DE102019001738A1 - Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components - Google Patents
Device for interferometric evaluation of photoacoustic signals without moving components Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating 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
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating 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
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
- G01N29/24—Probes
- G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
- G01N29/2425—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics optoacoustic fluid cells therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1702—Systems 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
- G01N2021/1704—Systems 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/05—Flow-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. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels einer bzw. mehreren zur Schwingung angeregten Membranen mit kapazitiver oder induktiver Messung der Signale
- 2. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels einer zur Schwingung angeregten Membran und optischer Abstandsmessung (Triangulationsverfahren, Interferometrische Verfahren) der Membran
- 3. Detektion bzw. Messung der Schallwellen mittels piezoresistiven Schwingquartz
- 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. 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. 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. Frequenzabhängigkeit aufgrund der Massenträgheit der Membran bzw. des piezoresistiven Schwingquarzes
- 2. Einfluss von Körperschall, der in die Membran eingekoppelt wird
- 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. Unabhängigkeit von Körperschall
- 2. Messmöglichkeit über eine größere Bandbreite
- 3. Messmöglichkeit in fluiden Strömungen
- 4. Einflussfreiheit von der Massenträgheit einer schallempfindlichen Membran
- 5. Reduzierung der lokalen EMV Empfindlichkeit
- 1. Frequency dependence due to the inertia of the membrane or the piezoresistive quartz oscillator
- 2. Influence of structure-borne noise that is coupled into the membrane
- 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. Independence from structure-borne noise
- 2. Measurement possibility over a larger bandwidth
- 3. Measurement possibility in fluid currents
- 4. Influence from the inertia of a sound-sensitive membrane
- 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 (
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 (
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Eine mögliche Ausführungsform eines Verstärkers ist in
Im Folgenden sollen mehrere Möglichkeiten von Realisierungen des abstrakt beschriebenen Systems dargestellt werden. Diese können in ihren Einzelkomponenten miteinander kombiniert werden.
Die gepulste Lichtquelle (
Die Messzelle (
Das Interferometer besteht aus einer Lichtquelle (
The pulsed light source (
The measuring cell (
The interferometer consists of a light source (
Eine weitere Ausführungsform des membranlosen optischen Mikrofons ist in
Claims (8)
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) |
-
2019
- 2019-03-14 DE DE102019001738.2A patent/DE102019001738A1/en active Pending
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 |