光聲檢測器的製作方法
2023-07-31 17:22:26 1
專利名稱：光聲檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及在後附獨立權利要求書的前序中提出的光聲檢測器，並涉及用於光聲檢測器的傳感器以及對用作光聲檢測器中傳感器的門的優化方法。
當紅外輻射或通常意義的光照射到填充氣體的腔室時，其中，此腔室包含分壓為px的待分析氣體和分壓為pN的載體氣體(通常為氮)，由氣體px吸收輻射。在吸收過程之後，能量轉換為一定時間常數τ(如10-5s)的熱運動。因而，全部氣體的溫度每單位時間升高ΔT。溫度升高也導致壓力增加Δp。
典型的光聲檢測器包括可被提供待分析氣體的腔室；讓經過調製的或脈衝紅外輻射或光進入腔室的窗口；以及適於測量由腔室中所吸收紅外輻射或光而引起的壓力變化的壓力傳感器。壓力傳感器一般包括麥克風、聚酯薄膜或金屬膜。光聲檢測器通常可用於測量或檢測紅外輻射，但檢測器的一個具體而重要的應用是處理例如與空氣品質和汙染有關的氣體或氣體混合物的測量和檢測。
在麥克風中，通常用電容法測量膜(聚酯薄膜)的運動。聚酯薄膜塗敷金屬並放置在另一固體金屬膜片附近。其結果是具有以下電容的電容器C=r0Ah---(a)]]>這裡，h代表靜止膜之間的距離，A是膜的表面積，εrε0是存在於板之間的氣體的介電常數，而ε0是真空的介電常數。C的測量提供h，從而得到聚酯薄膜的運動，因為C=-r0A3h2h---(b)]]>這裡，Δh是在中間的距離變化，而Δh/3是距離的平均變化。進一步，
CC=-hh---(c)]]>或|hmin|hC/C=hS/N---(d)]]>這裡，S/N是測量電子學中的信噪比。
當h改變時，現有技術的電容測量受存在於板之間的氣體流的限制。當間隙h減小時，氣體被迫從板之間流出，而當h增加時，氣體返回。流動具有慣性並需要能量。其結果是膜片的角振蕩頻率ω越高並且h越小，所述流動就更多地減小膜片運動的振幅。因而，h不能無限地增加，因為這會增加信號ΔC。從而，市場上可得到的麥克風在物理規律的限制下發揮作用，並且在此方面不能提高它們的響應性。
在Nicolas Lederman等的出版物[1]中公開了一種用於傳感器的光聲檢測器，其中，用懸臂型膜製作傳感器，此膜響應光聲檢測器的腔室內氣體的運動，並且在此膜中集成記錄懸臂運動的壓電元件。在此出版物中提出的傳感器的問題是忽略懸臂的諧振頻率。連接到傳感器的壓電元件有可能增加傳感器的諧振頻率，並因而使傳感器的響應變壞。在此出版物中提出的傳感器非常不準確，從而，不適於高精度應用。此出版物根本沒有提及光聲檢測器內的腔室和傳感器的優化，即腔室與傳感器的尺寸之比的優化。
在M.H.de Paula等的出版物[2]和[3]中還公開了傳統膜片解決方案的替代方案。這些出版物提出在光聲檢測器單元內的小管道上方距管道大約0.1mm處安裝薄片。根據這些出版物的說明，在薄片本身周圍不設置所謂的邊緣，薄片因而延伸超出管道邊界，即，問題與出版物[1]中所示懸臂的不同。因此，de Paula等的出版物中的根本問題其實是以下事實在光聲檢測器單元內存在的且待測量的壓力只作用到薄片總面積的一小部分上，導致顯著降低響應。另外，在薄片下面有洩漏，薄片與管道尺寸相比是較大的，這進一步減小薄片響應。出版物[2]和[3]進一步描述用於測量薄片運動的光學角測量。然而，在所述出版物中提出的薄片的形狀實際上不利於角測量。結果，在出版物[2]和[3]中提出的解決方案不能充分地響應高準確度測量和高精度應用。
進而，原子力顯微鏡方法使用懸臂型薄片。因而從所述薄片要求高頻率，並且，從而，在原子力顯微鏡方法中使用的薄片不適於光聲檢測器。
光聲檢測的另一問題是由外部聲音導致的幹擾。因而，如果腔室內的聲音比系統固有噪聲更強，對於檢測器系統靈敏性(響應)的提高不能改進對待分析氣體的確定，其中，腔室內的聲音是從測量儀器外部滲透進來的。減小外部聲音所產生幹擾的典型方法是隔聲。隔聲能以10000-100000的係數衰減外部聲音。
另一減小外部聲音所產生幹擾的現有已知方法包括使用部分減小幹擾聲音的雙重檢測。在現有已知的雙重檢測系統中，提供與常規測量系統相同的測量系統，所述相同系統拒絕光的進入，並只測量腔室內的聲音。接著，根據現有技術系統的解決方案，對實際測量信號與相同測量系統所提供的基準信號之間的差異執行直接放大。然而，上述雙重檢測系統的問題例如在於這些系統只在狹窄的頻帶中在特殊的情況下發揮作用。此問題歸咎於在各測量系統中的傳感器之間產生的相位差。
結果，根據本發明的光聲檢測器、用於光聲檢測器的傳感器以及對用作光聲檢測器中傳感器的門的優化方法的目的是消除或至少緩解上述現有技術中的問題。
根據本發明的光聲檢測器、用於光聲檢測器的傳感器以及對用作光聲檢測器中傳感器的門的優化方法的另一目的是提供準確和高度靈敏的光聲檢測器。
本發明的又一目的是提供光聲檢測器，其中，已經減小外部聲音所產生的幹擾因素對測量結果的影響。
根據本發明更優選實施例的光聲檢測器的又一目的是提供一種用於改進光聲檢測器靈敏度的方法以及一種光聲檢測器，其中，所述光聲檢測器包括由門形成的傳感器，通過降低門的諧振角頻率而提高光聲檢測器的靈敏度根據本發明更優選實施例的光聲檢測器的又一目的是提供一種用於確定光聲檢測器的腔室的最優尺寸的方法。
根據本發明更優選實施例的光聲檢測器的又一目的是提供一種在光聲檢測器中使用的高度靈敏的傳感器以及一種用於優化該傳感器的方法。
為了實現以上目的，首先，全部根據本發明的光聲檢測器、用於光聲檢測器的傳感器以及對用作光聲檢測器中傳感器的門的優化方法的主要特徵在獨立權利要求書的特徵條款中提出。
因而，在本發明的典型光聲檢測器中，用於檢測由吸收的紅外輻射和/或光在第一腔室中產生的壓力變化的裝置至少包括設置在第一腔室壁中的孔，與所述孔相聯繫地設置適於根據氣體運動而運動的門；以及，用於對門運動進行無接觸測量的裝置。在本文中，在涉及不用一個或多個連接到門或與門機械聯繫或接觸的傳感器來執行測量動作時，例如，在不用連接到門表面的壓電傳感器來執行測量動作時，使用術語無接觸測量。也就是說，在無接觸測量時，幹擾和/或抑制門運動的測量裝置不附加或連接到門。這些無接觸測量方法例如是不同種類的光學測量方法。進而，上述電容測量被視為無接觸測量方法，其中，本發明的門布置為第二板。
在根據本發明的優選光聲檢測器中，門的表面積最大等於設置在第一腔室中的孔的表面積。在本文中，孔的表面積指虛擬水平面的表面積。門的表面積指門投影在孔的虛擬水平面上的方位投影的表面積。因而，例如，如果門的表面彎曲，門的真實表面積就比孔的表面積更大，但根據本發明的門的方位投影的表面積也比孔的表面積更小。
在根據本發明的優選光聲檢測器中，門的至少一側安裝在包圍門側面的框架上。例如通過在矽晶片中形成間隙，用矽製作門和框架是非常有利的，除了連接點以外，該間隙使門與形成框架的晶片其餘部分分離。
在根據本發明的優選光聲檢測器中，用於對門運動進行無接觸測量的裝置包括光學測量裝置，所述光學測量裝置包括至少一個或多個光源以及一個或多個檢測器，所述光源照射門或其一部分，所述檢測器接收從門反射的光並以光學角和/或平移測量來測量門運動；或者電容測量系統，從而，門或其一部分用金屬塗敷，或者門用高度導電的材料製作，並且，所述測量系統包括設置在門附近的金屬膜或塗敷金屬的膜片、以及用於測量由門和金屬膜形成的電容器的電容變化的裝置。在一些應用中，所述系統可包括光學和電容測量系統。除了光學和/或電容測量系統之外，光聲檢測器還有可能包括用於對門運動進行無接觸測量的其它測量系統。
在根據本發明的更優選光聲檢測器中，在第二腔室中布置用於對門運動進行無接觸測量的裝置，其中，第二腔室構成容積為V的測量空間並通過第一腔室的孔與第一腔室聯通。
在根據本發明的更優選光聲檢測器中，進一步設置與第二腔室聯通的第三腔室，其中，第三腔室在尺寸上與第一腔室相同，並具有與第一腔室所包括孔相同的孔，所述孔連接第三腔室和第二腔室，用與封閉第一腔室孔的門相似的門來封閉第三腔室的孔，並且以與測量封閉第一腔室孔的門的運動相似的方式測量門運動。因而，實際測量信號和基準信號可單獨測量並計算它們的振幅，它們之間的差異能準確地過濾外部噪聲。
根據本發明的光聲檢測器的典型傳感器包括作為門框的面板狀邊緣元件、以及通過間隙與面板狀邊緣元件分開的門。優選地，傳感器可布置得與包括在光聲檢測器內的腔室聯繫，所述腔室包含待分析氣體，使得根據吸收的紅外輻射和/或光在腔室中產生的壓力變化而移動門。
根據本發明更優選實施例的傳感器不包括固定安裝在門上的傳感器和/或固定布置得與門聯繫的傳感器，所述傳感器用於檢測和/或測量門運動。
與典型光聲檢測器相比，本發明最重要的優點是其準確度和靈敏度。
進而，根據本發明的光聲檢測器和光聲檢測器中傳感器的優點是它們結構簡單並且尺寸小。
根據本發明的對用作光聲檢測器中傳感器的門的優化方法的最重要優點是該方法是準確的，並且容易應用於光聲檢測器的優化，尤其是應用於光聲檢測器中所使用門的優化。
現在結合附圖更詳細地描述本發明，在附圖中
圖1示意性示出用於本發明光聲檢測器的設計，圖2示意性示出從斜上方觀察的用於本發明光聲檢測器的壓力傳感器，圖3a示意性示出從前面觀察的用於本發明光聲檢測器的壓力傳感器，圖3b在橫截面上示意性示出用於本發明光聲檢測器的壓力傳感器，圖4a示意性示出諧振角頻率ω0對振幅Ax(ω)的影響，圖4b示意性示出門諧振的模型化，圖5示意性示出基於門的角變化而測量壓力傳感器門運動的本發明測量系統，圖6示意性示出在圖5測量系統中雙重檢測器的光強度。
圖7示意性示出基於門的平移測量而測量壓力傳感器門運動的本發明測量系統，圖8示意性示出基於使用麥可遜幹涉儀而測量壓力傳感器門運動的本發明測量系統，圖9示意性示出在圖8測量系統中的三重檢測器上產生的幹涉條紋，圖10示意性示出正切中的間斷，圖11示意性示出用於本發明光聲檢測器的一個優選門設計，圖12a和12b示意性示出用於本發明光聲檢測器的幾個可選門設計，以及圖13示意性示出藉助基於多次反射的光學倍增器而測量壓力傳感器門運動的本發明測量系統。
圖1示意性示出本發明光聲檢測器的一個實施例。如圖中所示，光聲檢測器包括填充氣體的腔室V和V0，其中，腔室V和V0包含或可被提供分壓為px的待分析氣體和分壓為pN的載體氣體(通常為氮)。第一腔室V0由環形殼體元件1組成，環形殼體元件1的第一開口端設置有窗口2，窗口2封閉腔室的第一端，紅外輻射或通常意義的光可通過窗口2被引導到腔室內。窗口2優選製作得對紅外輻射和/或光高度透明，並且優選厚度為大約3-6mm。對於腔室V0的尺寸和優化，在後面更詳細地描述。腔室V0的第二開口端設置有至少部分封閉腔室第二端的矽門3，矽門3用作壓力傳感器，並且其設計在圖2和3中更仔細地描述。在一些特殊應用中，矽門3也可用麥克風、聚酯薄膜或金屬薄膜替代。光聲檢測器包括第二腔室V，第二腔室V布置為第一腔室V0的第二端的延伸並構成容積為V的測量空間。測量空間設置有用於測量矽門運動的儀器。如圖1所示，測量空間的第二端用基準系統封閉，基準系統包括基準腔室V0，基準腔室V0的一端被封閉並且其尺寸與第一腔室V0相同。基準腔室的第一端用與第一腔室所用矽門相似的矽門封閉。
圖2、3a和3b藉助實例示意性描繪根據本發明的一個優選矽制門，所述門用作壓力傳感器。壓力傳感器包括作為門框的面板狀邊緣部件、以及通過縫隙與面板狀邊緣部件分離的門。L為門的寬度，h為其高度，d為其厚度，並且Δ為縫隙的寬度。
利用在平衡狀態下光源可通過窗口傳導到腔室內的低IR輸出，當W(t)＝Wav+W0cos(2πft)時，滿足(dTdt)T0=axpx2l(cos)-1W0cos(2ft)icVimi=axpx2l(cos)-1W0cos(2ft)V0icVii---(1)]]>這裡，ax是分壓為Px的氣體的吸收係數，l為腔室的長度，α是IR束與腔室的中心軸之間的角度，並且，W(t)是輸入到腔室中的淨光功率。也就是說，W(t)是光強度×πR2，其中，R是腔室的半徑，mi是氣體成分的質量，cVi是相應氣體的比熱，ρi是氣體i的密度，並且，V0是更小腔室的容積。例如，icVimi=cVxmx+cVNmN=V0(cVxx+cVNN)]]>在方程式(1)中τ＜＜f-1＜＜τ0是預設的，其中，τ0是用於從腔室導出熱的時間常數，並且，τ是用於把吸收能量轉換為熱的時間常數。
進一步地，T=T(t)-T0=(dTdt)T0dt=axpx2l(cos)-1W0sin(2ft)2fV0icVii---(2)]]>理想氣體狀態的方程式導致dpp0+dVV0=dTT0---(3)]]>在壓力傳感器中dV12xAAdp=kx=F---(4)]]>這裡，A代表壓力傳感器的表面積，k是彈簧常數，並且x是運動。從方程式(3)和(4)得到xT/T0kAp0+A2V0,(=0)---(5)]]>由於在方程式(2)中出現的ΔT用角頻率ω調製，因此，必需檢查門(或膜片)運動的方程式，即 這裡，F0eiωt代表周期力，β是阻尼常數，0=k/m]]>是諧振角頻率，並且，x是門的端部或門或膜片的中間的運動。方程式(6)的解為
x=(F0/m)eit02-2+2i---(7)]]>從此解獲得振幅x*x=Ax=F0/m(02-2)2+422---(8)]]>方程式(3)和(4)提供振幅pp0=TT0-VV0=TT0-12AxAV0]]>並且，因而，Ax=Ap/m(02-2)2+422=Ap0(TT0-AxA2V0)m(02-2)2+422.]]>從中得到Ax=Ap0TT0m(02-2)2+422+p0A22V0---(9)]]>圖4a示意性示出諧振角頻率ω0對門或膜片振幅Ax(ω)的影響。
如果ω＝0，那麼方程式(9)就導致方程式(5)，即，Ax(0)＝x，因為m02=k.]]>優選門或膜片的諧振按以下方式模型化，所述方式為不考慮ω0附近諧振所帶來的振幅增加(參見圖4b)。也就是說，如果ω＜ω0，結果就是AxAp0T/T0m02+p0A22V0=p0T/T0m02A+p0A2V0=p0T/T0d02+p0A2V0---(10)]]>並且，如果ω＞ω0，結果就是Axp0/T0d2+p0A2V0---(11)]]>這裡，ρ代表門(或膜片)密度，並且d是厚度。如果不利用諧振，在低於諧振角頻率ω0使用門(或膜片)，即，使用方程式(10)，就是合理的，這表示門(或膜片)運動的振幅Ax(ω)的優化，即最大化，必須藉助ω0、d、V0和A來實現。ω0和A越低，Ax(ω)就越高。
當d02+p0A2V0]]>達到最小時，振幅達到最大。當滿足以下條件d02p0A2V0---(12)]]>並且Axoptp0T/T02d02=p0T/T02p0A2V0---(13)]]>時，發生此情況。
通過方程式(1)和(2)，方程式(13)的結果為Axoptp0axpxl(cos)-1W0T0V0icviid02---(14)]]>這裡ω≤ω0。此方程式表示增加響應的最佳方式是減小角頻率ω和ω0。應指出，通過忽略或不優化項 不會得到最佳的可能優化結果。因而，通過使因數A和/或d優化，可執行優化並且通常應該執行優化。利用市場上可得到的典型麥克風，諧振頻率f0＝ω0/2π通常為10-20kHz。如果諧振頻率f0＝20kHz的麥克風以接近諧振頻率工作，結果就為Axopt(20kHz)。如果使用相似的膜片來構造其諧振頻率f0＝500Hz的新麥克風，那麼Axopt(500Hz)=(20kHz0,5kHz)3Axopt(20kHz)=403Axopt(20kHz)=64000Axopt(20kHz)---(15)]]>只要麥克風根據方程式(12)優化就行。進一步地，如果為頻率500Hz優化的麥克風以50Hz頻率工作，響應就會進一步增加十倍，並且，改善因數因而為640000。通過使門(或膜片)更薄，可基於以下的方程式(16)而減小諧振頻率。這進一步提供比例為d1/d2的改善，只要門或膜片的變薄在技術上可行就可以。
諧振角頻率取決於門(或膜片)的尺寸和材料。對於門，0=2E3dL2,A=Lh,---(16)]]>這裡，E為材料的揚氏模量，ρ為密度，L是門的寬度，h是高度，並且d是厚度。
對於不處於拉伸的圓形金屬膜片，0E=E3(1-2)4dr2---(17)]]>這裡，σ＝泊松比，r為膜片的半徑。
對於拉伸的薄膜(例如，聚酯薄膜)0T=2.4T/r=2.4rF2d---(18)]]>這裡，T代表膜的拉伸，並且μ是質量/單位面積，即μ＝m/a＝ρdA/A＝ρd。
為了精確點，即使對於薄膜(聚酯薄膜2μm)，也應用tod2=02E+02T]]>不過02ET02]]>(19)如果在根據本發明一個典型實施例的門與不處於拉伸的圓形膜片之間進行比較，其中，所述門由相同材料(矽)製作並具有高度L/s，結果就是AdooroptAfilmopts[8s(1-2)]1/320---(20)]]>如果s＝10，即，門的高度為寬度L的1/10。
如果在根據本發明一個典型實施例的門與在現有技術麥克風中通常使用的拉伸聚酯薄膜之間進行比較，結果就是AdooroptAMylaropt43(FN)2/5---(21)]]>這裡，F代表總拉力，單位為牛頓，並且s＝10。該比例一般為10-20，取決於需要多小的力F來使該膜發揮作用。
因而，根據本發明的門提供一種解決方案，該方案對傳感器的響應至少提高一個數量級。如果此提高應用於通過角頻率而得到的改善，就可創造低諧振門，該門以更有利的方式在傳感器響應方面提供幾百萬的改善。
使用根據本發明一個典型實施例的門傳感器要求門與壁之間的縫隙或間隙優選製作得儘可能的窄。腔室通過間隙洩漏，結果，傳感器具有更低的截止頻率fcut，截止頻率fcut用門間隙面積a定義，如下所示fcutv0aV0---(22)]]>這裡，v0是聲音在腔室中的速度，並且V＞＞V0。
另一方面，為了使腔室之間的緩慢壓力變化相等，在腔室之間具有小孔是有利的，並且因而，此孔可設計為在門與門框之間的上述間隙。
可通過用本發明的光學測量系統來取代現有技術對門(或膜片)運動的電容測量，從而提高光聲檢測器的準確度。光學測量導致與門(或膜片)運動非常少的幹涉。根據本發明，可通過門(或膜片)表現出的角度或通過門(或膜片)中某個點的平移運動而測量所述運動。
圖5示出基於角測量的測量系統，其中，使用雷射器10形式的光學指示器，同時，檢測器是雙重檢測器11。除了用作傳感器的門3之外，測量系統還包括作為光源的雷射器10、用於對光束聚焦的光學透鏡12、以及用於接收和測量從門3反射的光束v的雙重檢測器11。因而，雙重檢測器包括第一檢測器d1和第二檢測器d2。光束v的焦點13在雙重檢測器上。圖6描繪測量系統在雙重檢測器上的光功率，其中，在y的每個點上，在與y正交的方向上對光的強度進行積分。
在圖5和6所示角測量中，角度變化Δα轉換為平移運動Δy＝a2Δα，角度變化Δα用雙重檢測器d1d2測量。角度Δα代表在雷射束照射的門區域中的平均角度變化。一般地，Δα取決於測量光點，即l。
tan=FL26EI1-(L-lL)3]=8EIxL26L3EI[1-(L-lL)3]=4x3L[1-(L-lL)3]---(27)]]>或y2a4x3L[1-(L-lL)3]---(28)]]>可用雙重檢測器測量的最小運動是ymin=2(S/N)---(29)]]>這裡，σ是雷射焦距的一半寬度。σ的最小值受衍射的限制，即D(a+b)---(30)]]>因而，在門的端部可檢測的最小運動是xmin3Lymin8a[1-(L-lL)3]=3L(a+b)2D(S/N)8a[1-(L-lL)3=3L(a+b)16aD[1-(L-lL)3](S/N)---(31)]]>門上的照射區域具有寬度aD/[(a+b)cosβ]，這提供最終的限制。如果b≈0且l≈L，從前一方程式就得到xmin3L16D(S/N)---(32)]]>實際上， 即xmin316(S/N)---(33)]]>這裡，S是雷射強度I0，並且，N是光和電子的總噪聲。
信號的振幅(光功率的波動)Av=Pd1-Pd2=2yImax---(34)]]>這裡，ΔPd1和ΔPd2代表光功率在檢測器d1和d2上的變化，並且，Imax是最大光功率/Δy。現在，藉助方程式(28)，得到Av=a16AxImax3L[1-(L-lL)3]16aAx3LPd1+Pd2[1-(L-lL)3]---(35)]]>
這裡，Pd1+Pd2＝I0代表照射到雙重檢測器上的雷射的光功率。
因而，光學指示器的光信號的振幅是Av=16aDI0Ax3L(a+b)16I0Ax3---(36)]]>這裡，Ax是門運動x的振幅，Ax必須＜λ。
本發明光學指示器提供的一個好處是它的設計簡單，它不與門運動幹涉，並且，雙重檢測器抑制雷射的光子噪聲。優選地，為了具有較小的σ，雷射點在門上的尺寸較大，D≈L。本發明光學指示器也可用於測量膜片運動，最佳測量位置是 因而，根據本發明，也可用平移測量來測量門運動。圖7描繪本發明的測量系統，該系統不是角測量，並且通過此系統可測量門的平移運動x。除了門之外，測量系統包括作為光源的雷射器10、雙重檢測器11、用於把光束焦點集中到目前靜止的或處於靜止條件下的門3表面上的第一光學透鏡12、以及用於把從門3反射的光束聚焦到雙重檢測器上的第二光學透鏡12。光源、光學透鏡以及雙重檢測器按以下方式配置當門靜止時，入射到門上與從門反射的光束之間的角度為90°。所述測量的優點特別是光束的焦點在門表面上，並且門具有較差的光學質量。如果門具有鏡面，可由測量系統檢測的最小運動是xmin2a4D(S/N)---(37)]]>最小運動的數量級與角測量中的相同，即，如果D=2a/4,]]>那麼，ΔXmin＝λ/(S/N)。平移測量也適用於測量膜片運動。
根據本發明的一個優選實施例，門(或膜片)的運動也可用幹涉儀來光學測量。圖8示出本發明藉助所謂的麥可遜幹涉儀來測量門(或膜片)運動的一個測量系統。如圖所示，除了門本身之外，該系統還包括作為光源的雷射器10、用於聚焦光束的光學透鏡12、用於把雷射束分到門和基準鏡16上的分束器15或半透明鏡、基準鏡16、以及用於接收來自分束器15的雷射束的三重檢測器17。根據圖中所示出的，雷射束大約聚焦在門和基準鏡上。基準鏡16調整成三重檢測器17產生3/4與紙平面垂直的幹涉條紋，其中，三重檢測器17由三個傳感器d1、d2和d3構成。如圖6所示，當x隨著門的運動而改變時，幹涉條紋在檢測器上橫向運動。當x改變λ/2時，條紋移動單個條紋間隙。條紋的強度分布是I(z)=12A[1+cos(2zD)]---(38)]]>如果幹涉條紋移動ε，就按以下得到傳感器d1、d2和d3的信號I1、I2和I3I1=-2D4+sD4+sA2[1+cos(2zD)]dz=AD2.4+AD2.2[-cos(2D)+sin(2D)]---(39)]]>I2=D4+A2[1+cos(2zD)]dz=AD2.4+AD2.2[cos(2D)+sin(2D)]---(40)]]>以及I3=D4+A2[1+cos(2zD)]dz=AD2.4+AD2.2[cos(2D)-sin(D)]---(41)]]>因而，I2-I1=AD2cos(2D)I2-I3=AD2sin(2D)--(42)]]>或2D=tan-1{I2-I3I2-I1}---(43)]]>由於ε＝Δz＝2DΔx/λ，因此，x=4tan-1{I2-I3I2-I1}---(44)]]>由於信號I2-I1和I2-I3互相之間相位差是90°，因此，它們可提供如圖10所示的路線橫向正切函數間斷。因而，在方程式x=(k+12)4+4tan-1{I2-I3I2-I1}]]>中，有可能測量在正切間斷φ＝(n+1/2)π上測量整數k的變化±1。
最小的可檢測運動是xmin=2(S/N)=8(S/N)---(45)]]>這裡，S＝I0/2。
如果門運動＜λ/4，就可用與光學指示器中相同的方式，用雙重檢測器取代上述測量系統的三重檢測器。因而，傳感器的結合寬度等於單個條紋的寬度，並且，I1+I2=AD2=I02I1-I2=ADsin(2D)---(46)]]>因為ε＝Δz＝2DΔx/λ為x=4sin-1{I1-I2I1+I2}8I1-I2I1+I2=4I0(I1-I2)---(47)]]>這裡，I0是雷射功率。接著，光信號的振幅為Ai=I1-I24I0Ax---(48)]]>這裡，Ax是門運動x的振幅。
首先，根據本發明的幹涉儀測量所得到的優點包括根據方程式(44)，即使當門(或膜片)的運動覆蓋幾個波長時，響應是高度線性的。絕對準確度較高，因為幹涉信號的形狀與1/2(1+cos(2πz/D))正好一致。另外，雷射以幾乎點的方式聚焦在門的測量點上，並且其結果不受衍射的影響。測量結果的值也不受雷射強度I0波動的影響，因為最大強度值A在方程式(44)中減去。
當互相比較光學指示器和幹涉儀時，可得出結論，實際上不能計算方程式(33)，因為當優化方程式(10)時，方形(矩形)門不是最佳的形式。即，換句話說，本發明的光學指示器和幹涉儀與方形(矩形)門一起工作得很好，但是，如果希望進一步提高靈敏度和準確度，就必須改變門的形狀。當使用其高度為其寬度L的1/10的門時(即s＝10)，根據圖11，方程式(31)得到xmin3L16L/10(S/N)2S/N---(49)]]>這是幹涉儀的相應值的16倍(方程式(45))。進一步地，如果s增加，即，門變得更短，那麼，與光學指示器相比，幹涉儀得到進一步改善，另一方面，這還增加門運動的振幅Ax(ω)。
例如，如圖12a所示，通過在門鉸鏈中部挖槽使門鉸鏈減弱以進一步減小諧振頻率，並且/或者，如圖12b所示，通過在門的端部增加門的表面積，還可改善門的配置。如後面更詳細描述地，圖12b所示門設計尤其適用於幹涉儀的倍增器解決方案。圖12b所示門也可通過使用多於一個的杆來實現，從而，門的剛度增加，並且減小門的旋轉對門所產生的壓力。根據本發明，門也可按以下方式實現使用長杆作為門的鉸鏈，其中，門的表面積比孔的表面積更小，從而，例如，圖12a所示結構可用作杆，門連接到杆的頭部或者形成為杆端部的一部分。長杆的優點是使用長杆減小門諧振。
由於使用幹涉儀在門上產生幾乎為點狀的光點，因此，有可能在圖13所示的幹涉儀中應用多次反射，即倍增器。雷射行進到端鏡上，從門並從固定的平面鏡20反射n次，其中，平面鏡20安裝在門附近並優選設置得與門表面平行。雷射的焦點在端鏡21附近，雷射束從此端鏡沿著相同的路徑返回，從門又反射n次。如果門輕推距離Δx，幹涉儀中的光學距離就改變4nΔx，並且，如果沒有反射損失，響應增加2n倍。
如果鏡子和門具有反射係數R，方程式(45)現在就採用新的形式xminR=2nR4n-28(S/N)=xmin2nR4n-2---(50)]]>此方法使靈敏度大約增加10倍。對於平移測量，在本發明的雷射反射中也可應用多次反射，因為雷射的焦點在門上。
當互相比較本發明的光學指示器和幹涉儀時，可以得出結論，本發明的兩個測量系統對於測量的準確度和靈敏度都能提供顯著的改善。幹涉測量甚至比光學指示器稍微更精確些，但同時測量系統稍微更複雜些。因而，應該根據具體應用和選擇合適測量方法的情形來考慮所要求的靈敏度。
如上所述，現有技術光聲檢測器的問題是外部聲音導致的幹擾。根據本發明，可通過本身已知的雙重檢測器來抑制外部聲音的影響，在圖1中示出雙重檢測器。根據本發明，分別測量實際測量信號和基準信號並計算它們的振幅，它們之間的差異使得更準確並更有效地過濾外部噪聲。尤其是在氣體不產生信號的頻率範圍內，可明顯減少幹擾噪聲。
無論如何都不把本發明限制於在前文描述的實施例，但是，在權利要求中提出的本發明概念範圍內，可以改變本發明。
參考文獻[1]Nicolas Ledermann等的集成鐵電體(IntegratedFerroelectrics)，第35卷，第177-184頁(2001)[2]M.H.de Paula等的J.Appl.Phys.，第64卷第3722-3724頁(1988)[3]M.H.de Paula等的Rev.Sci.Instrum.，第673卷第3487-3491頁(1992)
權利要求
1.一種光聲檢測器，至少包括-可被提供待分析氣體的第一腔室(V0)，-允許經過調製的和/或脈衝紅外輻射和/或光進入第一腔室(V0)的窗口，以及-用於檢測由吸收的紅外輻射和/或光在第一腔室中產生的壓力變化的裝置，特徵在於用於檢測由吸收的紅外輻射和/或光在第一腔室中產生的壓力變化的裝置至少包括-設置在第一腔室(V0)壁中的孔，與所述孔相聯繫地設置適於根據氣體運動而運動的門，以及-用於對門運動進行無接觸測量的裝置。
2.如權利要求1所述的光聲檢測器，特徵在於門的表面積最大等於設置在第一腔室(V0)中的孔的表面積。
3.如權利要求1或2所述的光聲檢測器，特徵在於門的至少一側安裝在包圍門側面的框架結構上。
4.如前面任一項權利要求所述的光聲檢測器，特徵在於用矽製作門和框架。
5.如前面任一項權利要求所述的光聲檢測器，特徵在於用於對門運動進行無接觸測量的裝置包括-光學測量裝置，所述光學測量裝置包括至少一個或多個光源以及一個或多個檢測器，所述光源照射門或其一部分，所述檢測器接收從門反射的光並以光學角和/或平移測量來測量門運動；或者-電容測量系統，由此，門或其一部分用金屬塗敷，或者門用高度導電的材料製作，並且，所述測量系統包括設置在門附近的金屬膜或塗敷金屬的膜片、以及用於測量由門和金屬膜形成的電容器的電容變化的裝置。
6.如權利要求5所述的光聲檢測器，特徵在於測量系統的光源包括雷射器。
7.如權利要求5或6所述的光聲檢測器，特徵在於測量系統的檢測器包括雙重傳感器。
8.如權利要求5-7任一項所述的光聲檢測器，特徵在於光源和檢測器設計為幹涉儀的一部分。
9.如權利要求5-8任一項所述的光聲檢測器，特徵在於在第二腔室(V)中布置用於對門運動進行無接觸測量的裝置，其中，第二腔室構成容積為V的測量空間並通過第一腔室的孔與第一腔室聯通。
10.如權利要求9所述的光聲檢測器，特徵在於進一步設置與第二腔室聯通的第三腔室，其中，第三腔室在尺寸上與第一腔室相同，第三腔室具有與第一腔室所包括孔相同的孔，所述孔連接第三腔室和第二腔室，用與封閉第一腔室孔的門相似的門來封閉第三腔室的所述孔，並且以與測量封閉第一腔室孔的門的運動相似的方式測量所述門的運動，以及，用於計算實際測量信號和基準信號的振幅並計算它們之間差異的裝置，其中，實際測量信號從布置在第一腔室孔中的傳感器測量，基準信號從布置在第三腔室孔中的傳感器測量。
11.一種用於光聲檢測器的傳感器，特徵在於傳感器包括作為門框的面板狀邊緣元件、以及通過間隙與面板狀邊緣元件分開的門。
12.如權利要求11所述的傳感器，特徵在於傳感器可布置得與包括在光聲檢測器內的腔室聯繫，所述腔室包含待分析氣體，使得根據吸收的紅外輻射和/或光在腔室中產生的壓力變化而移動門。
13.如權利要求11或12所述的傳感器，特徵在於傳感器不包括固定安裝在門上的傳感器和/或固定布置得與門聯繫的傳感器，所述傳感器用於檢測和/或測量門運動。
14.一種對用作光聲檢測器中傳感器的門優化的方法，特徵在於通過應用以下優化方程式而實施門運動振幅的優化，所述方程式為當ω＜ω0時，Axp0T/T0d02+p0A2V0,]]>當ω＞ω0時，Axp0T/T0d2+p0A2V0,]]>
15.如權利要求14所述的方法，特徵在於通過ω0、A和d，特別是通過盡力減小它們的值，而執行振幅Ax(ω)的優化。
全文摘要
本發明涉及一種光聲檢測器，至少包括可被提供待分析氣體的第一腔室(V
文檔編號G01N21/17GK1685215SQ03823323
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月19日 優先權日2002年9月30日
發明者於爾基·考皮寧 申請人:諾維爾技術解決有限公司