DE19540236A1

DE19540236A1 - Sensor for energy content of electromagnetic radiation for photo acoustic spectroscopy

Info

Publication number: DE19540236A1
Application number: DE1995140236
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Phys Seydewitz; Michael Dipl Ing Hinze; Ursula Dipl Chem Lohse
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-19
Filing date: 1995-10-19
Publication date: 1997-04-24

Abstract

The sensor comprises a hollow absorption chamber (d) which has an internal coating of absorbent material (e), e.g. lampblack, and a window (c) facing the electromagnetic (EM) wave (a). A perforated disc is rotated (b) to provide beam modulation. The absorbed energy generates heat on entering the chamber (d) with attendant acoustic effect of the multiple internal reflections picked-up by the microphone (f). A pre-amplifier (g) is followed by time-synchronised lock-in amplification (h) and provides a stable signal proportional to the EM energy for presentation at the display (1).

Description

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für elektro magnetische Strahlung zu schaffen, der im GegensatzBased on the prior art, the invention has for its object a sensor for electro to create magnetic radiation which is the opposite

⚫ enables a very broadband measurement of the radiation intensity with photometric methods,
⚫ a compact and robust design for other pneumatic processes such as the Golay cell enables
⚫ a lower time constant and / or a mechanical one compared to other thermal processes less sensitive structure makes possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem als Strahlungsempfänger eine sonst nur für spektroskopische oder spektrometrische Messungen eingesetzte photoakustische Meßzelle mit den im Patentanspruch 1 ausgeführten Merkmalen verwendet wird.The object is achieved according to the invention by using an otherwise only as a radiation receiver spectroscopic or spectrometric measurements used photoacoustic measuring cell with the in Claim 1 executed features is used.

Elektromagnetische Strahlung, die von außen in das Eintrittsfenster eintritt, wird im Inneren durch Absorption in Wärme umgewandelt.Electromagnetic radiation that enters the entrance window from the outside is transmitted through Absorption converted into heat.

die durch Absorption in der Zelle entstandenen Wärmeimpulse bewirken Druckschwankungen, die der eingestrahlten Leistung proportional sind und die vom Mikrofon in elektrische Signale umgewandelt werden.The heat impulses created by absorption in the cell cause pressure fluctuations that the radiated power are proportional and converted by the microphone into electrical signals will.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung entsprechend Anspruch 2 sorgt für eine in einem weiten Bereich von der Frequenz der Strahlung unabhängige Messung:The further embodiment of the invention according to claim 2 ensures a wide Range independent of the frequency of the radiation:

Die elektromagnetische Strahlung, die von außen in das Eintrittsfenster eintritt, wird im Inneren vielfach reflektiert oder gestreut und dabei jedesmal z.T. absorbiert; der Bruchteil, der aus dem Fenster wieder entweicht, ist daher sehr klein, der Absorptionsgrad also nahezu gleich 1 - die gesamte elektro magnetische Strahlung wird in Wärme umgesetzt. Dies trifft auch dann zu, wenn die Absorption der Absorptionsschicht eine Wellenlängenabhängigkeit aufweist. Aus dieser Eigenschaft eines Hohlraumabsorbers folgt, daß das Meßprinzip nahezu wellenlängenunabhängig ist. Die einzige Einschränkung zu großen Wellenlängen hin besteht in der Forderung, daß die Wellenlänge klein gegenüber den Abmessungen der Meßzelle sein muß und zu kurzen Wellenlängen hin, daß die Absorption in einer oberflächennahen Schicht erfolgt, die dünner als die Wellenlänge der in der Absorptionsschicht erzeugten thermischen Wellen ist.The electromagnetic radiation that enters the entrance window from the outside becomes multiple inside reflected or scattered and partly absorbed; the fraction that comes out of the window again escapes is therefore very small, so the degree of absorption is almost equal to 1 - the entire electro magnetic radiation is converted into heat. This also applies if the absorption of the Absorbent layer has a wavelength dependency. For this property one Cavity absorber follows that the measuring principle is almost independent of the wavelength. The only A limitation to long wavelengths is the requirement that the wavelength be small compared to the dimensions of the measuring cell and towards short wavelengths that the Absorption takes place in a near-surface layer that is thinner than the wavelength of that in the Absorbent layer generated thermal waves.

Falls das den Hohlkörper ausfüllende Gas ebenfalls einen Teil der Strahlung absorbiert, trägt dies genau wie der eben beschriebene Effekt zum photoakustischen Signal bei, so daß auch eine wellen längenabhängige Absorption des Füllgases sich auf das Meßergebnis nicht auswirkt.If the gas filling the hollow body also absorbs some of the radiation, this is exactly what is required like the effect just described to the photoacoustic signal, so that a wave length-dependent absorption of the filling gas does not affect the measurement result.

Die Nutzung des photoakustischen Verfahrens sorgt für die angestrebte Robustheit, Empfindlichkeit und die schnelle Reaktion auf Signaländerungen.The use of the photoacoustic method ensures the desired robustness, sensitivity and the quick response to signal changes.

Entsprechend dem Stand der Technik (A. Rosencwaig "Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy" Malabar, Florida 1990, u. a.) kann die Empfindlichkeit durch Kühlung des Sensors und Füllung mit Helium erhöht werden, wobei das Verfahren im Prinzip temperaturabhängig ist.According to the state of the art (A. Rosencwaig "Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy "Malabar, Florida 1990, et al.) Can reduce sensitivity by cooling the sensor and Filling with helium can be increased, whereby the process is in principle temperature-dependent.

Ebenfalls kann die Modulationsfrquenz zur Empfindlichkeitserhöhung auf eine akustische Eigenfrequenz der Meßzelle abgestimmt werden. The modulation frequency can also be increased to an acoustic sensitivity Natural frequency of the measuring cell can be tuned.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described.

Es zeigt Fig. 1:It shows Fig. 1:

Eine elektromagnetische Strahlung (a) beliebiger Wellenlänge innerhalb der oben angeführten Grenzen wird durch einen Modulator (b) mit möglichst hohem Modulationsgrad, im einfachsten Falle durch einen mechanischen Zerhacker, z. B. eine rotierende Lochscheibe, moduliert.Electromagnetic radiation (a) of any wavelength within the above-mentioned limits by a modulator (b) with the highest possible degree of modulation, in the simplest case by one mechanical chopper, e.g. B. a rotating perforated disc, modulated.

Die Modulatorfrequenz wird entsprechend aufbereitet als phasensynchrones Bezugssignal dem Lock-In- Verstärker (h) zugeführt.The modulator frequency is processed accordingly as a phase-synchronous reference signal to the lock-in Amplifier (h) supplied.

Die modulierte Strahlung tritt durch das Eintrittsfenster (c), das für den zu messenden Wellenlängenbereich durchlässig sein muß, in den Hohlraumabsorber (d) ein.The modulated radiation passes through the entrance window (c) for the wavelength range to be measured must be permeable into the cavity absorber (d).

Im Hohlraumabsorber wird die modulierte Strahlung durch die absorbierende Schicht (e) in Wärmeimpulse umgewandelt. Die absorbierende Schicht besteht im sichtbaren und angrenzenden Gebiet vorzugsweise aus Ruß. Die Ausführung der Meßzelle als Hohlraumabsorber garantiert eine nahezu hundertprozentige Absorption der elektromagnetischen Strahlung und somit die fast vollständige Umwandlung in Wärmeimpulse.In the cavity absorber, the modulated radiation is absorbed by the absorbing layer (e) Heat impulses converted. The absorbent layer is in the visible and adjacent area preferably made of soot. The design of the measuring cell as a cavity absorber guarantees an almost 100 percent absorption of electromagnetic radiation and thus almost complete Conversion into heat impulses.

Die durch die Wärmeimpulse in der abgeschlossenen Zelle entstehenden Druckimpulse werden durch das Mikrofon (f) in elektrische Signale umgewandelt. Ein nachgeschalteter Vorverstärker (g) und der Lock-In-Verstärker (h) mit Anzeigeeinheit (i) sorgen für die Anzeige des Meßwertes oder stellen ein Signal zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.The pressure impulses created by the heat impulses in the closed cell are replaced by the microphone (f) converted into electrical signals. A downstream preamplifier (g) and the Lock-in amplifier (h) with display unit (i) provide the display of the measured value or set Signal available for further processing.

Die Ausführung des Vorverstärkers als selektiver Verstärker und die Funktionsweise des Lock-In- Verstärkers selbst gewährleisten, daß akustische Störungen und Rauschen keinen Beitrag zum Meßsignal liefern.The design of the preamplifier as a selective amplifier and the mode of operation of the lock-in The amplifier itself ensures that acoustic interference and noise do not contribute to the measurement signal deliver.

Claims

1. Sensor for electromagnetic radiation, characterized in that it consists of a photoacoustic measuring cell with radiation modulator, entrance window, absorption surface, microphone outside the radiation path, selective amplifier and lock-in amplifier.

2. Sensor for electromagnetic radiation according to claim 1, characterized, that the absorption surface extends over the entire inner surface of the hollow body.