[發明專利]光譜測量系統

有效

• 申請號: 201580064638.4
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN107003232B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: J·蔣;M·斯科特;E·若弗里翁;A·凱布爾
• 申請（專利權）人: 統雷有限公司
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭勇

公開了一種能夠使用光譜法對樣品中的材料濃度值進行高靈敏度測量的系統。該系統利用具有減少的總信道的傳感器輸出的原始信號進行高速數據采集和高分辨率采樣，并使用傅里葉變換方法對信號進行頻率分析，以并行處理所有傳感器通道。當每個傳感器以某些特定頻率對某些材料進行檢測時，系統能夠以高測量靈敏度和高速度同時對樣品中感興趣的多種材料進行檢測。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月12日提交的美國臨時申請No.62/090,944的權益，其內容通過引用并入本文。

技術領域

本發明一般涉及光譜系統。更具體地，本發明涉及一種用于測量樣品中材料濃度值的光譜系統。

背景技術

正在開發用于高靈敏度氣體檢測的光學儀器，以用于未來的環境、工業和健康監測應用。為了測量光譜測量系統中的多個傳感器通道，常規方法使用多個數據采集通道，或者使用時分復用方法將多個傳感器輸出連接至相同的數據采集通道。這些解決方案由于數據采集通道數量的增加而導致更高的系統總成本或者由于死區測量時間而導致傳感器輸出信號的較低效率使用。

圖1是現有的用于多種氣體成分檢測的光譜系統的示意圖，如于以下文獻中所公開的：“Compact Portable QEPAS Multi-gas Sensor”,Proc.of SPIE Vol.7945,2011。當激光是由頻率為f的正弦波形調制時，則傳感器輸出中的材料吸收信號位于2f的諧波頻率處，以及諧波頻率2f處的信號強度與樣品中的材料濃度值成比例。處理的數據被傳送到其他設備(即，經由RS232通信端口至另一計算機)以進行顯示和存儲。該系統也向用戶提供頻率為2f的信號的監控端口。

如圖1所示，各傳感器(稱為分光儀的改進型石英音叉，其為一種壓電元件)由SPhl-SPh4表示。互阻抗放大器(TA)連接到每個傳感器，以將由傳感器產生的微小壓電電流信號轉換成待數字化的電壓信號。通過設備(COMM)將來自四個傳感器的電壓信號組合成一個頻率為2f的信號。該信號組合裝置可以是電壓組合器或信號開關。

圖2示出了使用鎖定放大器來測量在指定的調制頻率下的傳感器信號強度，如以下公開所披露的：“Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy”,Opt.Lett.V27,1902,2002。因為鎖定放大器因其從極其嘈雜的環境中提取具有已知載波頻率的信號的能力而是眾所周知的，所以根據提供給鎖定放大器的參考頻率，該系統能夠一次檢測一個傳感器的調制頻率。然而，系統的總測量時間是每個傳感器通道的測量時間的總和。

在光譜測量中，當光能被目標樣品材料吸收時，吸收能量的一部分被轉換成其它形式的能量，例如從樣品輻射的不同波長的光、超聲波和熱能。可以使用特殊的傳感器來檢測來自樣品的輻射能量。為了使傳感器有效地區分樣品輻射能量與其他環境噪聲，通常及時對激發光進行強度調制或波長調制，樣品的輻射能量具有相同的調制頻率。由于傳感器通常被設計為具有一個基本諧振頻率，因此重要的是，選擇光源的強度調制頻率來匹配傳感器的諧振頻率以產生最大檢測效率。

如圖1所示，通常使用正弦波形來調制光譜測量中使用的光源的強度或波長。由于樣品中的能量轉換過程通常不是完美的線性過程，因此樣品輻射能將包含基本調制頻率和諧波分量。只有一個諧振頻率的傳感器只能響應一個頻率激勵，并且在諧波頻率處有很弱的或沒有響應。調制頻率諧波處的樣品輻射能量不能被傳感器檢測到，因而被浪費。

如上所述，現有系統非常復雜且效率低下。因此，需要解決在使用光譜分析方法來進行高靈敏度材料分析中存在的挑戰，其要求增加的樣品測量通道、降低的系統復雜性、提高的測量效率和檢測靈敏度。

發明內容