FI116859B - Fotoakustinen detektori - Google Patents

Description

Fotoakustinen detektori - Fotoakustisk detektor

Keksinnön kohteena on jäljempänä esitettyjen itsenäisten patenttiva danto-osissa esitetty fotoakustinen detektori, fotoakustisen detektorii 5 netelmä fotoakustisessa detektorissa anturina käytettävän oven optimi

Kun infrapunasäteily tai valo yleensä osuu kaasutäytteiseen kamm tutkittavaa kaasua osapaineessa px ja kantokaasua osapaineessa p usein typpeä), kaasu px absorboi säteilyä. Absorbtioprosessin jälkeen 10 tuu lämpöliikkeeksi tietyllä aikavakiolla r(esim. 10'5 s). Tällöin kok pötila nousee AT verran aikayksikössä. Lämpötilan nousu aikaansaa neen nousun Ap.

Tyypillinen fotoakustinen detektori käsittää kammion, johon tutkittav 15 daan johtaa, ikkunan moduloidun tai pulssitetun infrapunasäteilyn tai miseksi kammioon, ja paineanturin, joka on järjestetty mittaamaan z ♦ ♦ 1 ; infrapunasäteilyn tai valon aikaansaamia painevaihteluita kammioss L ' on tyypillisesti mikrofoni, ohut Mylar- tai metallikalvo. Fotoakust

• M

.,..: voidaan käyttää mittaamaan tai havaitsemaan infrapunasäteilyä yleisi :1·.· 20 tektorin eräs spesifinen ja tärkeä käyttö liittyy kaasujen tai kaasuseo • « :[ 1 1: seen ja havaitsemiseen liittyen esimerkiksi ilmanlaatuun tai -saasteisii

Mikrofoneissa kalvon (Mylar) liikettä mitataan tavallisesti kapasitiivi kalvo päällystetään metallilla ja asetetaan lähelle toista kiinteää meta « · • ·« 1 löin tuntuu VnnHpneanttnri irmlea Iranacitancci r\n 2 äC.-ψ*,, jossa Ah on etäisyyden muutos keskellä ja ΔΑ/3 on keskimääräinen e ti tos. Edelleen 5 AC __ Ah C “ h eli

1 ^11 C/AC S/N

jossa S/N on mittaavan elektroniikan signaali-kohinasuhde.

10

Tunnetun tekniikan mukaisia kapasiteettimittauksia rajoittaa levyjen kaasun virtaus, kun h muuttuu. Välin h pienetessä kaasun täytyy vim listä ulos ja takaisin h:n kasvaessa. Virtauksella on hitautta ja se v Tästä seuraa, että mitä suurempi on kalvon värähtelykulmataajuus ( 15 nempi h sitä enemmän virtaus pienentää kalvon liikkeen amplitudia voida pienentää rajattomasti, mikä kasvattaisi signaalia AC . Tästä jo] I kaupalliset mikrofonit toimivat fysikaalisten lakien rajoilla, eikä niid :·/ voida parantaa niiltä osin.

• ft ♦ 0 20 Nicolas Lederman et ai. esittävät julkaisussaan [1] anturin fotoakust • m »tl riin, jossa anturi on muodostettu ovimaisesta kalvosta, joka reagoi k seen fotoakustisen detektorin kammiossa, ja johon kalvoon on integn köinen elementti, joka rekisteröi oven liikkeen. Julkaisussa esitetyn e. . mana on se, että oven resonanssitaajuutta ei ole huomioitu. Todennäkt I..* 25 kiinnitftttv niptsnsähkninpn plpmpntri Ira «valta a anturin rpcrmanccitas 3

Myös M. H. de Paula et ai. ovat julkaisuissaan [2] ja [3] esittäneet vi rinteiselle kalvoratkaisulle. Julkaisuissa on esitetty fotoakustisen dete on pienen reiän päälle kieli noin 0,1 millimetrin etäisyydelle reiäs esitetyn mukaisesti kieli ei käsitä ns. karmia kielen ympärillä, jolloi 5 reiän reunojen ulkopuolelle eli kyseessä ei ole julkaisussa [1] esitetyi Perusongelmana de Paula et al.:n julkaisuissa onkin näin ollen se, etti detektorin kammiossa vaikuttava ja mitattava paine kohdistuu vain kielen kokonaispinta-alasta, mikä pienentää vastetta merkittävästi, kielen alta on suuri suhteessa reiän kokoon, mikä edelleen alentaa l 10 Julkaisussa [2] ja [3] on lisäksi esitetty optinen kulmamittaus kieler taamiseksi. Julkaisuissa esitetyn kielen muoto on kuitenkin käytänne nen kulmamittaukselle. Näin ollen julkaisuissa [2] ja[3] esitetty ratki tävän herkkä erittäin tarkkoihin mittauksiin ja suurta tarkkuutta vaa tuskohteisiin.

15

Lisäksi atomivoimamikroskopiassa käytetään cantilever -tyyppisiä * · * : V kieliltä kuitenkin edellytetään korkeita taajuuksia, joten atomivoiman • t · • « » j ·* käytettäviä kieliä ei voida soveltaa fotoakustiseen detektoriin.

ψ * * * * * * * ^ : 20 Fotoakustisen detektoinnin ongelmana on lisäksi sen häiriintyminen * * - • p ,· \ nistä. Näin ollen, jos kammion sisällä oleva, mittalaitteen ulkopuo ääni on voimakkaampaa kuin systeemin oma kohina, detektorisystee den (vasteen) parantaminen ei paranna tutkittavan kaasun määrityst menetelmä ulkoisista äänistä syntyvien häiriöiden vähentämiseksi or * *· *♦ 25 minen. Eristämisellä voidaan vaimentaa ulkoääniä kertoimella 10000 - * * 4 joka mittaa pelkästään ääntä kammion sisällä. Sen jälkeen tunnettuje mukaisissa ratkaisuissa vahvistetaan suoraan varsinaisen mittaussigm sen mittaussysteemin antaman referenssisignaalin erotus. Kuvatun 1 soisdetektiojärjestelmien ongelmana on kuitenkin mm. se, että nän 5 toimivat vain erikoistilanteessa kapealla taajuuskaistalla. Ongelman s ussysteemien antureiden välille syntyvä vaihe-ero.

Esillä olevan keksinnön mukaisen fotoakustisen detektorin, fotoakust anturin ja menetelmän fotoakustisessa detektorissa anturina käytettä 10 moinnissa tarkoituksena onkin poistaa tai ainakin vähentää edellä ma kan tasosta johtuvia ongelmia.

Lisäksi esillä olevan keksinnön mukaisen fotoakustisen detektorin, detektorin anturin ja menetelmän fotoakustisessa detektorissa anturi) 15 oven optimoinnissa tarkoituksena on aikaansaada tarkka ja erittäin he tinen detektori.

M * «ti I * * · ♦ t * r t t : *' Edelleen lisäksi esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aika V 9 9 * : nen detektori, jossa ulkoisista äänistä syntyvien häiriötekijöiden vaiki ·««« . 20 tulokseen on vähennetty.

• # 4 - # 9 9 4 4«

Lisäksi esillä olevan keksinnön erään erittäin edullisen sovellutusmuc fotoakustisen detektorin tarkoituksena on saada aikaan menetelmä detektorin herkkyyden parantamiseksi ja fotoakustinen detektori, joi *. *. 25 nen detektori käsittää ovesta muodostetun anturin ionka herkkvvttä 5

Lisäksi esillä olevan keksinnön erään erittäin edullisen sovellutusmuc fotoakustisen detektorin tarkoituksena on saada aikaan fotoakustises: käytettävä erittäin herkkä anturi ja menetelmä anturin optimoimiseksi 5 Mm. edellä mainittujen tarkoituksien toteuttamiseksi keksinnön mi akustiselle detektorille, fotoakustisen detektorin anturille ja meneteln tisessa detektorissa anturina käytettävän oven optimoinnissa on pääa omaista se, mikä on esitetty oheisten itsenäisten patenttivaatimu merkkiosissa.

10 Tällöin tyypillisessä esillä olevan keksinnön mukaisessa fotoakustise sa välineet absorboituneen infrapunasäteilyn ja/tai valon ensimmäist aikaansaamien painevaihteluiden havaitsemiseksi käsittävät ainakin kammion seinämään jäljestetyn aukon, jonka yhteyteen on kaasun lii! 15 vaksi järjestetty ovi, ja välineet oven liikkeen kosketuksettomaksi Tässä yhteydessä oven liikkeen kosketuksettomalla mittaamisella tai • * * i V taustoimenpiteitä, jotka suoritetaan ilman oveen kiinnitettyjä tai siihe t* ♦ i · * ' sa yhteydessä tai kosketuksessa olevaa yhtä tai useampaa anturia, kut • t • 4 4 • . ilman oven pintaan kiinnitettyä pietsosähköistä anturia. Eli kosketuksi (·β ; 20 tauksessa oveen ei ole kiinnitetty tai yhdistetty sellaisia mittausvälim f ·» % 9 •**v ritsisivät ja/tai vaimentaisivat oven liikettä. Tällaisia kosketuksettorr • »· netelmiä ovat esimerkiksi erilaiset optiset mittausmenetelmät. Lisäks tomaksi mittausmenetelmäksi katsotaan edellä mainittu kapasitiivinen kondensaattorin toiseksi levyksi on järjestetty esillä olevan keksini :·ν 25 ovi.

6 1 pinnalle projisoidun oven tasoprojektion pinta-alaa. Tällöin jos ove; merkiksi kaareva, voi oven tosiasiallinen pinta-ala olla suurempi kui ala, mutta esillä olevan keksinnön mukaisen oven tasoprojektion pi loinkin pienempi kuin aukon pinta-ala.

5

Eräässä edullisessa esillä olevan keksinnön mukaisessa fotoakustises ovi on ainakin yhdeltä sivulta kiinnitetty oven sivupintoja ympäröiväi teeseen. Erittäin edullisesti ovi ja karmi on muodostettu piistä esimei tamalla piikiekkoon rako, joka kiinnityskohtia lukuun ottamatta erotu 10 muusta, karmin muodostavasta osasta.

Eräässä edullisessa esillä olevan keksinnön mukaisessa fotoakustises välineet oven liikkeen kosketuksettomaksi mittaamiseksi kasit mittausjärjestelyn, joka käsittää ainakin yhden tai useamman valolä 15 sen osan valaisemiseksi ja yhden tai useamman detektorin ovesta heij; vastaanottamiseksi ja oven liikkeen mittaamiseksi optisena kulma- * « i ί V tiomittauksena, tai kapasitiivisen mittausjärjestelyn, jolloin ovi tai se 9« * Ψ 9 * * ' lystetty metallilla tai ovi on valmistettu sähköä hyvin johtavasta aii ϊ * * * ’, mittausjärjestely käsittää oven läheisyyteen järjestetyn metallikalvoi 9*9 9 ' 9 (re . 20 päällystetyn kalvon sekä välineet oven ja metallikalvon muodostane .-··! torin kapasitanssin muutosten mittaamiseksi. Joissakin sovellutusko 9 »* telmä voi käsittää myös sekä optisen että kapasitiivisen mittausjärjest mahdollista, että optisen ja/tai kapasitiivisen mittausjärjestelyn lisäksi detektori käsittää myös muita mittausjärjestelyjä oven liikkeen koski » * 25 mittaamiseksi.

7 1

Eräässä erittäin edullisessa esillä olevan keksinnön mukaisessa fotoi tektorissa toisen kammion yhteyteen on lisäksi järjestetty kolmas ka kooltaan identtinen ensimmäisen kammion kanssa, ja jossa on ensi] mion käsittämän aukon kanssa identtinen aukko, joka yhdistää kolma 5 toiseen kammioon, joka kolmannen kammion aukko on suljettu vas kuin ensimmäisen kammion aukko, jonka oven liikettä mitataan vasl kuin ensimmäisen kammion aukon sulkevan oven liikettä. Tällöin vi taussignaali ja referenssisignaali voidaan mitata erikseen ja laskea nii< joiden erotus antaa tarkan suodatuksen ulkoisista häiriöäänistä.

10

Tyypillinen esillä olevan keksinnön mukainen fotoakustisen detektor tää levymäisen, oven karmina toimivan reunaosan ja levymäisestä rei la erotetun oven. Edullisesti anturi on jäljestettävissä fotoakustisen d< tämän tutkittavaa kaasua sisältävän kammion yhteyteen siten, että 1 15 sorboituneen infrapunasäteilyn ja/tai valon aikaansaamat painevaihfo ovea.

• « « * * -* ·· « : V Esillä olevan keksinnön mukaisen erittäin edullisen sovellutusmuo' : * anturi ei käsitä siihen kiinteästi kiinnitettyjä ja/tai kiinteästi sen yhte; l 20 tyjä antureita oven liikkeen havaitsemiseksi ja/tai mittaamiseksi.

t i -ι · * • · ♦ *

Esillä olevan keksinnön suurimpana etuna on sen tarkkuus ja herkk tunnettuihin fotoakustisiin detektoreihin verrattuna.

\ V 25 Lisäksi esillä olevan keksinnön mukaisen fotoakustisen detektorin ja po sovellettavuus fotoakustisen detektorin ja erityisesti siinä käytettä moinnissa.

8

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheiseen 5 jossa

Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen fotoakustii rakennetta,

Kuvio 2 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen fotoakustii 10 paineanturia yläviistosta,

Kuvio 3a esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen fotoakustii paineanturia edestä,

Kuvio 3b esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen fotoakustii paineanturin poikkileikkausta, 15 Kuvio 4a esittää kaaviomaisesti resonanssikulmataajuuden 0¾ vai! tudiin Αχ(ω), »· * : V Kuvio 4b esittää kaaviomaisesti oven resonanssin mallinnusta ** * t * = ϊ * Kuvio 5 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaisti ·* j • " oven liikkeen mittausjärjestelyä oven kulmamuutoksen pe l»t» ' . . 20 Kuvio 6 esittää kaaviomaisesti valotehoa kaksoisanturilla kuvion t i - * * * · mittausjärjestelyssä, * - *

Kuvio 7 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaisti oven liikkeen mittausjärjestelyä oven translaatiomittaukse Kuvio 8 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaisti · 25 oven liikkeen mittausjärjestelyä perustuen Michelsonin i 9

Kuvio 11 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaiset detektorin oven erästä edullista muotoa,

Kuviot 12a ja 12b esittävät kaaviomaisesti eräitä vaihtoehtoisia esil sinnön mukaisen fotoakustisen detektorin oven muotoja,; 5 Kuvio 13 esittää kaaviomaisesti esillä olevan keksinnön mukaist oven liikkeen mittausjärjestelyä moninkertaiseen heijasi tuvan optisen kertojan avulla.

Kuviossa 1 on kaaviomaisesti esitetty esillä olevan keksinnön mukai; 10 sen detektorin eräs suoritusmuoto. Kuviossa esitetyn mukaisesti foto tektori käsittää kaasutäytteiset kammiot V ja V0, joissa on tai joihin tutkittavaa kaasua osapaineessa px ja kantokaasua osapaineessa p, usein typpeä). Ensimmäinen kammio V0 on muodostettu rengasm osasta 1, jonka ensimmäiseen avoimeen päähän on järjestetty kamm 15 sen pään sulkeva ikkuna 2, jonka läpi infrapunasäteily tai valo yleens taa kammioon. Ikkuna 2 on edullisesti valmistettu hyvin infrapunasät loa läpäiseväksi ja sen paksuun on edullisesti noin 3-6 mm. Kammi ·« * : \ ja sen optimointi on tarkemmin esitetty alla. Kammion V0 toiseen avc : ' on järjestetty kammion toisen pään ainakin osittain sulkeva, painean

MM

\ 20 piiovi 3, jonka rakenne on tarkemmin esitetty kuvioissa 2 ja 3. Piiove w · • » * * daan joissakin erityisissä sovellutuksissakäyttää myös mikrofonia, oh t metallikalvoa. Fotoakustinen detektori käsittää ensimmäisen kamm pään jatkeeksi jäljestetyn toisen kammion V, joka muodostaa mittau tilavuus V. Mittaustilaan on järjestetty piioven 3 liikkeen mittausvälir * 25 lan toinen pää on kuviossa 1 esitetyn mukaisesti suljettu referenssi 10

Kuviossa 2, 3a ja 3b on esitetty kaaviomaisesti ja esimerkinomaisesti esillä olevan keksinnön mukainen paineanturina toimiva piistä valmii neanturi käsittää levymäisen, oven karmina toimivan reunaosan ja osasta uralla erotetun oven. L on oven leveys, h korkeus, d paksuus j 5 ys.

Pienillä ikkunan läpi kammioon johdettavilla valolähteen IR-tehoilla sa, kun W(t) = Wav + Wgcos (2τφj, on f dT_'I _ axpx2l{QosaylWQ cos(2ftft) _ axpx2l(co&aylW^ cos(: v, ^ Jη> Σ/Cy m* η Σ, cv P' jossa ax on osapaineessa px olevan kaasun absorptiokerroin, / kammiot säteen ja kammion keskiakselin välinen kulma ja W(t) nettovaloteh< kammioon. Eli W(t) on valon intensiteetti x rt/?2, jossa R on kammic 15 kaasukomponentin massa, c‘v on vastaavan kaasun ominaislämpökap, , kaasun i tiheys ja V0 on pienemmän kammion tilavuus. Esimerkiksi ♦ * · » f « tt i * * /Jcvmi = cvmt + cv tnN = Vn{cvpT + cv pN), · i * * 1

# i V

IM» :[ \ 20 Yhtälössä (1) on oletettu, että τ « f'l« τ0, jossa τ0 on aikavakio lär * · v. selle ulos kammiosta ja τ aikavakio absorptioenergian muuttumise

Edelleen at=no -t0 = fi—1 dt= * I » • » « 11 jossa A on paineanturin pinta-ala, k on jousivakio ja x on liike. Yhtäl saadaan AT/T0 X~A^Ä_ <ω = °>· 5 Ap0 + 2V0

Koska yhtälössä (2) esitetty ΔΤ on moduloitu kulmataajuudella ω, tä> . oven (tai kalvon) liikeyhtälöä eli mx - 2finx + mm\x - F0elta, 10 ^ jossa F0ei(lX on pakkovoima, β vaimennusvakio, ω0 = ^kjm resonar juus ja x liike joko oven päästä tai oven tai kalvon keskeltä. Yhtälön (< ωΐ - ω2 + 2ΐωβ 15 josta saadaan amplitudi !··: —ψ-- |V J(<y02-ω2) +4βζω2 * · ti ^ ί * Yhtälöistä (3) ja (4) saadaan amplitudeille

20 Δρ AT AV AT 1 A / \ A

----=---ΑΛω)— : Po r, vt r0 2 A V0 f ft ^ ja täten A, (Δ7· Α(ω)Α a».-, -A^· - 2V° ) , 25 7(©02-ω2)2 +4β2ω2 -ω2)2 +4β2ω2 12

Kuviossa 4a on kaaviomaisesti esitetty resonanssikulmataajuuden ω0 amplitudiin Λ*(ω).

Jos to = 0, niin yhtälö (9) antaa yhtälön (5) eli Ax(0) = x, koska ma)02 = 5

Oven (tai kalvon) resonanssi on edullista mallintaa niin, ettei reson amplitudin kasvua to0:n ympärillä huomioida (katso kuvio 4b). Siis jos m APo Δ77Γο _ Po ΔΤ/Τ0

10 Λ ~ 2 Po*2 ma>l p„A 2 paA

2V„ A 2V0 ^ 2V0 ja jos ω > α)ο» on is joissa p on oven (tai kalvon) tiheys ja d paksuus. Jos resonanssia e fr* 9 i * ; ovea (tai kalvoa) kannattaa käyttää resonanssikulmataajuuden co0 alap • « fr talöä (10), josta nähdään, että oven (tai kalvon) liikkeen amplitudin Ax • * ·:·· ti, eli maksimointi, tulee tehdä ω0:η, d:n, V0 ja A:n avulla. Mitä pieni « · * 20 ovat, sitä suurempi Α,(ω) on. Amplitudi saavuttaa maksimin, kun pdt fr fr vuttaa minimin. Näin tapahtuu, kun fr • fr * » fr 13 ^y^CvPipdml jossa ω < ω0. Yhtälöstä nähdään, että vastetta voidaan kasvattaa par tämällä kulmataajuuksia ω ja (% Mutta on muistettava, että ilmar 5 huomioimista ja optimointia, ei saavuteta parasta mahdollista opt Näin ollen optimointia voidaan ja tyypillisesti tuleekin tehdä optin tekijöitä A ja/tai d. Tyypillisillä kaupallisesti saatavilla mikrofoneilla juus/o = (Dq / 2n on tyypillisesti 10-20 kHz. Jos käytetään mikrofon nanssitaajuus /0 = 20 kHz, lähellä resonanssitaajuutta, saadaan Axopl 10 samanlaisesta kalvosta rakennetaan uusi mikrofoni, jonka resonanssia Hz, niin

f 90jtf/7 V

A°xp,{5WHz)= -- Af* {20kHz) = 403 Af {20kHz) = 64000Af* {0,5kHz 15 jos mikrofonit on optimoitu yhtälön (12) mukaisesti. Jos edelleen kä; * V juudelle 500 Hz optimoitua mikrofonia 50 Hz:n taajuudella, vaste kas * * kymmenkertaiseksi ja parannuskerroin olisi siis 640000. Resonanssi *· * *· daan alla olevan yhtälön (16) perusteella pienentää ohentamalla ove; * Tällöin saadaan lisää parannusta suhteessa d/d2 tilanteissa, joissa oa 20 ohentaminen on teknisesti mahdollista.

«

P

t

Resonanssikulmataajuudet riippuvat oven (tai kalvon) dimensioista ja Ovelle * Ϊ2Ε d a — ϊ u !.'· ®o=,TT72-· A~Lh· 14 I Ί 4 d jossa σ - Poissonin suhde ja r kalvon säde.

5 Jännitetylle ohuelle kalvolle (esimerkiksi Mylar)

2Α^Τ/μ 2.4 I F

t0>0~ r ~ r \2m-fid’ 10 jossa T on kalvon jännitys ja μ massa/yksikköala eli ts. μ = mJa = pd/

Tarkkaan ottaen ohuellekin kalvolle (Mylar 2 pm) on

°>L =£ <°l +r K

15 jossa kuitenkin E ω02 « τω^.

• I ft : \ Jos verrataan samasta materiaalista (piistä) valmistettua esillä olet N « • *

j * erään edullisen suoritusesimerkin mukaista ovea, jonka korkeus on L

* * * ' muotoiseen kalvoon, jossa ei ole jännitystä, saadaan ! 20 *. · AOPt Γ O I1/5 *· * —2t~ - sn - - 20,

KL W-<rJ)J

jos s - 10 eli oven korkeus on kymmenesosa leveydestä L.

^ * * * 25 Verrattaessa esillä olevan keksinnön erään edullisen suoritusesime 15 jossa F on kokonaisjännittävä voima Newtoneina ja s = 10. Suhde c 10-20 riippuen siitä, kuinka pienellä voimalla F kalvo on saatu toimi

Esillä olevan keksinnön mukainen ovi on siis ratkaisu, joka antaa vä 5 kertaluvun paranemisen anturin vasteessa. Jos tämä parannus lisätään den antamaan parannukseen, voidaan matalaresonanssisella ovella saa täin edullisesti muutaman miljoonan parannus anturin vasteeseen.

Esillä olevan keksinnön erään sovellutusmuodon mukaista ovi-anturi 10 oven ja seinämän välinen rako saatava edullisesti mahdollisimman ki mio vuotaa raosta, mistä seuraa, että anturilla on alarajataajuus /cut, oven raon pinta-ala a seuraavasti: r a V0 15 jossa v0 on äänennopeus kammiossa ja V » V0r *· · • · * * · ·» * : \ Toisaalta on edullista, että kammioiden välillä on pieni reikä, joka ta: • * : * nevaihtelut kammioiden välillä, ja joka reikä voidaan siis toteuttaa ede *··· * 20 rakona oven ja oven karmin välissä.

« · • · » i i # • ^

Fotoakustisen anturin tarkkuutta voidaan parantaa myös korvaamalla nilkan mukainen kap^sitiivinen oven (tai kalvon) liikkeen mittaamina keksinnön mukaisella optisella mittausjärjestelyllä. Optinen mittaam !/· 25 erittäin vähän oven (tai kalvon) liikettä. Esillä olevan keksinnön muk » Λ Λ 16

Mittausjärjestely käsittää anturina toimivan oven 3 lisäksi valoläh laserin 10, optisen linssin 12 valonsäteen kohdistamiseksi ja kak ovesta 3 heijastuneen valonsäteen v vastaanottamiseksi ja mittaami: anturi käsittää siis ensimmäisen detektorin dl ja toisen detektorin d2. 5 fokus 13 on kaksoisanturilla. Kuviossa 6 on esitetty mittausjärjestely! soisanturilla, jossa jokaisessa y:n pisteessä on valon intensiteetti vastaan kohtisuorassa suunnassa.

Kuvioissa 5 ja 6 esitetyn kulmamittauksen kulman muutos Δα muumi 10 tioliikkeeksi Ay = α2Δα, joka mitataan kaksoisanturilla djd2. Kulnu määräinen kulmamuutos lasersäteen valaisemalla alueella ovessa. Yli puu mittauspaikasta eli /:stä ,anAa=^r1_ficiYl=^[1_r^Yl=w1_rj 6EI [ L I 6ϋΕΙ I 3L 1

15 j J L

eli

A 0 4Δ* (L-/Y

* · Δν = 2α- 1--

3 LL

: LV J \ • » • « * «1 » * .·. : 20 Pienin liike Joka voidaan mitata kaksoisanturilla on * * : * __ & jossa σοη laserfokuksen puoliarvoleveys. Minimissään σοίι diffraki eli * * :-'j 25 17

Valaistun alueen leveys ovessa on aD f [(a+b) cos/^> mikä antaa lopu sen. Jos b = 0 ja l * L, niin edellisestä yhtälöstä saadaan

Λχ 3U

6D(S/N)' 5 Käytännössä D < L, eli Λ 3λ

** ~ 1 6(S/nY

jossa S on laserin teho /0 ja N valon ja elektroniikan summakohina.

10 Signaalin (valotehon vaihtelun) amplitudi Λν=Δ^ι-ΔΡ,2=2 Ayl^ jossa APdi ja APd2 ovat valotehon muutokset detektoreilla d} ja d2 sek simivaloteho / Ay. Nyt yhtälön (28) avulla 15

A Γ^-η3]_16Μ,Ρ,,+P,,r fl-jV

^ 3 L { L J 3 La [ L J

♦ ♦ · « · « • * ;. / jossa Pdt + Pd2 = I0 on kaksoisanturille osuvan laserin valoteho.

♦ I· ♦ Ψ • * ; \: 20 Siis optisen viisarin valosignaalin amplitudi on * · ♦ *« 16a£>/„A, 16/0A, ^ 3U(a + i>)~ 3Λ ’ . . jossa Ax on oven liikkeen x amplitudi, jonka on oltava < λ.

* · · * «- : · 7 s 18 r/fi .

Oven liike voidaan esillä olevan keksinnön mukaisesti mitata siis i tiomittauksena. Kuviossa 7 on esitetty esillä olevan keksinnön mukaii 5 jestely, joka ei ole kulmamittaus ja jolla oven translaatioliike x voidat tausjäqestely käsittää oven lisäksi valonlähteenä toimivan laserin 10,; 11, ensimmäisen optisen linssin 12 valonsäteen fokuksen kohdistamis sa eli liikkumattomassa tilassa olevan oven 3 pinnalle ja toisen opti ovesta heijastuvan valonsäteen kohdistamiseksi kaksoisanturille. Vai 10 set linssit ja kaksoisanturi on järjestetty siten, että kun ovi on lepotil tulevan ja siitä heijastuvan valonsäteen välinen kulma 90 astetta. Mi on mm. se, että lasersäde on fokuksessa oven pinnalla ja oven optiner huono. Minimiliike, joka mittausjäijestelyllä voidaan havaita on

IS Λ V2aA

Mn~4 D(S/N)j • *,: jos ovessa on peilipinta.

• * * • · « f 9 • • * 9 9 * ' t Minimiliike on samaa suuruusluokkaa kuin kulmamittauksessa eli Δχ, ; 20 jos D Myös translaatiomittaus soveltuu myös kalvon liikkeen * * · 9 9 m ψ 9 99

Oven (tai kalvon) liikettä voidaan mitata esillä olevan keksinnön e: sovellutusmuodon mukaisesti optisesti myös interferometriä käyttämi 8 on esitetty eräs esillä olevan keksinnön mukainen mittausjäijestely * 9 \v 25 von) liikkeen mittaamiseksi ns. Michelsonin interferometrillä. Kuv 19 renssipeilissä. Referenssipeiliä 16 säädetään siten, että kolmen anturi] muodostamalle kolmoisanturille 17 syntyy Va paperitasoa vastaan ko] terferenssijuovasta. Kun x muuttuu oven liikkuessa, interferenssijuova tain detektorien yli, kuten kuviossa 9 on esitetty. Juova liikkuu yhden 5 kun x muuttuu λ / 2:n verran. Juovan intensiteettijakauma on '(z) = ^l + a>sj^|J .

Jos interferenssijuova liikahtaa ε:η verran, saadaan antureiden dh d2 lu /2 ja /3 seuraavasti: 10 ~ ιΑε)=χ^+°°{^Φζ=^^[~Λ2πνΥΛ Φ) = [co{^-§)+sm^ 15 4+' ;·’ν lM= } f[1+co{2^^)}fe~+^[co{2^)-s,n(2^ ♦ ♦ 9 9 : ’ Tällöin • « · · - =;··· 20 ^)-^)=^0^2^ h(e)-h{e) = ^s™ 2^-^j eli 25 2^ = tan-'(ZlZAl 20

Koska signaalit I2 - h ja I2 - h ovat 90°:n vaiheessa toistensa suhteen, voidaan selvitä kuviossa 10 esitettyjen tangenttifunktion epäjatkuvu Eli yhtälössä

5 [ 2)4 4n /2-/J

saadaan mitatuksi kokonaisluvun k muutokset ±1 tangentin epäjatki φ= (n + ιΛ)π.

Pienin havaittava liike on 10 ^™=2^/ÄÖ=8(s7ÄÖ’ jossa S = /(/2.

Jos oven liike on pieni < λ / 4, voidaan edellä kuvatun mittausjäijestel· 15 turin tilalla käyttää kaksoisanturia kuten optisessa viisarissa. Tällöin a nen leveys on yhden juovan leveys ja Γ·\ [/,+/,«—=£.

* 2 2 20 v. Koska ε = Δζ = 2 ΏΔχΙλ on A ^ * -1 Λ ^ f I I \ 4π P.+/J 8 /, +/2 4/0 9 * · » • » .··· 25 jossa /π on laserin valoteho. Tällöin valosignaalin amplitudi on 21

Esillä olevan keksinnön mukaisen interferometrisen mittauksen etuja talon (44) mukaisesti vaste on erittäin lineaarinen jopa silloin kun ov liike on useita aallonpituuksia. Absoluuttinen tarkkuus on hyvä, kos sisignaalin muoto on tarkasti 1/2(1+cos(2tiz/D)) -muotoinen. Lisäksi 5 fokusoida oven mittauspisteeseen lähes pistemäisestä eikä diffraktio seen. Myöskään laserin intensiteetin 70 vaihtelu ei vaikuta mittaustul koska yhtälössä (44) interferenssijuovan maksimi-intensiteetin A arvo

Verrattaessa optista viisaria ja interferometriä toisiinsa, voidaan tock 10 (33) ei toteudu käytännössä, koska neliön muotoinen (suorakulmair optimaalinen muoto optimoitaessa yhtälöä (10). Eli toisin sanoen esil sinnön mukainen optinen viisari ja interferometri toimivat erittäin hy Ön muotoisella (suorakulmaisella) ovella, mutta jos herkkyyttä ja ta taan edelleen parantaa, tulee oven muotoa muuttaa. Käytettäessä ovea 15 us on kymmenesosa leveydestä L (eli s = 10), yhtälö (31) antaa kuvioi mukaisesti iV* Αχ 3LÄ ^ 2λ !v 16L/10(S/JV) ~ S/N ’ * f • * « 4 joka on 16-kertainen vastaavaan interferometrin arvoon verrattuna (yl k : 20 leen interferometri paranee optiseen viisariin verrattuna, jos s kasvaa * i :* * tuu, mikä toisaalta lisää myös oven liikkeen amplitudia Αχ(ω).

Oven muotoa voidaan parantaa lisää esimerkiksi pienentämällä edelle taajuutta heikentämällä oven saranaa saranan keskiosaa urittamalla, l 25 12a on esitetty ja/tai lisäämällä oven pinta-alaa oven päässä, kuten kr i * 22 siten, että pinta-alaltaan aukon pinta-alaa pienempi ovi on saranoitu Is vartta, jolloin vartena voi toimia esimerkiksi kuviossa 12a esitetyn mi ne, jolloin ovi on kiinnitetty varren päähän tai muodostettu osaksi var Pitkän varren etuna on se, että pitkän varren käyttö alentaa oven reson 5

Koska käytettäessä interferometriä ovessa on lähes pistemäinen laser interferometrissä soveltaa monikertaista heijastusta, eli kertojaa, kuvi tyn mukaisesti. Laservalo v menee päätypeiliin heijastuen n -kertaa läheisyyteen järjestetystä kiinteästä tasopeilistä 20, joka on edullis< 10 samansuuntaiseksi ovipinnan kanssa. Laserin fokus on lähellä päätyp lasersäde tulee takaisin samaa reittiä heijastuen toiset n -kertaa ovesi kahtaa matkan Δ*, optinen matka muuttuu interferometrissä 4nAx v kasvaa 2n -kertaiseksi, jos ei ole heijastustappioita.

15 Jos peilien ja oven heijastuskerroin on Ry niin yhtälö (45) saa nyt uude

»· i 2 X

* 1 r = Λ_= Λχηιη I.,! * "* 2nR*"-2i(s/N) 2nRi’-1' 9 * · ♦ · 9 9 ’ Tällä menetelmällä saadaan noin 10-kertainen herkkyyden lisäys, h ! : 20 heijastusta voidaan soveltaa myöskin esillä olevan keksinnön mukais • · · tiomittauksen laserheijastuksessa, koska laser on fokuksessa ovessa.

♦ - -

Verrattaessa esillä olevan keksinnön mukaista optista viisaria ja interf siinsa, voidaan todeta, että molemmilla esillä olevan keksinnön muka * 9 9 *· * 25 järjestelyillä saavutetaan olennainen parannus mittauksen tarkkuutee • * * 23

Kuten edellä todettiin, on tunnettujen fotodetektoreiden ongelmana tyminen ulkoisista äänistä. Esillä olevan keksinnön mukaisesti ulkoisl kutusta voidaan vähentää sinänsä tunnetulla kaksoisdetektorilla, jo kuviossa 1. Esillä olevan keksinnön mukaisesti varsinainen mittaussi 5 renssisignaali mitataan erikseen ja lasketaan niiden amplitudit, joide tarkemman ja paremman suodatuksen ulkoisista häiriöäänistä. Erity alueella, jossa ei ole kaasun aiheuttamaa signaalia, saadaan häiriöääi vähennettyä.

10 Keksintöä ei ole pyritty mitenkään rajoittamaan vain edellisessä selit; tyyn suoritusmuotoon, vaan sitä voidaan vaihdella patenttivaatimus keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

*4 I « 4 -

B

• I M · B «

B

• I 4» t * • « • m 4 * « · I * •

B

4 - - i * 4 » • «

«M

* 24

Kirjallisuusviitteet: [1] Nicolas Ledermann et ai., Integrated Ferroelectrics, Voi. 35, pp. 17 [2] M.H. de Paula et ai., J. Appi. Phys., Voi. 64, 3722-3724 (1988) 5 [3] M.H. de Paula et ai., Rev. Sei. Instrum., Voi. 673, 3487-3491 (199: • * » • * i 9 « » • i « f · 9 9 9 99 i 9 « « ♦ 9 » • 9 9 9 9 f • Φ • ♦ • · 9 9 9 * ·

Claims (10)

1. Fotoakustinen detektori, joka käsittää ainakin - ensimmäisen kammion (V0), johon tutkittavaa kaasua voidaan johtaa, 5. ikkunan moduloidun ja/tai pulssitetun infrapunasäteilyn ja/tai valon p ensimmäiseen kammioon (V0), ja - välineet absorboituneen infrapunasäteilyn ja/tai valon ensimmäiseei aikaansaamien painevaihteluiden havaitsemiseksi, tunnettu siitä, että sorboituneen infrapunasäteilyn ja/tai valon ensimmäiseen kammioon ai] 10 painevaihteluiden havaitsemiseksi käsittävät ainakin - ensimmäisen kammion (V0) seinämään jäljestetyn aukon, jonka yhte> sun liikkeestä liikkuvaksi jäljestetty ovi, ja - välineet oven liikkeen kosketuksettomaksi mittaamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen fotoakustinen detektori, tunnettu si pinta-ala on korkeintaan yhtä suuri kuin ensimmäiseen kammioon (V< aukon pinta-ala.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen fotoakustinen detektori, tunne: « * 20 ovi on ainakin yhdeltä sivulta kiinnitetty oven sivupintoja ympäröivään • · teeseen.

* · :*·,· 4. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen fotoakustin< • · :[[[: tunnettu siitä, että ovi ja karmi on muodostettu piistä.

··· 5. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen fotoakustint ···· tunnettu siitä, että välineet oven liikkeen kosketuksettomaksi mittaan «·· 7 - kapasitiivisen mittausjäqestelyn, jolloin ovi tai sen osa on päällystel tai ovi on valmistettu sähköä hyvin johtavasta aineesta, ja joka mittausj sittää oven läheisyyteen jäq estetyn metallikalvon tai metallilla päällys sekä välineet oven ja metallikalvon muodostaman kondensaattorin 1 5 muutosten mittaamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen fotoakustinen detektori, tunnettu si sen mittausjäqestelyn valolähde on laser.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen fotoakustinen detektori, tunne optisen mittausjäqestelyn detektori on kaksoisanturi.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen fotoakustinen detekto siitä, että valolähde ja detektori on jäljestetty osaksi interferometria. 15

9. Jonkin patenttivaatimuksen 5-8 mukainen fotoakustinen detekto siitä, että välineet oven liikkeen kosketuksettomaksi mittaamiseksi c toiseen kammioon (V), joka muodostaa mittaustilan, jolla on tilavuus .. . yhteydessä ensimmäiseen kammioon ensimmäisen kammion aukon kau • · · 20

• · < : 10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen fotoakustinen detektori, tunnet! M 5 * ·· * . toisen kammion yhteyteen on lisäksi jäljestetty kolmas kammio, joka : identtinen ensimmäisen kammion kanssa, ja jossa on ensimmäisen kar • ♦ ♦ • · .*·*. tämän aukon kanssa identtinen aukko, joka yhdistää kolmannen kami 25 kammioon, joka kolmannen kammion aukko on suljettu vastaavalla ov t>T simmäisen kammion aukko, jonka oven liikettä mitataan vastaavalla ensimmäisen kammion aukon sulkevan oven liikettä, sekä välineet <