DE3605598A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der fluoreszenz-abklingdauer einer fluoreszierenden substanz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz- Abklingdauer von mindestens einer physikalischen Größe abhängt, indem die Fluoreszenzstrahlung auf die Ausgangsstrahlung in einem Schwingkreis rückgekoppelt wird, dessen Frequenz ein Maß für die physikalische Größe ist, wobei Fluoreszenzstrahlung einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird, dessen Ausgangssignale nach phasenempfindlicher Gleichrichtung und Integration einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt werden.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Gattung sind in Verbindung mit einem faseroptischen Temperaturmesser bekannt (Th. Bosselmann, A. Reule, J. Schröder: "Fiber-Optic Temperature Sensor using fluorescence Decay Time" in 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors, Stuttgart, 1984, VDE-Verlag GmbH, Berlin, Offenbach). Der faseroptische Temperaturmesser enthält eine lumineszierende Substanz, die Teil eines selbstoszillierenden Systems ist, dessen Schwingungsdauer T im eingeschwungenen Zustand proportional zu der Lumineszenz-Relaxationszeit ist, solange die Signallaufzeit innerhalb der Auswertungselektronik gegenüber der Relaxationszeit τ vernachlässigt werden kann. Dabei bestimmt ein Photodiodensignal, das phasenempfindlich gleichgerichtet und aufintegriert wird, die Frequenz eines spannungskontrollierten Oszillators (VCO), die damit eine eindeutige Funktion der Lumineszenz-Relaxationszeit ist.

Bekannt ist auch ein faseroptischer Temperatursensor, bei dem die fluoreszierende Strahlung von einem sinusförmig modulierten Strahler angeregt wird. Das aus dem zeitlich verzögerten Fluoreszenzlicht gewonnene Signal wird über ein Zeitglied auf die Steuerung des Modulators rückgekoppelt. Die sich in dem selbsterregten Schwingkreis einstellende Frequenz ist abhängig von der Fluoreszenz-Abklingdauer und damit von allen physikalischen Größen, die diese beeinflussen (DE-OS 31 02 089). Der eingangs beschriebene faseroptische Temperatursensor hat gegenüber dem zuletzt erläuterten Temperatursensor den Vorteil, daß nur ein geringes Rauschen auftritt und daß die Empfindlichkeit und die Genauigkeit verbessert werden.

Wenn das Ausgangssignal des photoelektrischen Empfängers während der Anregungsphase und der Abklingphase der Fluoreszenzstrahlung integriert wird, sind Maßnahmen zur Unterdrückung des Übersprechens der Anregungsquelle und zur Kontrolle des zeitlichen Verlaufs der Anregung notwendig. Es müssen optische Filter und elektronische Streulichtkompensationsmaßnahmen eingesetzt werden. Weiterhin muß die von der lumineszierenden Substanz absorbierte Leistung geregelt werden. Durch eine erhebliche Störanfälligkeit dieser Maßnahmen gegen das Übersprechen des Anregungskanals erweist sich sogar der Einsatz von Lichtwellenleiter-Steckverbindungen aufgrund der in ihnen auftretenden Reflexionen als problematisch. Darüberhinaus ist eine resonante Anregung, bei der der Anregungswellenlängenbereich mit dem Lumineszenzwellenlängenbereich weitgehend übereinstimmt, praktisch nicht möglich, da eine Unterdrückung des Streulichts durch optische Filter in diesem Fall nicht mehr durchgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß die Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit durch Übersprechen und DC-Driften beseitigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst, die sich dadurch auszeichnet, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich derart gleichgerichtet wird, daß die Gesamtzeiten der unterschiedlich langen Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen gleich sind und daß die alternierend gleichgerichteten Signale integriert werden.

Die im Stand der Technik vorhandenen Schwierigkeiten werden vermieden, wenn das Ausgangssignal der photoelektrischen Empfängers lediglich außerhalb der Anregungsphasen der Fluoreszenzstrahlung phasenempfindlich gleichgerichtet und integriert wird. Das Verfahren gemäß dem Anspruch 1 ist somit übersprechneutral. Der zur Beseitigung des Einflusses des Übersprechens notwendige Aufwand entfällt daher.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind in jeder Abklingphase zwei Gleichrichtungsabschnitte in der einen Richtung beiderseits eines Gleichrichtungsabschnitts in der anderen Richtung vorgesehen. Die Zahl der erforderlichen Richtungsänderungen ist hierbei sehr klein. Der Einfluß der DC- Driftung auf die Meßgenauigkeit wird mit den oben beschriebenen Verfahren beseitigt. Die Verfahren zeigen nicht nur bei einfach exponentiellem Abklingen in der Abklingphase die oben angegebenen Vorteile. Auch bei komplizierten Zeitabläufen sind die Vorteile erreichbar, wenn die Anzahl und Dauer der Gleichrichtungsabschnitte an den jeweils typischen Ablauf angepaßt wird. Eine streng monotone Abnahme des Abklingsignals sollte vorhanden sein.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der im Anspruch 1 oder 2 beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß diese Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator verbunden ist, dem eine von einer Logikschaltung für die Schalterbetätigung steuerbare Abtast- und Halteschaltung nachgeschaltet ist, an die der Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators angeschlossen ist. Diese Vorrichtung hat einen sehr einfachen schaltungstechnischen Aufbau. Damit ergeben sich besondere Vorteile in Verbindung mit der Auswerteelektronik eines faseroptischen Temperatursensors, bei dem eine fluoreszierende Substanz optisch über einen Lichtwellenleiter angeregt wird, deren Lumineszenz- Relaxationszeit eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Die zu bestimmende Relaxationszeit ist dann ein Maß für die Temperatur der fluoreszierenden Substanz.

Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.

Das Ausgangssignal des photoelektrischen Empfängers wird zweckmäßigerweise über einen Vorverstärker einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Verstärker zugeführt, deren Ausgängen je zwei Schalter nachgeschaltet sind, von denen jeweils der eine an den invertierenden und der andere an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers angeschlossen ist, dessen Eingänge weiterhin je über einen Schalter mit Massepotential verbindbar sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingzeit einer fluoreszierenden Substanz,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines photoelektrischen Empfängers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftretenden Signale,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines phasenempfindlichen Gleichrichters gemäß Fig. 1 auftretenden Signale,

Fig. 4 den Schaltungsaufbau eines phasenempfindlichen Gleichrichters und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von Steuersignalen für Schalter im phasenempfindlichen Gleichrichter.

Bei einfach exponentiellen Relaxationsvorgängen, läßt sich der zeitliche Intensitätsverlauf nach der Anregung durch die Gleichung

I (t) = Io e ^-t/τ

beschreiben, worin I die Intensität der Strahlung, Io die Anfangsintensität und τ die Lumineszenz-Relaxationszeit sind.

Eine Unterdrückung des DC-Driftens ist mit einer phasenempfindlichen Gleichrichtung z. B. mit symmetrischen Zeitintervallen Δ T nicht möglich, wie sich aus der folgenden Ungleichung ergibt:

Eine überraschend einfache Möglichkeit zur Beseitigung des Einflusses des Übersprechens und des Einflusses von DC- Driftvorgängen stellt die modifizierte, alternierende, phasenempflindliche Gleichrichtung nach folgender Beziehung dar: wenn zwischen T ₁, T ₂, T ₃, T ₄ und Δ T folgender Zusammenhang besteht:

T ₂ = T ₁ + n ₁ Δ T;
T ₃ = T ₂ + n ₂ Δ T;
T ₄ = T ₃ + n ₃ Δ T;

mit

n ₁ + n ₃ = n ₂

n ₁, n ₂ und n ₃ sind Faktoren, um die sich die jeweiligen Zeitabschnitte als Vielfaches des Zeitintervalls Δ T unterscheiden. Es wird also phasenempfindlich in der Abklingphase der Fluoreszenzstrahlung abwechselnd in unterschiedlichen Richtungen gleichgerichtet. Es ergeben sich Gleichrichtungsabschnitte n ₁ Δ T und n ₃ Δ T in der einen und n ₂ Δ T in der anderen Richtung bzw. Polarität. Die Gesamtzeiten der Gleichrichtungsabschnitte in den beiden Richtungen müssen jeweils gleich sein.

Beispielsweise erhält man für

n ₁ = 1
n ₂ = 3
n ₃ = 2

im eingeschwungenen Zustand die dann mit dem Zeitintervall Δ T übereinstimmende Schwingungsdauer durch die Gleichung:

T = -ln (1/2 (√-1)) τ ≈ 0,481 τ

Es sind auch andere Kombinationen n ₁, n ₂ und n ₃ unter Einhaltung der Bedingung n ₁ + n ₂ = n ₃ möglich. Für streng monoton abklingende Signale sind die Tastverhältnisse n ₁ : n ₂ : n ₃ entsprechend anzupassen.

Fig. 1 zeigt beispielhaft den Prinzipaufbau eines faseroptischen Temperatursensors, bei dem die Lumineszenz-Relaxationszeit durch den Einsatz der alternierenden phasenempfindlichen Gleichrichtung ohne aufwendige Maßnahmen zur Unterdrückung des Übersprechens des Anregungskanals ausgewertet wird.

Eine lichtemittierende Diode (1) (LED) wird über einen Schalter (2) periodisch mit Betriebsspannung versorgt. Die von der LED 1 emittierte Strahlung wird z. B. über eine nicht näher bezeichnete Optik in einen Lichtwellenleiter eingekoppelt, an dessen anderem Ende eine lumineszierende Substanz angebracht ist. Optik, Lichtwellenleiter und lumineszierende Substanz entsprechen z. B. der in der DE-OS 32 02 089 dargestellten Anordnung. Das von der Substanz ausgehende Lumineszenzlicht wird über den Lichtwellenleiter und einem Strahlenteiler (3) zu einem photoelektrischen Empfänger (4) z. B. einer Photodiode geleitet.

Am Ausgang des photoelektrichen Empfängers (4) tritt das in Fig. 2 dargestellte Signal U _PD auf. Dieses Signal gelangt in einen phasenempfindlichen Gleichrichter (5), der von einer Logikschaltung (6) gesteuert wird, die auch den vorzugsweise kontaktlosen Schalter (2) steuert. Dem phasenempfindlichen Gleichrichter (5) ist ein Integrator (7) nachgeschaltet, an den eine Abtast- und Halteschaltung (8) angeschlossen ist, die ebenfalls durch die Logikschaltung (6) gesteuert wird. Mit der Abtast- und Halteschaltung (8) ist der Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) (9) verbunden, dessen Ausgang an einem Eingang der Logikschaltung (6) angeschlossen ist.

In Fig. 4 ist der prinzipielle Aufbau des phasenempfindlichen Gleichrichters (5) dargestellt. Das Ausgangssignal U _PD des photoelektrischen Empfängers (4) ist an den Eingang eines Vorverstärkers (10) gelegt, dessen Ausgang einen nichtinvertierenden und einen invertierenden Verstärker (11) bzw. (12) speist. Der Ausgang des nicht invertierenden Verstärkers (11) ist mit zwei, vorzugsweise kontaktlosen Schaltern (13, 14) verbunden. An den Ausgang des invertierenden Verstärkers (12) sind zwei, vorzugsweise kontaktlose Schalter (15, 16) angeschlossen. Die Schalter (13, 15) sind mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (17) verbunden, dessen invertierender Eingang an die Schalter (14, 16) angeschlossen ist. Der nichtinvertierende und der invertierende Eingang des Differenzverstärkers (17) sind über je einen Schalter (18, 19) an Massepotential anlegbar. Bei dem Vorverstärker (10) handelt es sich um einen rauscharmen Transimpedanz-Verstärker. Am Ausgang des Differenzverstärkers (17) tritt das Signal U _PH auf, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist. Die Schalter (13) bis (16) und (18, 19) werden von der Logikschaltung (6) gesteuert. Während der Anregungsphase sind die Schalter (18, 19) geschlossen. Die Schalter (18, 19) sind während der Abklingphase offen. Die Schließzeit des Schalters (2) legt die Impulsdauer innerhalb einer Periode der Anregungsschwingung fest.

Im Gegensatz zur phasenempfindlichen Gleichrichtung mit gleich langen direkt aufeinanderfolgenden Additions- und Subtraktionsphasen, mit der außerhalb der Anregungsphase bei streng monoton fallenden Empfangssignal U _PD nach der Aufintegration des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Gleichrichters U _PH innerhalb des Regelkreises kein Nullabgleich möglich ist, wird dieser Nullabgleich erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf eine Additions- und Subtraktionsphase unterschiedlicher Länge nochmals eine Additionsphase folgt, wobei lediglich die Gesamtdauer der beiden Additionsphasen mit der Dauer der Subtraktionsphase übereinstimmt, eine notwendige Bedingung zur Elimination von DC-Driften des Eingangssignals U _PD . Die jeweilige Dauer der Additions- und Subtraktionsphasen wird durch die Stellung der Schalter (13) bis (16) und (18, 19) bestimmt, die von einer Logik kontrolliert werden. Im Falle eines einfach exponentiell abklingenden Signals ist ein Taktverhältnis 1 : 3 : 2 geeignet. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Signalart beschränkt, sondern ermöglicht auch die Auswertung komplexerer monoton abklingender Signale durch entsprechend anzupassende Tastverhältnisse n ₁ : n ₂ : n ₃.

Die Fig. 5 zeigt beispielhaft für die bereits oben erwähnte Kombination n ₁ = 1, n ₂ = 3 und n ₃ = 2 in einem Zeitdiagramm die Stellung der von der Logikschaltung (6) kontrollierten Schalter (13) bis (16) und (18, 19). Während der Anregungsphase (Schalter (2) geschlossen) werden die Eingänge des Differenzverstärkers (17) über die Schalter (18) und (19) auf Nullpotential gelegt. Nach der phasenempfindlichen Gleichrichtung wird das Signal U _PH in dem Integrator (7) aufintegriert und während der Anregungsphase von der Abtast- und Halteschaltung (8) übernommen, deren Ausgangssignal den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (9) steuert. Im eingeschwungenen Zustand ist die Schwingungsdauer Δ T proportional zu der Relaxationszeit τ. Der Zusammenhang zwischen Δ T und τ wird durch die Taktkombination n ₁, n ₂ und n ₃ bestimmt. Für das oben angegebene Beispiel n ₁ = 1, n ₂ = 3, n ₃ = 2 gilt Δ T ≈ 0,481 τ.

Die Impulse des spannungsgesteuerten Oszillators (9) sind in Fig. 5 mit (20) bezeichnet.

Die Schalter (13) und (16) sowie (15) und (14) sind jeweils gleichzeitig offen oder geschlossen. Nach dem Öffnen der Schalter (18, 19) werden zuerst die Schalter (13, 16) für den durch T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen. Danach werden die Schalter (13, 16) geöffnet, während die Schalter (15, 14) für den durch n ₂ · Δ T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen werden. Anschließend werden die Schalter (15, 14) geöffnet und die Schalter (13, 16) erneut für den durch n ₃ · Δ T bestimmten Gleichrichtungsabschnitt geschlossen. Danach beginnt eine Anregungsphase durch Schließen des Schalters (2).

In der Logikschaltung (6) wird vorzugsweise ein von dem VCO (9) getakteter Zähler in Verbindung mit einem Demultiplexer zur Ansteuerung der analogen CMos-Schalter einsetzen. Bei der oben angegebenen Taktkombination wird der Zähler nach jeweils acht Takten zurückgesetzt. Die Logikschaltung (8) ist natürlich auch mit einem µP realisierbar.

Durch die Logikschaltung (6) wird der Schwingungskreis geschlossen. Die Logikschaltung (6) untersetzt die Frequenz des beispielsweise mit einer höheren Frequenz schwingenden spannungsgesteuerten Oszillators (9) in die Frequenz der aus einer Anregungs- und einer Abklingphase bestehenden Schwingung, die für die Schließzeit und Öffnungszeit des Schalters (2) maßgebend ist. Die Schließzeiten der Schalter (13, 16) und (14, 15) legen jeweils einen Gleichrichtungsabschnitt fest, wobei durch die Schalter (13, 16) eine Polarität und durch die Schalter (14, 15) die andere Polarität bestimmt wird.

Das Ausgangssignal des Integrators (7) wird jeweils am Ende des in einer Abklingphase letzten phasenempfindlichen Gleichrichtungsabschnitts in die Abtast- und Halteschaltung (8) übernommen.

Die Gleichrichtungsabschnitte erstrecken sich mindestens über die Dauer einer Schwingungsdauer bzw. Schwingungsperiode Δ T. Gleichrichtungsabschnitte, die länger als die Schwingungsperiode des VCO (9) sind, erstrecken sich über Vielfache dieser Schwingungsperioden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung der Fluoreszenz-Abklingdauer der Strahlung einer fluoreszierenden Substanz, deren Fluoreszenz-Abklingdauer von mindestens einer physikalischen Größe abhängt, indem die Fluoreszenzstrahlung auf die Ausgangsstrahlung in einem Schwingkreis rückgekoppelt wird, dessen Frequenz ein Maß für die physikalische Größe ist, wobei Fluoreszenzstrahlung einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird, dessen Ausgangssignale nach phasenempfindlicher Gleichrichtung und Integration einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzstrahlung nur in der Abklingphase alternierend phasenempfindlich derart gleichgerichtet wird, daß die Gesamtzeiten der unterschiedlich langen Gleichrichtungsabschnitte in den beiden verschiedenen Richtungen gleich sind und daß die alternierend gleichgerichteten Signale integriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Abklingphase zwei Gleichrichtungsabschnitte in der einen Richtung beiderseits eines Gleichrichtungsabschnitts in der anderen Richtung vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers (4) invertiert und nichtinvertiert jeweils über zwei Schalter (13, 14; 15, 16) abwechselnd an den invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers (17) anlegbar sind, dessen beide Eingänge während der Anregungsphasen an gleiches Bezugspotential gelegt sind und dessen Ausgang mit einem Integrator (7) verbunden ist, dem eine von einer Logikschaltung für die Schalterbetätigung steuerbare Abtast- und Halteschaltung nachgeschaltet ist, an die der Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators (9) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den photoelektrischen Empfänger (4) ein Vorverstärker (10) angeschlossen ist, der einen nichtinvertierenden Verstärker (11) und einen invertierenden Verstärker (12) speist, daß die beiden Schalter (13, 14; 15, 16) je dem nichtinvertierenden und dem invertierenden Verstärker (15, 16) nachgeschaltet sind, von denen jeweils der eine an den nichtinvertierenden und der andere an den invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (17) angeschlossen ist, dessen Eingänge über jeweils einen weiteren Schalter (18, 19) an Massepotential anlegbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtungsabschnitte jeweils gleich der Schwingungsperiode (Δ T) oder ein Mehrfaches der Schwingungsperiode (Δ T) der Schwingung des spannungsgesteuerten Oszillator (9) sind.