CN101535795B - 具有改进的信号处理的光声检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器(200)。所述光声检测器(200)包括：光源(101)，其用于产生光束，以便激发所述样品的分子；以及光调制器(102)，其用于调制所述光束，以便在所述样品混合物中产生压力变化，其中所述压力变化的幅度是所述浓度的量度。所述光声检测器(200)还包括：检测器元件(103)，其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及处理部分(106)，其用于对所述检测器电流进行处理，以便生成代表所述浓度的输出信号。所述处理部分(106)包括：用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，其中所述积分放大器通过保持开关耦合到所述检测器元件(103)；以及用于生成保持信号SWHOLD的定时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期的预定间隔期间把所述积分放大器耦合到所述检测器元件(103)。

Description

具有改进的信号处理的光声检测器
技术领域
本发明涉及一种用于检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器，所述光声检测器包括：光源，其用于产生光束，以便激发所述样品的分子；光调制器，其用于调制所述光束，以便在所述样品混合物中产生压力变化，所述压力变化的幅度是所述浓度的量度；检测器元件，其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及处理部分，其用于对所述检测器电流进行处理，以便生成表示所述浓度的输出信号。
背景技术
上述光声检测器可以从美国专利申请US 2005/0117155中获知。所述专利申请描述了一种光声示踪气体检测器，其利用石英音叉来检测压力变化。利用幅度或波长调制来执行光调制。在通过前置放大器进行放大之后，由锁定放大器将检测器信号与参考信号进行混合，以便获取输出信号。用于所述锁定放大器的参考信号是从用于调制所述光束的信号中取得的。通过使用石英音叉来检测压力变化允许实现相对紧凑的光声示踪气体检测器。
光声示踪气体检测器的一种应用是呼吸测试。呼吸测试是医疗技术的一个非常有前景的领域。呼吸测试是非侵入性的，并且具有用户容易使用和成本低的优点。呼吸测试的主要实例有哮喘监控、酒精呼吸测试以及检测胃病和急性器官排异。最初的临床试验表明了在乳癌和肺癌的前期筛检中的可能应用。这些不稳定的生物标志的典型浓度在十亿分率(ppb)的范围内。氧化一氮(NO)是人类呼吸中的一种公知的示踪气体，在哮喘患者中可以发现NO的浓度升高。当前只能使用基于化学发光或者光学吸收光谱法的昂贵而且体积巨大的设备来测量ppb浓度的呼出NO水平。因此紧凑的低成本NO传感器就成为一种令人感兴趣的设备，其可以被用来诊断及监控呼吸道炎症，并且可以被用在医生办公室内以及用于在家中进行药物治疗控制。
根据US 2005/0117155的光声示踪气体检测器的一个问题在于，在示踪气体检测期间的检测器电流常常非常小，并且很容易被电子噪声所左右，从而限制了低浓度下的示踪气体检测。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种根据开头段落的光声检测器，所述检测器具有比现有技术检测器更低的检测极限。
根据本发明的第一方面，实现所述目的是因为所述处理部分包括：用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，所述积分放大器通过保持开关耦合到所述检测器元件；以及用于生成保持信号SWHOLD的定时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期的预定间隔期间把所述积分放大器耦合到所述检测器元件。
由所述检测器元件提供的检测器电流在由所述光源于所述样品混合物中引发的压力变化的共振频率下振荡。通过操作所述积分放大器中的所述保持开关，导致仅仅对所述检测器电流的周期期间的预定间隔进行采样。所述固定间隔被选择成短于整个周期，这是因为所述振荡的检测器电流的正部分会补偿其负部分，结果所述检测器电流在整个周期内的积分值与所述压力变化的幅度无关。在整个周期内对所述检测器电流进行积分不会提供关于所述样品在样品混合物中的浓度的信息。通过仅仅积分所述信号的一个较短的预定间隔，所述补偿将不会发生，并且更高的幅度将导致更高的积分值。每一个所获得的信号样本都是所述样品的浓度的量度。通过把对应于所述检测器电流的多个周期的所获得的信号样本相加，所述输出信号的增益得到提高，并且可以检测更低的样品浓度。
优选地，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率并且具有50％的占空比。
优选地，所述检测器电流与所述保持信号SWHOLD同相或者反相。通过采样所述检测器电流的每一个周期的50％，仅仅对所述检测器电流的正部分或者仅仅对所述检测器电流的负部分进行积分。通过仅仅把来自所述振荡器元件的信号的多个周期的正部分相加，可以大大改进所述检测器的增益和信噪比，从而得到一种更加灵敏的光声检测器。当所述检测器电流与所述保持信号SWHOLD不完全同相或反相时，所述检测器的增益减小。
优选地，所述检测器元件是振荡器元件，并且所述光调制器被设置成在所述振荡器元件的共振频率下调制所述光束。
由于其带宽较小，这种振荡器元件对于环境噪声没有那么敏感。来自这种振荡器的检测器电流是高度正弦的，从而使其非常适用于下面描述的处理方案。
在所述光声检测器的另一个实施例中，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率的三分之一并且具有50％的占空比。
在本实施例中，对于每三个周期积分所述检测器电流一次，并且在其间对所述检测器电流进行积分的固定间隔包括两个正部分和一个负部分(反之也可)。其中一个正部分补偿所述负部分，第二个正部分则对输出信号有贡献。此外，在本实施例中，所述检测器电流与所述保持信号SWHOLD优选地同相或反相。
本实施例还消除了上面描述的实施例的缺陷，在上面描述的实施例中，所述保持信号SWHOLD的频率等于所述检测器电流的频率，并且其具有50％的占空比。当把上面描述的该实施例与振荡器元件组合使用来检测所述压力变化时，其表现出下面的缺陷：所述保持开关的开关频率与所述检测器信号的共振频率相同。当所述保持开关(其通常是FET)进行开关时，有某个小电流在所述振荡器元件的共振频率下流经该开关。结果，所述振荡器受到一点激励，从而导致在输出信号中出现偏移量。因此，即使没有激光和样品分子，在输出中也会出现偏移量。当所述保持信号SWHOLD的开关频率等于所述检测器电流的频率的三分之一时，所述保持开关不在所述振荡器元件的共振频率下操作，因此所述振荡器元件再不会在开关SWHOLD时共振。结果，所述开关动作不会影响所述检测器电流。
在另一个实施例中，通过以下措施来实现类似的效果：把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率的一半，并且具有75％的占空比。
本实施例的附加优点在于，取得样本所需要的时间要短于前一个实施例中的情况。这样就导致具有相同信噪比的更快检测，或者导致同样快的检测具有更好的信噪比。在另一个实施例中，所述处理部分被设置成执行以下操作：通过分别生成第一和第二输出信号来取得第一和第二测量，被用于所述第二测量的所述保持信号SWHOLD相移超过所述检测器电流的周期的一半；以及从所述第一和第二输出信号的绝对值计算平均输出信号。
在本实施例中，由所述保持开关的开关动作所导致的偏移量被平均掉。所述第一测量给出正结果，所述第二测量给出负结果，但是这两个测量都带有相同的偏移量。
在另一个实施例中，所述保持开关通过缓冲级耦合到所述振荡器元件。所述缓冲级导致一些额外的增益。所述缓冲级还导致偏移量抵消，这是因为在所述检测器元件与所述保持开关之间不再有直接耦合。
在一个优选实施例中，所述处理部分还包括：选择开关，其用于把来自所述积分放大器的积分后的电压拷贝到所述输出信号，以及复位开关，其用于复位所述积分放大器，并且其中所述定时电路被设置成生成用于操作所述选择开关的选择信号SWSELECT以及用于相继地操作所述复位开关的复位信号SWRESET，并且其中所述定时电路还被设置成生成所述保持信号SWHOLD，其频率至少是所述复位信号SWRESET的频率的两倍。
在本实施例中，把至少两个(但是优选地更多)的连续样本的积分后的检测器电流相加。为了得到更高的信噪比，在把电容器电荷拷贝到输出信号并且复位所述电容器以便开始新的测量之前收集更多的样本。
在所述光声检测器的一个优选实施例中，所述处理部分还包括后处理单元，其具有：比较器，其用于把来自所述积分放大器的积分后的电压与预定值进行比较；复位脉冲发生器，其用于在所述积分后的电压达到所述预定值时提供复位脉冲SWRESET，以便闭合复位开关并且复位所述积分放大器；以及定时器，其用于在所述积分后的电压达到所述预定值时确定用来达到所述预定值的总采样时间。
对于较小的检测器电流需要更大的增益来获得足够高的信噪比，从而导致更长的积分时间。但是对于较大的检测器电流则只需要较小的增益，从而导致积分时间更短。通过自适应地计算所述总采样时间，可以把信噪比保持得足够高，并且可以把积分时间保持得尽可能短。
通过参照下面描述的实施例，本发明的上述和其他方面将变得显而易见。
附图说明
在附图中：
图1示意性地示出了现有技术的光声示踪气体检测器；
图2示意性地示出了根据本发明的光声示踪气体检测器；
图3示出了说明根据图2的光声示踪气体检测器的操作的信号集合；
图4示出了说明根据图2的光声示踪气体检测器的另一个实施例的操作的信号集合；
图5示意性地示出了根据本发明的光声示踪气体检测器的一个优选实施例；
图6a示出了被包括在图5的实施例中的后处理单元的一种示例性设置；以及
图6b示出了说明图5中所示的实施例的操作的信号集合。
具体实施方式
图1示意性地示出了现有技术的光声检测器。在下文中描述的光声示踪气体检测器检测示踪气体在气体混合物中的浓度，但是本发明也可以被应用来检测其他样品混合物中的组织、流体或固体样品。所述示踪气体检测器100使用激光二极管100作为光源。所述激光的波长被选择成使其可以激发所述示踪气体的分子。可替换地，也可以使用其他类型的激光源或其他光源，只要其能够产生具有足够高的能量来激发所述示踪气体分子的光束。激光驱动器102为所述激光二极管101提供驱动信号。在本实施例中，所述激光驱动器102还充当用于调制所述光束的调制器。所述激光驱动器102包括用于提供DC信号的DC源121和用于提供AC信号的AC源122。在加法器123中组合所述DC信号与所述AC信号，并且随后将其提供到所述激光二极管101。结果，所述光束的强度遵循正弦模式随着时间改变。所述激光束的更高强度导致所述示踪气体中的更多分子被激发，从而导致所述气体混合物的更高温度。所述驱动信号的更大幅度导致更大的温度波动。所述示踪气体的更高浓度也导致更大的温度波动。所述温度波动导致所述气体混合物中的压力变化或者声波。通过检测器元件来检测所述压力变化，比如麦克风或者振荡器元件103。如果所述激光在振荡器元件103的共振频率下被调制，则所述声波会激发所述振荡器103。优选地，所述振荡器元件103是晶体振荡器，比如石英音叉。石英音叉具有高灵敏度，并且在高频下操作。此外，由于石英音叉被大规模用于例如制造数字手表，因此其并不很昂贵。
还可以通过操纵具有连续强度的光束来实现对所述光束的强度的调制。例如已经知道使用机械调制盘从连续波光束生成强度调制的光束。
在一个替换实施例中，所述光束的强度是恒定的，并且对所述激光的波长进行调制。本实施例利用了这样的效应：只有处在特定波长范围内的光才适于激发所述示踪气体分子。对于波长调制，利用所述振荡器103的共振频率的一半来调制所述激光。所述振荡器103随后开始在其共振频率下共振(波长调制使频率加倍)。
振荡的晶体振荡器103生成较小的振荡检测器电流Iosc，其频率等于所述振荡器103的共振频率，并且其幅度与所述示踪气体浓度成比例。信号处理单元106对该检测器电流IOSC进行处理，以便提供表示所述示踪气体浓度的输出信号UOUT。现有技术的处理单元包括前置放大器104和锁定检测器105。所述前置放大器104放大该电流IOSC。锁定检测负责生成实际的输出。所述锁定检测器105将所述经过放大的信号与参考信号进行混合，其中所述参考信号与所述经过放大的信号具有相同的相位。所述参考信号是从所述AC激光信号中导出的。触发器107和移相器108被用来把所述参考信号提供到混频器113。所述混频器113将所述参考信号与所述经过放大的信号进行混合。对所述混频器输出进行低通滤波，从而使得DC输出UOUT代表所检测到的示踪气体浓度。
图2示意性地示出了根据本发明的光声示踪气体检测器200。根据本发明，用积分放大器来替换所述前置放大器104和所述锁定检测器105，其中所述积分放大器具有一种特殊的开关算法来执行所述前置放大以及生成所述输出信号UOUT。实际的混合是在积分器中进行的，因此不再需要外部锁定检测。同样为所述激光二极管101提供AC和DC电流。由光引发的压力变化激励所述振荡器103，并且所述积分放大器放大所述检测器电流IOSC。图2中示出的积分器包括运算放大器110和电容器111，其中把所述运算放大器110的输出端与该运算放大器110的负输入端互连。所述积分器具有3个要被控制的开关。一个保持开关被用来把所述振荡器电流IOSC存储到电容器111中。该开关需要与IOSC同相。一个复位开关在需要时复位所述积分器，以及一个选择开关把积分后的输出值UINT拷贝到输出端。触发器107与移相电路108一起被用来得到用于所述保持开关的开关信号SWHOLD，其与IOSC同相。定时发生器块109(其通常是一小片数字逻辑)从AC激光频率生成所述开关信号。所述定时发生器块109不时地(例如每秒10次或100次)生成选择信号SWSELECT，并且所述积分后的信号UINT被拷贝到输出端。在此之后，复位信号SWRESET紧接着复位所述电容器111。因此，所述增益还取决于复位频率。图3示出了说明根据图2的光声示踪气体检测器200的操作的信号集合。在图3中示出了下面的信号：
IOSC：其是来自所述振荡器103的信号。该信号的频率与所述幅度调制的AC调制频率的频率相同，或者在使用波长调制时，该信号的频率是所述波长调制的AC调制频率的两倍。IOSC的幅度与所述示踪气体的浓度成比例。图3示出了所述示踪气体浓度的一次增大。在t＝t1处，所述示踪气体浓度和所述检测器电流IOSC大致加倍。
SWHOLD：其是控制所述保持开关的保持信号SWHOLD。当SWHOLD为高时，所述开关被闭合。当SWHOLD为低时，所述开关打开。IOSC与SWHOLD的比较表明，只有所述检测器电流IOSC的负部分被馈送到所述电容器111。当IOSC为正时，所述保持开关打开，并且所述电容器111不对IOSC进行积分。在本例中，SWHOLD的频率与IOSC的频率相同，并且其具有50％的占空比。
UINT：当所述保持开关闭合并且所述检测器电流IOSC被馈送到所述电容器111中时，所述运算放大器110的输出端处的电压UINT增大。当所述保持开关闭合时，UINT保持恒定。
SWSELECT：所述选择信号SWSELECT不时地(每秒10次或100次)为高，并且由采样保持电路112对所述电压UINT进行采样。
SWRESET：在对UINT进行采样之后，复位信号SWRESET紧接着使得复位开关闭合，并且所述积分器被复位。此后，所述积分器再次开始对所述检测器电流IOSC进行积分，并且继续这样做直到下一次复位为止。高复位频率导致高采样率，但是导致相对较低的增益。低复位频率导致较低的采样率和较高的增益。因此，所述增益还取决于所述复位频率。
UOUT：所述采样保持电路提供输出信号UOUT。如图3中所示，所述示踪气体浓度在t＝t1处增大(IOSC的幅度增大)，并且所述输出信号UOUT在第一次取得新样本时(SWSELECT为高)改变。
参照图3示出的实施例的缺点在于，所述保持开关的开关频率与所述晶体振荡器的共振频率相同。当所述保持开关(通常是FET)进行开关时，有某个小电流在所述晶体振荡器的共振频率下流经该开关。结果，所述振荡器受到一点激励，从而导致在UOUT中出现偏移量。因此，即使没有激光和示踪气体，在输出中也会出现偏移量。在参照图4说明的实施例中不会出现这一缺点。图4示出了说明根据图2的光声示踪气体检测器200的另一个实施例的操作的信号集合。在本例中，SWHOLD的频率是IOSC的频率的三分之一，并且其占空比为50％。在本实施例中，对于每三个周期积分所述检测器电流一次，并且在其间对所述检测器电流进行积分的固定间隔包括两个负部分和一个正部分。第一个负部分补偿所述正部分，第二个负部分则对输出信号UOUT有贡献。由于不在所述晶体振荡器的共振频率下操作所述保持开关，因此所述开关动作不会影响所述检测器电流IOSC。
通过以下措施来实现类似的效果：生成所述保持信号SWHOLD，使得该信号的频率等于所述检测器电流IOSC的频率的一半，并且使其具有75％的占空比。本实施例的附加优点在于，取得样本所需要的时间要短于前一个实施例中的情况。这样就导致具有相同信噪比的更快检测，或者导致同样快的检测具有更好的信噪比。
在原理上，对应于SWHOLD的所有小于100％的占空比都允许对所述检测器电流IOSC进行积分。但是只有在积分时间非常长的情况下，例如1％或99％的占空比才将导致增益提高。此外，对于SWHOLD的频率可以选择许多不同的值。在所有实施例中，重要的是选择SWHOLD的频率和占空比与SWSELECT和SWRESET的频率的适当组合。上面描述了一些适当组合的实例。可替换地，SWHOLD的频率例如可以是所述光调制的频率的99％，从而得到低频混合信号。如果在适当的频率下对该低频混合信号进行采样的话，则该低频混合信号也可以被用作对应于所述样品浓度的量度。
在另一个实施例中，所述处理部分被设置成执行以下操作：生成第一和第二输出信号，其中被用于获得所述第二输出信号的所述保持信号SWHOLD关于所述检测器电流相移180°；以及从所述第一和第二输出信号的绝对值计算平均输出信号。在本实施例中，由所述保持开关的开关动作以及所述晶体振荡器引起的激励所导致的偏移量被平均掉。所述第一测量给出正结果，所述第二测量给出负结果，但是这两个测量都带有相同的偏移量。
在另一个实施例中，所述保持开关通过缓冲级耦合到所述晶体振荡器。所述缓冲级导致一些额外的增益，并且防止由来自所述保持开关的电流激发所述检测器。所述缓冲级的增益被保持得足够小，从而使得所述缓冲级的噪声电流保持远低于所述检测器的噪声电流。
图5示意性地示出了根据本发明的光声示踪气体检测器200的一个优选实施例。在本实施例中，所述处理部分106包括后处理单元112，其用于执行以下操作：把来自所述电容器111的积分后的电压UINT与预定值进行比较；在所述积分后的电压达到所述预定值时确定用于达到所述预定值的总采样时间；以及输出所述总采样时间以作为输出信号。对于较小的检测器电流需要更大的增益来获得足够高的信噪比，从而需要更长的积分时间。但是对于较大的检测器电流则只需要较小的增益，从而所需要的积分时间更短。通过自适应地计算所述总采样时间，可以把信噪比保持得足够高，并且可以把积分时间保持得尽可能短。
图6a示出了被包括在图5的实施例中的后处理单元112的一种示例性设置。所述后处理单元112包括比较器201，其用于把来自所述电容器111的积分后的电压UINT与所述预定值UCOMP进行比较。当所述积分后的电压UINT达到所述预定值UCOMP时，复位脉冲发生器202提供脉冲SWRESET，以用于闭合复位开关并且对所述电容器111进行放电。当所述示踪气体浓度更高时将更快到达所述预定值UCOMP，并且两个复位脉冲之间的时间将更短。因此“距复位的时间”表示所述示踪气体浓度。
图6b示出了说明图5中所示的实施例的操作的信号集合。当UINT达到UCOMP时，提供复位脉冲RWRESET。在所述振荡器电流IOSC的幅度增大之后，一旦UINT第一次达到所述预定值UCOMP，采样时间值tOUT就发生改变。对应于所述采样时间值tOUT的较小值与更高的示踪气体浓度相关。对于较小的检测器电流需要更大的增益来获得足够高的信噪比，从而导致更长的积分时间。但是对于较大的检测器电流则只需要较小的增益，从而导致积分时间更短。通过自适应地计算所述总采样时间，可以把信噪比保持得足够高，并且可以把积分时间保持得尽可能短
应当注意到，上面提到的实施例说明而非限制本发明，在不偏离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员将能够设计出许多替换实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应被理解成限制该权利要求。“包括”一词不排除未在权利要求中阐述的其他元件或步骤的存在。元件前面的“一个”不排除多个这种元件的存在。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件来实现，或者可以通过适当编程的计算机来实现。在枚举几个装置的设备权利要求中，可以用同一项硬件来具体实现这些装置当中的几项。在互不相同的从属权利要求中引述某些措施并不表示不能使用这些措施的组合来获益。

Claims (10)

1.一种用于检测样品在样品混合物中的浓度的光声检测器(200)，所述光声检测器(200)包括：
光源(101)，其用于产生光束，以便激发样品的分子；
光调制器(102)，其用于调制所述光束，以便在样品混合物中产生压力变化，所述压力变化的幅度是所述浓度的量度；
检测器元件(103)，其用于把所述压力变化转换成检测器电流；以及
处理部分(106)，其用于对所述检测器电流进行处理，以便生成代表所述浓度的输出信号，
所述处理部分(106)包括：
用于对所述检测器电流进行积分的积分放大器，所述积分放大器通过保持开关耦合到所述检测器元件(103)；以及
用于生成保持信号SWHOLD的定时电路，该信号用于操作所述保持开关以便在所述检测器电流的周期的预定间隔期间把所述积分放大器耦合到所述检测器元件(103)，以及
后处理单元(112)，所述后处理单元(112)包括：
比较器(201)，其用于把来自所述积分放大器的积分后的电压与预定值进行比较；
复位脉冲发生器(202)，其用于在所述积分后的电压达到所述预定值时提供复位脉冲SWRESET，以便闭合复位开关并且复位所述积分放大器(111)；以及
定时器(203)，其用于在所述积分后的电压达到所述预定值时确定用来达到所述预定值的总采样时间。
2.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率并且具有50％的占空比。
3.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述检测器元件(103)是振荡器元件，并且其中所述光调制器(102)被设置成在所述振荡器元件的共振频率下调制所述光束。
4.根据权利要求3的光声检测器(200)，其中，所述振荡器元件(103)是晶体振荡器。
5.根据权利要求4的光声检测器(200)，其中所述振荡器元件(103)是石英音叉。
6.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率的三分之一并且具有50％的占空比。
7.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述定时电路被设置成通过把所述保持信号SWHOLD生成为周期性信号来重复地操作所述保持开关，其中该周期性信号的频率等于所述检测器电流的频率的一半并且具有75％的占空比。
8.根据权利要求2、6或7的光声检测器(200)，其中，所述处理部分(106)被设置成执行以下操作：
通过分别生成第一和第二输出信号来取得第一和第二测量，被用于所述第二测量的保持信号SWHOLD相移超过所述检测器电流的周期的一半；以及
从所述第一和第二输出信号的绝对值计算平均输出信号。
9.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述保持开关通过缓冲级耦合到所述检测器元件(103)。
10.根据权利要求1的光声检测器(200)，其中，所述处理部分(106)还包括选择开关和复位开关，所述选择开关用于把来自所述积分放大器的积分后的电压拷贝到所述输出信号，所述复位开关用于复位所述积分放大器，并且其中，所述定时电路(109)被设置成生成用于操作所述选择开关的选择信号SWSELECT以及用于相继地操作所述复位开关的复位信号SWRESET，并且其中所述定时电路(109)还被设置成生成所述保持信号SWHOLD，其频率至少是所述复位信号SWRESET的频率的两倍。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2092323A1 (en) 2006-11-10 2009-08-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Oscillator element for photo acoustic detector
KR100988566B1 (ko) * 2008-08-27 2010-10-18 삼성전자주식회사 광 검출 방법 및 장치
JP2011193978A (ja) 2010-03-18 2011-10-06 Canon Inc 静電容量型電気機械変換装置の駆動装置及び駆動方法
JP5669950B2 (ja) * 2010-10-28 2015-02-18 エンパイア テクノロジー ディベロップメント エルエルシー 光音響センサー
US8848191B2 (en) 2012-03-14 2014-09-30 Honeywell International Inc. Photoacoustic sensor with mirror
CN103149681B (zh) * 2013-02-04 2015-07-01 山西大学 音叉式斩光器及使用该斩光器的痕量气体测量装置
US9380981B2 (en) 2013-03-15 2016-07-05 Covidien Lp Photoacoustic monitoring technique with noise reduction
JP6207289B2 (ja) * 2013-08-06 2017-10-04 キヤノン株式会社 被検体情報取得装置、レーザー装置および医療装置
CN103472002B (zh) * 2013-09-27 2016-03-02 山东大学 一种光纤激光器腔内光声光谱气体检测***
US10307080B2 (en) 2014-03-07 2019-06-04 Spirosure, Inc. Respiratory monitor
CN104280340B (zh) * 2014-10-28 2016-08-03 山西大学 基于led光源并采用电学调制相消法的气体探测装置及方法
JP6456511B2 (ja) * 2015-09-29 2019-01-23 富士フイルム株式会社 光音響計測装置及び方法
CN106124411B (zh) * 2016-06-29 2018-10-19 内江师范学院 一种宽光谱型光声光谱痕量物质远距离探测装置及方法
US9772671B1 (en) * 2016-07-07 2017-09-26 Climax Technology Co., Ltd. Low-power alarm detector
EP3589203A1 (en) 2017-03-01 2020-01-08 NGK Spark Plug Co., Ltd. Nitric oxide detection device with reducing gas
WO2021233560A1 (en) * 2020-05-20 2021-11-25 Diamontech Ag Method and apparatus for analyte measurement including real-time quality assessment and improvement

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4303343A (en) * 1980-02-29 1981-12-01 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Optoacoustic spectroscopy of condensed matter in bulk form
US4722602A (en) * 1985-08-14 1988-02-02 Hitachi, Ltd. Apparatus and method for analyzing particles in a medium
US4808828A (en) * 1985-12-02 1989-02-28 Hitachi, Ltd. Method of and apparatus for simultaneous determination
CN1205150A (zh) * 1996-09-27 1999-01-13 马库斯·伯姆 局部自适应光学传感器
CN1635780A (zh) * 2003-12-31 2005-07-06 中国科学院西安光学精密机械研究所 线阵ccd光积分时间自适应控制方法及装置
CN1727875A (zh) * 2005-07-19 2006-02-01 大连理工大学 一种氢气浓度的检测方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4303434A (en) * 1980-09-08 1981-12-01 Owens-Illinois, Inc. Method and apparatus for preheating pulverous materials prior to their introduction into a melting furnace
JPS59231426A (ja) 1983-06-14 1984-12-26 Shimadzu Corp 光音響検出器
JPH07190927A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Meidensha Corp 懸濁物濃度測定装置
JP3291581B2 (ja) * 1994-02-14 2002-06-10 日本光電工業株式会社 酸素飽和度測定装置および信号処理方法
US6160255A (en) 1998-10-05 2000-12-12 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Laser-based photoacoustic sensor and method for trace detection and differentiantion of atmospheric NO and NO2
US7245380B2 (en) * 2002-06-10 2007-07-17 William Marsh Rice University Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy
WO2006092751A1 (en) * 2005-03-04 2006-09-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Photoacoustic spectroscopy detector and system
EP2092323A1 (en) 2006-11-10 2009-08-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Oscillator element for photo acoustic detector

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4303343A (en) * 1980-02-29 1981-12-01 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Optoacoustic spectroscopy of condensed matter in bulk form
US4722602A (en) * 1985-08-14 1988-02-02 Hitachi, Ltd. Apparatus and method for analyzing particles in a medium
US4808828A (en) * 1985-12-02 1989-02-28 Hitachi, Ltd. Method of and apparatus for simultaneous determination
CN1205150A (zh) * 1996-09-27 1999-01-13 马库斯·伯姆 局部自适应光学传感器
CN1635780A (zh) * 2003-12-31 2005-07-06 中国科学院西安光学精密机械研究所 线阵ccd光积分时间自适应控制方法及装置
CN1727875A (zh) * 2005-07-19 2006-02-01 大连理工大学 一种氢气浓度的检测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Anatoliy A. Kosterev et al.Applications of quartz tuning forks in spectroscopic gas sensing.《Review of Scientific Instruments》.2005,第76卷(第4期),期刊第2页左栏第3段至右栏第1段. *
JP昭59-231426A 1984.12.26

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Publication number Publication date
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