PL209466B1

PL209466B1 - Method and device for the photo-acoustic detection

Info

Publication number: PL209466B1
Application number: PL381139A
Authority: PL
Inventors: Tomasz Starecki
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2011-09-30
Also published as: PL381139A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do detekcji fotoakustycznej, stosowany zwłaszcza do określania fizycznych i chemicznych właściwości badanej substancji.The subject of the invention is a method and a device for photoacoustic detection, used in particular for determining the physical and chemical properties of a test substance.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego P. 370733 sposób detekcji fotoakustycznej, w którym badaną próbkę, umieszczoną w fotoakustycznej komorze pomiarowej pobudza się jednocześnie skończoną liczbą wiązek światła o długościach fal λ₁...λ_η. Natężenie każdej z tych wiązek moduluje się z inną częstotliwością. Sygnał fotoakustyczny przetwarza się za pomocą mikrofonu na sygnał elektryczny. Wielkość amplitudy poszczególnych składowych sinusoidalnych tego sygnału o częstotliwościach odpowiadających częstotliwościom modulacji poszczególnych wiązek światła świadczy o wielkości absorpcji światła przez badaną próbkę odpowiednio na długościach fal λ^.λ i tym samym o właściwościach tej substancji. Celem wynalazku jest wykonanie jednoczesnych pomiarów dla dwóch długości fal i osiągnięcie większej czułości pomiaru.There is known from the patent application P. 370733 a method of photoacoustic detection, in which a test sample placed in a photoacoustic measuring chamber is simultaneously stimulated with a finite number of light beams with wavelengths λ ₁ ... λ _η . The intensity of each of these beams modulates with a different frequency. The photoacoustic signal is converted into an electrical signal by means of a microphone. The magnitude of the amplitude of the individual sinusoidal components of this signal with the frequencies corresponding to the modulation frequencies of the individual light beams indicates the amount of light absorption by the tested sample at wavelengths λ ^ .λ, and thus the properties of this substance. The object of the invention is to perform simultaneous measurements for two wavelengths and to achieve a higher measurement sensitivity.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że światło wytwarza się za pomocą dwóch źródeł światła, których natężenie modulowane jest z taką samą częstotliwością, ale z przesunięciem fazowym równym 90° i mierzy się fazę sygnału elektrycznego w stosunku do fazy sygnałów świetlnych, oświetlających badaną próbkę.The essence of the method according to the invention is that the light is produced by means of two light sources, the intensity of which is modulated with the same frequency, but with a phase shift of 90 °, and the phase of the electrical signal is measured in relation to the phase of the light signals illuminating the sample under test. .

Istota urządzenia według wynalazku polega na tym, że ma generator dwóch sygnałów elektrycznych o tych samych częstotliwościach i przesuniętych względem siebie o 90°, którego dwa wyjścia połączone są z wejściem dwóch źródeł światła i połączone są z wejściem detektorów fazoczułych, których drugie wejścia połączone z przetwornikiem sygnału fotoakustycznego na sygnał elektryczny.The essence of the device according to the invention consists in the fact that it has a generator of two electric signals with the same frequencies and shifted relative to each other by 90 °, the two outputs of which are connected to the input of two light sources and are connected to the input of phase-sensitive detectors, the second inputs of which are connected to the converter photoacoustic signal to electrical signal.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia wykonanie jednoczesnych pomiarów dla dwóch długości fal przy wykorzystaniu komór pomiarowych o dużej dobroci, a tym samym osiągnięcie większej czułości.The solution according to the invention makes it possible to perform simultaneous measurements for two wavelengths with the use of high Q measurement chambers, and thus to achieve greater sensitivity.

Wynalazek jest przedstawiony przykładowo na podstawie rysunku, który przedstawia schemat blokowy urządzenia do detekcji fotoakustycznej. Zgodnie ze sposobem według wynalazku badaną substancję w postaci próbki 7 usytuowanej w komorze pomiarowej 6 oświetla się dwoma wiązkami 4 o różnych długościach fal λ₁, λ₂ i o natężeniu modulowanym za pomocą wytworzonych w generatorze 1 sygnałów elektrycznych o tej samej częstotliwości i przesunięciu fazy 90°. Fale o długościach λ₁, λ₂występują w widmie absorpcyjnym badanej substancji. Powstały w komorze pomiarowej 6 sygnał fotoakustyczny przetwarza się za pomocą mikrofonu 8 na sygnał elektryczny i mierzy się amplitudę tego sygnału oraz jego przesunięcie fazowe w stosunku do sygnałów modulujących wiązki światła.The invention is illustrated, for example, with reference to a drawing which shows a block diagram of a photoacoustic detection device. According to the method according to the invention, the test substance in the form of a sample 7 located in the measuring chamber 6 is illuminated by two beams 4 with different wavelengths λ ₁ , λ ₂ and with an intensity modulated by electric signals generated in generator 1 with the same frequency and phase shift of 90 ° . Waves of lengths λ ₁ , λ ₂ appear in the absorption spectrum of the test substance. The photoacoustic signal generated in the measuring chamber 6 is converted by the microphone 8 into an electrical signal and the amplitude of this signal and its phase shift in relation to the signals modulating the light beams are measured.

Urządzenie zawiera generator 1 wytwarzający dwa przebiegi sinusoidalne 2 o tej samej częstotliwości, ale przesunięte względem siebie w fazie o 90°, które są podawane na wejścia źródeł światła 3 emitujących wiązki światła 4 o dwóch różnych długościach fal λ₁, λ₂. Przebiegi sinusoidalne 2 są przebiegami modulującymi natężenie emitowanych przez nie wiązek światła 4. Zmodulowane wiązki światła 4 przechodzą przez okienko 5 fotoakustycznej komory pomiarowej, korzystnie rezonansowej o dużej dobroci i oddziałują z umieszczoną w niej badaną próbką 7. Powoduje to wzbudzenie w komorze pomiarowej 6 sygnału fotoakustycznego. Każda z wiązek 4 wzbudza oddzielną składową sygnału fotoakustycznego. Amplituda każdej ze składowych zależy w szczególności od poziomu absorpcji światła przez badaną próbkę na charakterystycznej dla niej długości fali. Obie składowe sygnału fotoakustycznego mają tę samą częstotliwość z jaką zmodulowane były wiązki światła 4, więc wypadkowy sygnał fotoakustyczny ma także postać sinusoidy o tej samej częstotliwości. Amplituda wypadkowego sygnału akustycznego i jego przesunięcie fazowe w stosunku do sygnałów modulujących 2 jest zależna od poziomu absorpcji światła przez badaną próbkę 7 na obydwu długościach fal λ₁ i λ₂. Znając amplitudę i fazę wypadkowego sygnału fotoakustycznego można jednoznacznie określić amplitudy sygnałów składowych. Po przetworzeniu wypadkowego sygnału fotoakustycznego na sygnał elektryczny za pomocą mikrofonu 8 sygnał elektryczny podawany jest wraz z obydwoma sygnałami modulującymi na wejście detektorów fazoczułych 9. Po wyregulowaniu przesunięcia fazowego detektorów fazoczułych 9 amplituda każdego sygnału 10 na wyjściu tych detektorów jest proporcjonalna do amplitudy składowej sygnału fotoakustycznego zależnej od absorpcji światła o długości fal λ1 albo λ2 przez badaną próbkę 7.The device comprises a generator 1 producing two sinusoidal waveforms 2 of the same frequency but shifted in phase by 90 °, which are fed to the inputs of light sources 3 emitting light beams 4 of two different wavelengths λ ₁ , λ ₂ . The sinusoidal waveforms 2 are the waveforms modulating the intensity of the light beams they emit 4. The modulated light beams 4 pass through the window 5 of the photoacoustic measuring chamber, preferably of high Q resonance, and interact with the tested sample 7 placed in it. This causes the photoacoustic signal in the measuring chamber 6 to be excited. . Each of the beams 4 excites a separate component of the photoacoustic signal. The amplitude of each of the components depends in particular on the level of light absorption by the test sample at its characteristic wavelength. Both components of the photoacoustic signal have the same frequency with which the light beams 4 were modulated, so the resultant photoacoustic signal is also in the form of a sinusoid of the same frequency. The amplitude of the resultant acoustic signal and its phase shift in relation to the modulating signals 2 depends on the level of light absorption by the tested sample 7 at both wavelengths λ ₁ and λ ₂ . Knowing the amplitude and phase of the resultant photoacoustic signal, the amplitudes of the component signals can be clearly determined. After the resultant photoacoustic signal is converted into an electrical signal by means of a microphone 8, the electrical signal is fed with both modulating signals to the input of the phase-sensitive detectors 9. After adjusting the phase shift of the phase-sensitive detectors 9, the amplitude of each signal 10 at the output of these detectors is proportional to the amplitude of the dependent photoacoustic signal component from the absorption of light with wavelength λ1 or λ2 by the tested sample 7.

Claims

1. Photoacoustic detection method, in which light is produced by means of multiple light sources with intensity modulated at fixed frequencies, and the light thus produced is illuminated with a sample of the test substance, and the resulting photoacoustic signal is converted into an electrical signal and the amplitude of this electrical signal is measured, characterized by in that the light is produced by means of two light sources (3), the intensity of which is modulated with the same frequency, but with a phase shift of 90 °, and the phase of the electrical signal is measured in relation to the phase of the light signals (4) illuminating the test sample ( 7).

2. A device for photoacoustic detection, comprising a generator of electric signals with fixed frequencies, the outputs of which are connected to the inputs of light sources illuminating the sample of the test substance and containing a converter of the photo-acoustic signal into an electric signal, the output of which is connected to the detector, characterized by the fact that it has a generator (1 ) two electric signals with the same frequencies and shifted relative to each other by 90 °, the two outputs of which are connected to the input of two light sources (3) and are connected to the input of phase-sensitive detectors (9), the second inputs of which are connected to the photo-acoustic signal converter