoid modulation due to back reflection into the light source. The light is coupled out of the fiber. The fiber end is low in reflection and not mirrored. A collimator collimates the light beam. The beam is through an optical element, such as. B. a beam splitter cube ( 112 ) divided into two partial beams. A partial beam is reflected by a mirror ( 113 ) aligned parallel to the other beam. Both parallel beams are guided through the measuring chamber and on the rear side through mirrors ( 113 ) reflected. These can be combined as a mirror. The reflected partial beams are reflected by a mirror or prism ( 113 ) and beam splitter ( 112 ) brought into congruence and using a collimator ( 110 ) into an optical fiber ( 109 ) coupled. This leads to the detector, e.g. B. a photodiode with amplifier, (114), which separates and amplifies the intensity fluctuations. The pulsed light source ( 103 ) is used for photoacoustic stimulation. For example, a mirror ( 104 ) is used.

2 zeigt ein Beispiel für das Übertragungsverhalten in Transmission und Reflexion für gleiche Reflektivitäten (R1 bzw. R2) der beiden Faserenden, welche das Fabry-Perot-Interferometer aus 1 bilden: links: Transmissionsgrad T (y-Achse, 0 bis 1) in Abhängigkeit der Phasenänderung Δϕ (x-Achse, 0 bis 2,5 π), von unten nach oben in Diagrammen zu sehen R1=R2= 90%, 50%, 20% und 4%; rechts: Reflexionsgrad R (y-Achse, 0 bis 1) in Abhängigkeit der Phasenänderung Δϕ (x-Achse, 0 bis 2,5 π), von unten nach oben im Diagramm zu sehen R1=R2= 4%, 20%, 50% und 90%. Dabei gilt beispielsweise R= ( R 1 R 2 ) 2 + 4 R 1 R 2  sin ( Δ ϕ ) 2 ( 1 R 1 R 2 ) 2 + 4 R 1 R 2  sin ( Δ ϕ ) 2 '

Figure DE102019001738A1_0001
T= ( 1 R 1 ) ( 1 R 2 ) ( 1 R 1 R 2 ) 2 + 4 R 1 R 2  sin ( Δ ϕ ) 2 .
Figure DE102019001738A1_0002
2 shows an example of the transmission behavior in transmission and reflection for the same reflectivities ( R1 or. R2 ) of the two fiber ends that make up the Fabry-Perot interferometer 1 form: left: transmittance T (y-axis, 0 to 1) as a function of the phase change Δ x (x-axis, 0 to 2.5 π), shown in diagrams from bottom to top R1 = R2 = 90%, 50% , 20% and 4%; right: reflectance R (y-axis, 0 to 1) depending on the phase change Δϕ (x-axis, 0 to 2.5 π), seen from bottom to top in the diagram R1 = R2 = 4%, 20%, 50 % and 90%. For example, R = ( R. 1 - R. 2 ) 2 + 4th R. 1 R. 2 sin ( Δ ϕ ) 2 ( 1 - R. 1 R. 2 ) 2 + 4th R. 1 R. 2 sin ( Δ ϕ ) 2 '
Figure DE102019001738A1_0001
T = ( 1 - R. 1 ) ( 1 - R. 2 ) ( 1 - R. 1 R. 2 ) 2 + 4th R. 1 R. 2 sin ( Δ ϕ ) 2 .
Figure DE102019001738A1_0002

3 zeigt die Transformation des zeitabhängigen Phasenunterschieds auf periodische Intensitätsschwankungen aufgrund von externen Einflüssen auf das Fabry-Pérot-Interferometer: links oben: Transmissionsgrad T (y-Achse, 0 bis 1) in Abhängigkeit der Phasenänderung Δϕ (x-Achse, 0 bis 2,5 π) für R1=R2= 90%. 50%, 20% und 4% (im Diagramm von unten nach oben); rechts oben: Intensität I(t) (y-Achse) in Abhängigkeit der Zeit (x-Achse. 0 s bis 0,04 s), der optische Gleichanteil, Produkt aus T und I0, ist gestrichelt dargestellt; unten: Zeit aufgetragen auf der y-Achse (0 s (oben) bis 0,04 s (unten)), Phasenänderung Δϕ auf der x-Achse aufgetragen. 3 shows the transformation of the time-dependent phase difference to periodic intensity fluctuations due to external influences on the Fabry-Pérot interferometer: top left: transmittance T (y-axis, 0 to 1) as a function of the phase change Δϕ (x-axis, 0 to 2.5 π) for R1 = R2 = 90%. 50%, 20% and 4% (from bottom to top in the diagram); top right: Intensity I (t) (y-axis) as a function of time (x-axis. 0 s to 0.04 s), the optical constant component, product of T and I 0 , is shown in dashed lines; bottom: time plotted on the y-axis (0 s (top) to 0.04 s (bottom)), phase change Δϕ plotted on the x-axis.

Claims (8)

Photoakustische Messvorrichtung, umfassend - eine photoakustische Messzelle, ausgelegt zur Aufnahme eines zu bestimmenden gasförmigen Mediums, - einen optischen Anregungspfad zur Erzeugung akustischer Wellen in dem Medium, - eine optische Detektionseinheit zum Nachweis der durch das gasförmige Medium modifizierten akustischen Wellen.Photoacoustic measuring device, comprising - a photoacoustic measuring cell designed to accommodate a gaseous medium to be determined, - an optical excitation path for generating acoustic waves in the medium, - An optical detection unit for detecting the acoustic waves modified by the gaseous medium. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend - eine Lichtanregungsvorrichtung mit einer periodisch (Frequenz f) gepulsten Lichtquelle, die mit Hilfe einer Optik einen optischen Anregungspfad entlang einer ersten Richtung innerhalb des Mediums der photoakustischen Messzelle erzeugt.Device according to Claim 1 , comprising - a light excitation device with a periodically (frequency f) pulsed light source which, with the aid of optics, generates an optical excitation path along a first direction within the medium of the photoacoustic measuring cell. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend - ein als optisches Mikrofon ausgebildete Detektionseinheit, die das aus einer kohärenten Lichtquelle, einem ersten und einem zweiten Interferometerarm und einem das Interferenzsignal erfassenden Detektor gebildet ist, wobei einer der beiden Interferometerarme parallel zur ersten Richtung innerhalb des Mediums der photoakustischen Messzelle angeordnet ist, derart, dass beide Arme über das Medium in Wechselwirkung mit der akustischen Welle stehen.Device according to Claim 2 , comprising - a detection unit designed as an optical microphone, which is formed from a coherent light source, a first and a second interferometer arm and a detector detecting the interference signal, one of the two interferometer arms being arranged parallel to the first direction within the medium of the photoacoustic measuring cell, in such a way that both arms interact with the acoustic wave via the medium. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der erste und der zweite Interferometerarm zueinander beabstandet angeordnet sind.Device according to one of the preceding claims, wherein - The first and the second interferometer arm are arranged at a distance from one another. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - wobei ein Interferometerarm über teilreflektierende Spiegel auf Mehrfachreflexion ausgelegt ist, insbesondere bei einem faseroptischen Interferometeraufbau die Faserenden entsprechend teilreflektierend, nicht entspiegelt, ausgelegt sind.Device according to one of the preceding claims, wherein - An interferometer arm being designed for multiple reflection via partially reflective mirrors, in particular in the case of a fiber optic interferometer structure the fiber ends are designed to be partially reflective, not anti-reflective. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die photoakustische Messzelle als Durchflussmesszelle für die zu bestimmende Spezies ausgelegt ist, wobei ein Eingang und ein Ausgang einander gegenüberliegend angeordnet sind und ihre Verbindungslinie eine Durchflussrichtung definiert, die gleichzeitig innerhalb des optischen Anregungspfades angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, wherein - the photoacoustic measuring cell is designed as a flow measuring cell for the species to be determined, an input and an output being arranged opposite one another and their connecting line defining a flow direction which simultaneously is arranged within the optical excitation path. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Pfade des Interferometers mittels eines Strahlteiles gebildet sind.Device according to one of the preceding claims, wherein - The paths of the interferometer are formed by means of a beam part. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend - einen Strahlteiler zur Auskopplung des zu messenden Lichts.Apparatus according to any preceding claim, further comprising - a beam splitter for coupling out the light to be measured.
DE102019001738.2A 2019-03-14 2019-03-14 Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components Pending DE102019001738A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019001738.2A DE102019001738A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019001738.2A DE102019001738A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019001738A1 true DE102019001738A1 (en) 2020-09-17

Family

ID=72240903

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019001738.2A Pending DE102019001738A1 (en) 2019-03-14 2019-03-14 Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102019001738A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AT505021B1 (en) MEMBRANLESS MICROPHONE WITH THE HELP OF LIGHT INTERFERENCE
US6525308B1 (en) Apparatus and method for wavelength detection with fiber bragg grating sensors
EP0618439B1 (en) Imaging optical device for examination of strongly scattering media
US6381015B1 (en) Inspection apparatus using optical interferometer
EP1405037B1 (en) Device for optical measurement of distance over a large measuring range
DE19823951C2 (en) Focus sensor for high energy lasers
CN106338308A (en) Distributed multi-parameter sensing system based on ultra-short fiber Bragg grating array
US4746211A (en) Real time velocity determination
DE3609507A1 (en) FIBER OPTICAL INTERFEROMETER
EP0030610A1 (en) Method and device for quantitative determination of optically active substances
DE102007055771A1 (en) Laser Distance Meter
CN104374750B (en) Water turbidity measuring device, system and method
DE2806777C2 (en)
DE102004051141B4 (en) Device for measuring dynamic light scattering using a phase modulation interference method
EP0024574B1 (en) Apparatus for determining the refractive index profile of optical fibres
DE19628200A1 (en) Device and method for performing interferometric measurements
EP0491749A1 (en) Device for absolute two-dimensional position measurement.
DE102019001738A1 (en) Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components
EP0231179A1 (en) Concentration meter
DE2936267A1 (en) RING INTERFEROMETER
DE2852614B2 (en) Optical measuring system for determining the position of a light reflection point in an optical transmission medium
DE102008038883A1 (en) Microphone assembly for measuring sound signals, particularly in hot temperature, has switching device that alternatively defers light of frequency to link another light of another frequency into light conductor
DE112006001780T5 (en) Measuring system having a modulated laser source
AT525495B1 (en) Compensation detection with ICAPS within an optical cavity
DE10200029B4 (en) Highly sensitive gas detector