專利名稱：具有全息讀出的光學(xué)嗅覺傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蒸汽的光學(xué)探測，尤其涉及使用動態(tài)全息術(shù)探測蒸汽濃度和蒸汽濃度變化的裝置及方法。
背景技術(shù)：
蒸汽探測裝置有各種各樣的形式。一種形式的蒸汽探測裝置采用換能器探測蒸汽引起的變化，而非直接分析蒸汽。該換能器可以對某種蒸汽具有高度選擇性(“鎖鑰”法)?；蛘撸摀Q能器可以響應(yīng)幾種蒸汽，并且可以使用一個(gè)不同換能器的陣列產(chǎn)生的信號，用于對相關(guān)蒸汽進(jìn)行分類，以及在某些情況下進(jìn)行量化(Severin等人，(2000年)，分析化學(xué)(Anal.Chem.)，第72卷，658～668頁)。采用換能器的蒸汽探測裝置具有多種商業(yè)、工業(yè)和軍事應(yīng)用。
尤其，采用換能器的蒸汽探測裝置已被用于嗅覺傳感器，也稱作人造鼻或電子鼻。一個(gè)人造鼻典型地包含模擬人類嗅覺反應(yīng)的一個(gè)相異換能器陣列。(Nagle，H.等人，(1998年9月)，IEEE綜覽(IEEESpectrum)，22～34頁)。嗅覺傳感器已經(jīng)使用表面聲波(SAW)、電化學(xué)、導(dǎo)電聚合物、壓電和光學(xué)方法產(chǎn)生和探測換能器的響應(yīng)(White等人，(1996年)，分析化學(xué)(Anal.Chem.)，第68卷，2191～2202頁)。SAW陣列在尺寸方面受到限制，因?yàn)閷⒋罅康倪@種系統(tǒng)微制造成一個(gè)集成系統(tǒng)具有電子學(xué)復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性(Lonergan等人，(1996年)，化學(xué)材料(Chem.Mater.)，第8卷，2298～2312頁)。
許多基于光學(xué)換能器的蒸汽探測裝置采用光纖或其它介質(zhì)通過全內(nèi)反射進(jìn)行光傳輸(例如毛細(xì)管)。這些裝置有各種配置方式。例如，在固有的光纖傳感器中光纖本身發(fā)生變化，而在非固有的光纖傳感器中，光纖用作一個(gè)導(dǎo)管，傳送去往和來自傳感元件的光(Sietz.，W.(1988年)，CRC分析化學(xué)評論(CRC Crit.Rev.Anal.Chem.)，第19卷第2期，135～173頁)。
光纖傳感器通常包括位于光纖末端的分析物傳感元件，該光學(xué)傳感元件典型地包括通過物理截留或化學(xué)鍵接在光纖頂端固定的一種試劑相。該試劑相通常包含一種化學(xué)指示劑，當(dāng)其與分析物相互作用時(shí)光學(xué)性質(zhì)發(fā)生某些變化(White等人，(1996年)，見上)。熒光染料已被用作化學(xué)指示劑(White等人，(1996年)，見上；Oreliana，G.等人，(1995年)，第67卷，2231～2238頁)。使用多個(gè)光纖制成傳感器或換能器陣列。
干涉測量光纖傳感器的構(gòu)成有效地提供了單個(gè)換能器或傳感元件，而非一個(gè)換能器陣列。該光纖用于構(gòu)成干涉儀的參考支路和測量支路，測量支路包含一個(gè)傳感元件，與測量支路相互作用，使其光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，使得所傳輸?shù)墓獍l(fā)生相移。當(dāng)來自兩個(gè)支路的光復(fù)合時(shí)，產(chǎn)生干涉(Sietz，W.(1988年)，見上)。使用在換能器的光纖外部具有鈀涂層的一種干涉?zhèn)鞲衅鳒y量氫氣的分壓力。氫氣的分壓力越高，鈀中吸收得越多。這使光纖收縮并改變通過光纖傳輸?shù)墓獾南辔?Butler，M.(1984年)，應(yīng)用物理快報(bào)(Appl.Phys.Lett.)，第45卷第10期，1007～1009頁)。另一種干涉?zhèn)鞲衅?Vali等人，美國5,004,914，于1991年4月2日發(fā)布)使參考支路和測量支路光纖粘合到磁致伸縮基底上。測量支路基底有涂層以便收集蒸汽分子。測量支路基底的振動頻率響應(yīng)其上的待測化學(xué)蒸汽分子的收集情況而輕微變化，使得能夠探測參考基底與傳感器基底之間的共振頻率的差異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有全息讀出的干涉測量的蒸汽探測裝置，可以用作嗅覺傳感器。該裝置的實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn)容易制造的換能器陣列，多種響應(yīng)，可復(fù)驗(yàn)響應(yīng)，快速響應(yīng)(5秒內(nèi))以及高靈敏度。該裝置的靈敏度與換能器材料有關(guān)，但是乙醇蒸汽的靈敏度已經(jīng)達(dá)到大約60ppbmm2/Hz.]]>本發(fā)明的實(shí)施例還提供了使用動態(tài)全息術(shù)探測蒸汽濃度和蒸汽濃度變化的方法。該方法分析動態(tài)信號而非直流(穩(wěn)態(tài))信號。因此，該方法對于緩慢變化的環(huán)境參數(shù)不敏感。此外，該動態(tài)信號的信噪比可以通過濾除一個(gè)等效直流信號而提高。
本發(fā)明的附加實(shí)施例提供了使用動態(tài)全息術(shù)對蒸汽濃度的變化進(jìn)行光學(xué)探測的裝置及方法。被測蒸汽稱作“測試”蒸汽。本發(fā)明的方法能夠探測從一個(gè)無法探測的測試蒸汽水平到一個(gè)可探測的測試蒸汽水平的變化，或者是從一個(gè)可探測的測試蒸汽水平到另一個(gè)可探測的測試蒸汽水平的變化。該方法還能夠同時(shí)探測多種測試蒸汽的濃度變化。
本發(fā)明的方法可以利用能夠吸收測試蒸汽的一種換能器。測試蒸汽的濃度變化會導(dǎo)致該換能器尺寸的變化、換能器折射率的變化和/或使用動態(tài)全息術(shù)能夠光學(xué)探測的其它變化。可以使用多個(gè)換能器同時(shí)探測多種測試蒸汽的濃度變化，每個(gè)換能器對應(yīng)一種不同的測試蒸汽。
光學(xué)地探測該換能器中的變化。尤其，該換能器放在稱作成像光束的相干光束的路徑上。在該成像光束與樣本相互作用之后，被用于產(chǎn)生干涉圖形。換能器尺寸和折射率的變化導(dǎo)致光束的光程和光強(qiáng)的變化，并且因此導(dǎo)致干涉圖形的變化。光束的光程變化量表明測試蒸汽濃度的變化量。
如這里所用的，動態(tài)全息術(shù)涉及產(chǎn)生干涉圖形，使用動態(tài)全息介質(zhì)產(chǎn)生基于干涉圖形的全息圖，以及讀出產(chǎn)生的全息圖。動態(tài)全息術(shù)用于提供基于干涉圖形的全息讀出，并且因此測定換能器的尺寸和折射率的變化。該全息讀出提供關(guān)于蒸汽濃度變化的實(shí)時(shí)信息。
如這里所定義的，全息圖是通過介質(zhì)的介電常數(shù)或折射率的空間變化體現(xiàn)的兩個(gè)或更多電磁波之間的干涉圖形的記錄?！皠討B(tài)全息術(shù)”是涉及一種動態(tài)全息介質(zhì)，或者涉及復(fù)制動態(tài)全息介質(zhì)的功能的一種電子或其它設(shè)備的全息術(shù)(例如數(shù)字全息術(shù))。“動態(tài)全息介質(zhì)”是能夠在幾乎連續(xù)的基礎(chǔ)上幾乎同時(shí)地執(zhí)行全息記錄或讀出而其全息性質(zhì)不會在感興趣的時(shí)候發(fā)生大的損耗或退化的一種介質(zhì)?！叭⒂涗洝笔抢秒姶挪ㄗ陨淼母缮鎸?dǎo)致記錄介質(zhì)中的折射率或介電常數(shù)的變化從而產(chǎn)生全息圖的過程(即使該記錄介質(zhì)需要附加的元件和/或處理以實(shí)現(xiàn)折射率或介電常數(shù)變化)。對于非數(shù)字全息術(shù)，“全息讀出”或“讀出全息圖”是電磁波從一個(gè)全息圖的散射(通常以此方式復(fù)制一個(gè)或更多該原始記錄波的一個(gè)形式)。例如，全息圖的全息讀出可以用于復(fù)制原始圖像波的一個(gè)形式。術(shù)語“全息讀出”還可以用作一個(gè)名詞，指的是電磁波從一個(gè)全息圖的散射的結(jié)果(例如，原始圖像波的復(fù)制形式)。對于數(shù)字全息術(shù)，“讀出”全息圖可以包括從一個(gè)空間信息記錄裝置讀出該干涉圖形信息并處理所記錄的信息。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供用于測定測試蒸汽的濃度的一種方法，該測試蒸汽的濃度不是必須變化的。在該方法中，一種參考蒸汽和該測試蒸汽可以交替地提供給換能器，產(chǎn)生該換能器可見的蒸汽環(huán)境變化，使用上述方法可以探測和分析該變化。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供用于探測液體環(huán)境中測試吸收劑的濃度變化的一種方法，包括步驟提供能夠吸收該測試吸收劑的一種換能器并由此改變該換能器；使換能器暴露于該測試吸收劑；以及使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化，由此探測吸收劑的濃度變化。該測試吸收劑濃度的變化會導(dǎo)致?lián)Q能器尺寸的變化、換能器折射率的變化和/或使用動態(tài)全息術(shù)能夠光學(xué)探測的其它變化。
本發(fā)明的裝置可以采用本發(fā)明的一種或更多方法。該裝置較好地具有實(shí)時(shí)響應(yīng)，典型地在5秒內(nèi)以及較好地在2秒內(nèi)完成測量。該裝置可以用電池供電以及可以制成便攜式的。通過一個(gè)便攜式裝置，這意味著該裝置為手提箱大小、公文包大小或更小。本發(fā)明的裝置具有商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、法律實(shí)施及軍事應(yīng)用。這些應(yīng)用包含探測工業(yè)環(huán)境中的泄漏、監(jiān)測一種制造過程蒸汽環(huán)境(包含制藥和化妝品過程)、蒸汽識別和跟蹤，以及探測生物危害、汽車排放、與爆炸物有關(guān)的化學(xué)蒸汽、乙醇、管制藥物、變質(zhì)易腐產(chǎn)品以及毒氣，這里只列出了一些。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的裝置是基于一種新型濾光片，該濾光片并入了一個(gè)光折射元件。一種“新型濾光片”顯示一幅輸入圖像與該輸入的新近歷史相比有什么新的(Anderson和Feinberg，(1989年)，IEEE量子電子學(xué)期刊(IEEE J.Quantum Electron.)，第25卷第3期，635～640頁，特此并入?yún)⒖?。因?yàn)榛谛滦蜑V光片的裝置探測較迅速的變化，所以該裝置對緩慢變化的環(huán)境參數(shù)象溫度、壓力和濕度不敏感?；谠撔滦蜑V光片的裝置對于波前的變形和光路的漂移還是自適應(yīng)的。
本發(fā)明的實(shí)施例提供采用新型濾光片的具有全息讀出的一種嗅覺傳感器系統(tǒng)。當(dāng)測試蒸汽濃度變化時(shí)，該傳感器系統(tǒng)的探測器處的換能器圖像的強(qiáng)度發(fā)生變化。在一個(gè)雙光束耦合裝置中，參考光束和成像光束在一個(gè)光折射元件例如光折射晶體內(nèi)合并，因此在該元件中產(chǎn)生一個(gè)全息圖。在成像光束方向來自該光折射元件的輸出包括成像光束以及參考光束的衍射部分(參考光束的衍射部分可以視為全息讀出的部分)。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，參考光束的衍射部分與成像光束干涉，在成像光束路徑中放在光折射元件后面的一個(gè)探測器處產(chǎn)生強(qiáng)度圖形。如果蒸汽濃度和成像光束的光程突然變化，則成像光束與參考光束之間的相位差發(fā)生變化，并且在探測器處的換能器圖像的強(qiáng)度發(fā)生變化。也可以使用不同于這里所述雙光束耦合形式的新型全息濾光片形式，包含不需要外部提供的參考光束，例如利用光束扇形展開(放大的自發(fā)散射)，以及利用自泵浦的相位共扼(Anderson和Feinberg，(1989年)，見上；以及Ford等人，(1988年)，光學(xué)快報(bào)(Optics Letters)，第13卷第10期，856～858頁，特此并入?yún)⒖?。


圖1是一個(gè)雙光束嗅覺傳感器系統(tǒng)的示意圖。
圖2示意性地表示光折射元件產(chǎn)生的內(nèi)部折射率光柵造成的參考光束的衍射。
圖3示意性地表示一個(gè)基底上的四個(gè)換能器對于甲烷濃度突然增大的響應(yīng)，其中兩個(gè)換能器對于甲烷敏感，兩個(gè)換能器對于己烷敏感。
圖4顯示在一個(gè)雙光束耦合的傳感器系統(tǒng)的標(biāo)定過程中，探測器讀出與乙醇蒸汽濃度之間的關(guān)系。
圖5A-5C顯示一個(gè)2乘2的換能器陣列對乙醇的響應(yīng)圖形(5A)、對己烷的響應(yīng)圖形(5B)以及對乙醇和己烷混合物的響應(yīng)圖形。
圖6顯示一個(gè)傳感器系統(tǒng)對蒸汽環(huán)境的濃度變化的響應(yīng)。
圖7顯示傳感器系統(tǒng)靈敏度與換能器材料的有效面積之間的關(guān)系。
圖8顯示一個(gè)使用相位調(diào)制的雙光束傳感器系統(tǒng)的探測器讀出與乙醇蒸汽濃度之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施例提供用于探測環(huán)境中的測試蒸汽的濃度變化的一種嗅覺傳感器系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，該傳感器系統(tǒng)包括一個(gè)相干光源，能夠產(chǎn)生光束；一個(gè)換能器，在與環(huán)境保持聯(lián)系的液體中并能夠響應(yīng)測試蒸汽的濃度變化；一個(gè)動態(tài)全息介質(zhì)以及一個(gè)探測器，其中至少一部分光束從光源傳到換能器、從換能器傳到動態(tài)全息介質(zhì)以及從動態(tài)全息介質(zhì)傳到探測器。
依據(jù)所需的傳感器系統(tǒng)配置，該傳感器系統(tǒng)可以附加地包括多種元件。例如，在一個(gè)雙光束耦合新型濾光片中，可以使用分束器產(chǎn)生一個(gè)參考光束和一個(gè)成像光束，兩光束在光折射元件中復(fù)合。那些熟練的技術(shù)人員知道，可以利用另外的新型濾光片配置，不需要進(jìn)行分束(Anderson和Feinberg，(1989年)，見上；Ford等人，(1988年)，見上)。光束定向元件例如反射鏡和棱鏡可以放在光束路徑中。光束整形元件例如透鏡、曲面反射鏡、濾光片、光闌、線形發(fā)生器和靜態(tài)全息元件可以用于改變光束直徑和/或改變光束形狀和/或修整其強(qiáng)度。透鏡可以用于光束成像。那些熟練的技術(shù)人員知道，是否需要光束定向和整形元件依賴于特定的傳感器系統(tǒng)配置，并且不同的光束定向和光束整形元件可以互相替代。偏振更改元件例如偏振器和半波片可以用于調(diào)節(jié)光束的偏振，使其對于光折射元件的特定方向是最佳的，并且產(chǎn)生一個(gè)可變的分束器。該換能器可以支撐在一個(gè)基底上，并且一個(gè)蒸汽饋給系統(tǒng)可以用于控制與換能器保持聯(lián)系的液體中的蒸汽環(huán)境。控制系統(tǒng)可以用于控制探測器的采樣速率，并且探測器的輸出可以饋給一個(gè)分析系統(tǒng)用于進(jìn)一步處理。
在一種配置中，換能器材料可以應(yīng)用于光纖的外部，在一端或沿光纖的一段長度，該光纖的纖芯足以接近該表面，使得換能器材料中存在瞬時(shí)場。幾個(gè)這樣的光纖可以與不同的換能器材料一起用于化學(xué)蒸汽傳感多樣性。在這樣一種情況下，該光纖的輸出共同用作成像光束。
圖1顯示一種雙光束耦合系統(tǒng)，其中來自相干光源(10)的光束被分束器(12)分成成像光束(圖1中的無陰影光束)和參考光束(圖1中的陰影光束)。光束整形元件(14-16)，顯示為透鏡，增大光束直徑并改變光束形狀。光束定向元件(17)，顯示為棱鏡，用于使成像光束導(dǎo)向換能器(20)。換能器(20)顯示附在基底(22)上。蒸汽饋給系統(tǒng)(30)控制換能器(20)所暴露的環(huán)境。標(biāo)記150和151分別表示饋入和饋出蒸汽饋給系統(tǒng)(30)的蒸汽。如果光束定向元件(17)為棱鏡，較好地基底(22)和棱鏡(17)的折射率是匹配的，并且在基底-棱鏡界面處放有一層折射率匹配的液體(未顯示)。至少部分成像光束通過反射和/或透射與換能器相互作用，和/或與換能器相互瞬時(shí)地作用，然后從換能器傳播到光折射元件(50)?？蛇x透鏡(18)使成像光束保持在光折射元件(50)內(nèi)，以優(yōu)化動態(tài)全息性能?？蛇x偏振器(19)，顯示在成像光束的路徑中，用于使成像光束的偏振與光折射元件的光軸對準(zhǔn)。進(jìn)入光折射元件的至少部分成像光束通過所示元件(并且典型地另一部分成像光束將發(fā)生衍射)并傳播到探測器(60)。
通過顯示為反射鏡的光束定向元件(70)，參考光束被導(dǎo)向光折射元件(50)。一個(gè)可選半波片(71)和偏振器(73)用于使參考光束的偏振與光折射元件的光軸對準(zhǔn)?；蛘呖梢园葱枰懈詈投ㄏ蛞粋€(gè)光折射晶體。典型地參考光束關(guān)于成像光束成一個(gè)角度進(jìn)入光折射元件(50)。在該光折射元件內(nèi)，至少部分參考光束在成像光束的方向衍射，并如此傳到探測器(60)。
圖2示意性地表示光折射元件產(chǎn)生的內(nèi)部折射率光柵(100)造成的參考光束(光束1)的衍射。在圖2中，衍射的參考光束為光束1′，成像光束為光束2。還表示了光束1和2之間的干涉圖形(95)。對于某些穩(wěn)態(tài)的光折射材料，在成像光束方向衍射的參考光束部分與成像光束的相位相差π(180°)，并與成像光束發(fā)生相消干涉，在探測器處產(chǎn)生換能器的低(或零)強(qiáng)度圖像。該產(chǎn)生的光柵具有與干涉圖形相差π(180°)的相移。在其它材料中，參考光束以不同的穩(wěn)態(tài)相發(fā)生衍射?？傊谔綔y器處產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的某種強(qiáng)度圖形。如果換能器響應(yīng)化學(xué)蒸汽環(huán)境中的一個(gè)突然變化，則成像光束經(jīng)歷的光程將發(fā)生變化。直到該光折射元件適應(yīng)成像光束的光程變化，成像光束與參考光束之間的相位差才不再是其穩(wěn)態(tài)值，并且探測器處的換能器圖像將關(guān)于該穩(wěn)態(tài)換能器圖像發(fā)生強(qiáng)度變化。對來自探測器的信息進(jìn)行分析能夠測定換能器的尺寸和折射率的變化。
圖3示意性地表示一個(gè)基底(22)上的四個(gè)換能器(20a和20b)對于甲烷濃度突然增大的響應(yīng)，其中兩個(gè)換能器(20b)對于甲烷敏感，兩個(gè)換能器(20a)對于己烷敏感。在輸出圖像(80)中，對甲烷敏感的兩個(gè)換能器變亮，而對己烷敏感的兩個(gè)換能器變暗。
換能器(20)通過吸收蒸汽及產(chǎn)生可光學(xué)探測的變化，從而響應(yīng)測試蒸汽的濃度變化。例如，換能器尺寸的變化會導(dǎo)致光程的變化，而折射率的變化會導(dǎo)致光程的變化和光束強(qiáng)度的變化。所需的換能器面積依賴于所需的靈敏度，換能器面積越大，靈敏度越高。一個(gè)換能器可以支撐在一個(gè)或更多基底上。對于成像光束在到達(dá)換能器之前通過該基底的配置，選擇該基底使其不會顯著吸收成像光束，并且使其不會響應(yīng)該測試蒸汽。在圖1所示的配置中，選擇該基底具有接近棱鏡的折射率(例如載波片)?？梢允褂谜澈喜牧蠈Q能器連結(jié)到基底上或?qū)⒒紫嗷ミB結(jié)。
薄膜材料較好地用作換能器。聚合物薄膜適合用作換能器，雖然可以使用其它無機(jī)和有機(jī)材料，包含生物材料例如蛋白質(zhì)和酶。該聚合物薄膜可以摻雜另一種材料，例如金屬，以增大換能器的靈敏度。在一種工作模式下，選擇每種換能器材料使其僅相互作用于/吸收特定種類的蒸汽。這使得能夠在一個(gè)基底上制造換能器元件陣列，不同的換能器用于吸收不同的測試蒸汽。根據(jù)應(yīng)用來確定所選擇的換能器的數(shù)量，但是可以制造25、50、75、100或更多個(gè)換能器的陣列。
對于聚合物換能器，測試蒸汽在各種聚合物中的溶解度有極大差異。因此，較好的是使用對于待測蒸汽呈現(xiàn)最大響應(yīng)的聚合材料。蒸汽傳感器的現(xiàn)有技術(shù)已知的聚合物包含，但不限于，聚(N-乙烯吡咯烷酮)；聚(乙烯共醋酸乙烯)；聚(4-乙烯基苯酚)；聚(苯乙烯共烯丙醇)；聚(α-甲基苯乙烯)；聚(氯乙烯共醋酸乙烯)；聚(醋酸乙烯)；聚(甲基乙烯醚共順丁烯二酐)；聚(碳酸雙酚A)；聚(苯乙烯)；；聚(苯乙烯共順丁烯二酐)；聚(丁醛乙烯)；聚(砜)；聚(甲基丙烯酸甲酯)；聚(氯亞乙烯共丙烯腈)；聚(己內(nèi)酯)；聚(乙烯共醋酸乙烯)；聚(環(huán)氧乙烷)；聚(丁二烯)；聚(表氯醇)；聚(苯乙烯共丁二烯)；聚(五氟苯乙烯)的氧化薄荷酸鈉附加產(chǎn)品；(+)-異松蒎醇衍生的聚(p-氯苯乙烯)；聚(氟苯乙烯)；以及聚(苯乙烯共異戊二烯)(Severin等人，2000年，見上)。
對于聚合物薄膜換能器，薄膜厚度典型地在大約0.05至100微米。所需的薄膜厚度依賴于該薄膜吸收成像光束的程度。
對于沉積在一個(gè)基底上的聚合物薄膜換能器，能夠變化和影響測量的換能器特性為折射率、厚度、表面粗糙度、面積、孔隙度以及換能器與基底的粘合。在一個(gè)基底上沉積聚合物薄膜的方法包含使用一種合適的溶劑溶解該粉狀聚合物，以及手工或使用噴墨打印機(jī)將該溶液沉積到基底上。在沉積之前，通過照相平版印刷術(shù)在基底上制造光刻膠柵格，能夠用于限制聚合物溶液以及制作具有更大均勻面積的手工沉積的換能器。如果該溶劑與打印頭材料相容，則也可以使用購買的打印頭。在基底上構(gòu)成一個(gè)聚合物換能器還可以通過在Mylar或Teflon薄片上沉積聚合物溶液，使該聚合物溶液在薄片上固化并鋪成所需的換能器尺寸，以及使用粘合劑例如UV固化膠合劑使該聚合物薄片組件的薄片面連結(jié)到基底上。無論用何種方法沉積該聚合物溶液，該薄膜可以在飽和充滿該溶劑的大氣中在一個(gè)密封室內(nèi)固化，以提高薄膜厚度的均勻性。同樣也可以采用沉積聚合物薄膜的現(xiàn)有技術(shù)已知的其它方法。
一個(gè)蒸汽饋給系統(tǒng)可以用于控制與換能器保持聯(lián)系的液體中的蒸汽環(huán)境。通過使用換能器周圍的一個(gè)受控的環(huán)境“室”，該蒸汽饋給系統(tǒng)能夠使換能器環(huán)境與傳感器系統(tǒng)的其它元件周圍的環(huán)境隔離。該“室”可以使用一個(gè)O形環(huán)或現(xiàn)有技術(shù)已知的其它方法使換能器基底密封。
一個(gè)或更多氣體管線可以用于將脈沖、蒸汽的“吸入”或“呼吸”引入該“室”。測試蒸汽可以連續(xù)或以“吸入”方式提供給換能器。蒸汽饋給系統(tǒng)也可以交替將測試蒸汽和參考蒸汽提供給換能器。如這里所用的，“參考蒸汽”是為用于測量而選擇的一種蒸汽，它可以與待測或待分析的蒸汽相同或者不同。參考蒸汽可以是不包含聚合物溶脹的一種蒸汽，例如惰性氣體或例如N2、H2、O2或CO2的氣體。參考蒸汽還可以是待與測試蒸汽比較的一種蒸汽。例如，在一個(gè)香料工廠中，參考蒸汽可以是標(biāo)準(zhǔn)香料氣味。參考蒸汽還可以是從環(huán)境的新近歷史收集的一種蒸汽，或者是在測試蒸汽附近的另一個(gè)空間區(qū)域取得的一種蒸汽(例如，測試蒸汽通道可以放在一個(gè)燒杯開口的近旁，而參考蒸汽通道可以放在離開口更遠(yuǎn)處)。也可以使用許多標(biāo)準(zhǔn)參考蒸汽，并且討論中的蒸汽對照每種參考蒸汽進(jìn)行測試。一種電子的、氣動的或手工激勵(lì)的閥可以用于以穩(wěn)定的選定頻率交替地提供測試蒸汽和參考蒸汽。典型的暴露周期可以從100ms到2s。或者，可以不使用閥而通過使用注射器或通過那些熟練的技術(shù)人員已知的其它方法使測試蒸汽和參考蒸汽交替。
光折射元件可以是適合與本發(fā)明的裝置及方法一起使用的任何光折射材料。如這里所用的，一種光折射材料的折射率依賴于所加的電場。例如，Glass(A.M.Glass，(1978年)，光學(xué)工程(OpticalEngineering)，第17卷，470頁)描述了該光電效應(yīng)。合適的光折射材料包含光折射晶體。對于雙光束耦合裝置，光折射晶體較好地包含鈦酸鋇、鈮酸鋰、鈮酸鍶鋇(SBN)以及那些熟練的技術(shù)人員已知的一些其它的光折射材料和裝置。較好地，耦合強(qiáng)度(Г)乘以介質(zhì)長度(L)大于1左右，并且更好地，為大約10左右。
在圖1所示的配置中，探測器放在光折射晶體后面的圖像載波光束的路徑中。為了使用多個(gè)探測器，光束可以進(jìn)行分束，或者探測器可以模仿?lián)Q能器陣列那樣排列成一個(gè)陣列。用作許多探測器的一個(gè)電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，或者對光束敏感的其它非CCD成像陣列，可以用于記錄該響應(yīng)圖形。在上述的雙光束耦合傳感器系統(tǒng)中，相機(jī)將僅探測來自被激勵(lì)的聚合物點(diǎn)。一個(gè)光電二極管可以用于探測光束強(qiáng)度。
一個(gè)控制系統(tǒng)可以用于使探測器與蒸汽饋給系統(tǒng)同步，以增大該傳感器系統(tǒng)的靈敏度。對于使用電子開關(guān)使測試蒸汽與參考蒸汽以特定頻率交替的一個(gè)蒸汽饋給系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以使探測器的采樣頻率與驅(qū)動開關(guān)的信號同步。在從參考蒸汽到測試蒸汽的每個(gè)“吸入”周期內(nèi)，預(yù)期的系統(tǒng)響應(yīng)頻率是周期頻率的兩倍。一個(gè)鎖定放大器可以用于將采樣頻率鎖定為該“吸入”的二次諧波，并設(shè)定一個(gè)相移以允許蒸汽流動、蒸汽擴(kuò)散以及光折射晶體的響應(yīng)發(fā)生一些延遲。該步驟能夠幫助提高蒸汽引起的小信號的信噪比。
還可以使用圖1所示以及這里所述的不同于雙光束耦合形式的新型全息濾光片形式，包含那些不需要一個(gè)外部提供的參考光束的形式。兩個(gè)例子是利用光束扇形展開(放大的自發(fā)散射)以及利用自泵浦的相位共扼(Anderson和Feinberg，(1989年)，見上)。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供用于探測一個(gè)環(huán)境中測試蒸汽的濃度變化的一種方法，包括步驟提供能夠吸收該測試蒸汽的一種換能器并由此改變該換能器；使換能器暴露于該測試蒸汽；以及使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化，由此探測蒸汽的濃度變化。如這里所用的，“使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化”涉及產(chǎn)生包含關(guān)于換能器變化信息的一個(gè)干涉圖形；使用動態(tài)全息介質(zhì)或復(fù)制動態(tài)全息介質(zhì)功能的一個(gè)設(shè)備產(chǎn)生基于干涉圖形的一個(gè)全息圖；以及讀出所產(chǎn)生的全息圖。
探測換能器的變化可以有幾種方式。在上述雙光束耦合方法中，相干光源產(chǎn)生一個(gè)源光束，分成成像光束和參考光束。成像光束與換能器相互作用。然后在光折射元件內(nèi)產(chǎn)生基于成像光束與參考光束的干涉的一個(gè)全息圖。該全息圖包含關(guān)于換能器變化以及因此關(guān)于測試蒸汽濃度變化的信息。讀出該全息圖形成成像光束與如上所述在探測器處的全息讀出的部分之間的干涉圖形。在探測器處測量的干涉圖形可以用于測定換能器的變化以及因此測定測試蒸汽的濃度變化。
在另一種工作模式下，該源光束用作第一成像光束，因?yàn)樵谠垂馐c換能器相互作用之前沒有分離出參考光束。而是，第一成像光束在其與換能器相互作用之后才被分成第二成像光束和第三成像光束。使用一個(gè)光折射元件或數(shù)字全息術(shù)，第二和第三成像光束相互作用，以產(chǎn)生一個(gè)全息圖?？梢宰x出該全息圖以測定測試蒸汽的濃度變化。
在又一種工作模式下，該源光束再次用作一個(gè)成像光束，因?yàn)闆]有分離出參考光束。在該成像光束與換能器相互作用之后，它被用于在一個(gè)光折射元件內(nèi)部產(chǎn)生全息圖。在此情況下，該全息圖是基于成像光束與來自該成像光束的放大的散射光(光折射扇形散開)的相互作用?？梢宰x出該全息圖以測定測試蒸汽的濃度變化。
更通常地，本發(fā)明的方法及裝置可以采用一個(gè)動態(tài)全息介質(zhì)。如這里所用的，動態(tài)全息介質(zhì)包含光折射材料以及能夠幾乎同時(shí)執(zhí)行實(shí)時(shí)動態(tài)全息術(shù)的同等介質(zhì)。當(dāng)采用光折射材料時(shí)，在一個(gè)空間記錄裝置例如CCD相機(jī)、光電二極管陣列或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)相機(jī)上記錄干涉圖形。一個(gè)信息處理裝置例如計(jì)算機(jī)或微處理器可以用于處理所記錄的空間信息。在使用數(shù)字全息術(shù)的嗅覺傳感器系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，動態(tài)全息介質(zhì)以及與該動態(tài)全息介質(zhì)具有光學(xué)聯(lián)系的探測器被一個(gè)空間記錄裝置和一個(gè)信息處理裝置所取代。數(shù)字全息術(shù)技術(shù)對于那些熟練的技術(shù)人員是已知的。
在本發(fā)明的采用一個(gè)參考光束和一個(gè)成像光束的方法中，該參考光束或成像光束可以進(jìn)行相位調(diào)制，以在參考光束與成像光束之間引入一個(gè)額外的周期性的相對相位變化。相位調(diào)制還可用于一個(gè)設(shè)備中，其中沒有參考光束，并且成像光束在其與換能器相互作用之后才被分束(具有增強(qiáng)的動態(tài)相位分辨能力的光束扇形展開的新型濾光片，H.Rehn等人，(1995年)，應(yīng)用光學(xué)增訂本(Applied Optics-OT)，第34卷，第2期，4907頁)。相位調(diào)制可以增大探測器信號的信噪比。相位調(diào)制是已知技術(shù)，例如Rehn等人(1995年)描述過。在圖1所示的實(shí)驗(yàn)性的雙光束設(shè)備中，通過將一個(gè)壓電裝置附到反射鏡(70)上以平移該反射鏡，并且由此在參考光束上施加一個(gè)周期性的相位變化，可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。在一個(gè)雙光束設(shè)備中，該相位調(diào)制器可以放在任一光束中，以及可以放在分束器之后和光折射元件或等價(jià)物之前的任何位置。在一個(gè)單光束設(shè)備中，該相位調(diào)制器可以放在光源之后和光折射元件或等價(jià)物之前的任何位置。可以使用其它的相位調(diào)制方法，以及現(xiàn)有技術(shù)已知的例如使用電光調(diào)制器(EOM)的相位調(diào)制器。正弦波、方波以及其它周期函數(shù)可以用于本發(fā)明的相位調(diào)制方法中。本發(fā)明的采用相位調(diào)制的方法能夠探測十億分之幾的水平。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供了用于測定測試蒸汽的濃度的一種方法，該測試蒸汽的濃度不是必須變化的。在該方法中，一種參考蒸汽和該待測蒸汽可以交替地提供給換能器。參考蒸汽與測試蒸汽之間的變化產(chǎn)生該換能器可見的蒸汽環(huán)境變化，使用上述方法可以探測該變化。通過現(xiàn)有技術(shù)已知的方法可以對該變化進(jìn)行量化并使其與蒸汽濃度發(fā)生關(guān)聯(lián)。
本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步提供用于探測環(huán)境中多種測試蒸汽的濃度變化的一種方法，包括步驟提供多個(gè)換能器，每個(gè)換能器能夠吸收一種測試蒸汽，并且由此改變換能器，其中選擇這些換能器使得至少一個(gè)單獨(dú)的換能器吸收每種測試蒸汽；以及使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器中的變化，并且分析該變化，由此探測測試蒸汽的濃度變化。
本發(fā)明的實(shí)施例還提供了用于探測液體環(huán)境中測試吸收劑的濃度變化的一種方法，包括步驟提供能夠吸收該測試吸收劑的一種換能器并由此改變該換能器；使換能器暴露于該測試吸收劑；以及使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化，由此探測吸收劑的濃度變化。該測試吸收劑濃度的變化會導(dǎo)致?lián)Q能器尺寸的變化、換能器折射率的變化和/或使用動態(tài)全息術(shù)能夠光學(xué)探測的其它變化。
在本發(fā)明的方法中，換能器暴露于測試蒸汽和測試吸收劑時(shí)的變化可以是使用動態(tài)全息術(shù)能夠光學(xué)探測的任何變化。例如，該換能器的尺寸和/或折射率可能發(fā)生變化。
例子1-換能器陣列的制造標(biāo)定陣列在單個(gè)載波片上制造16個(gè)聚(N-乙烯吡咯烷酮)換能器的陣列，該換能器吸收水和乙醇。使用注射器手工使該聚合物溶液沉積到載波片上來制造換能器。水被用作溶劑。從CCD相機(jī)上顯示的圖像讀出每個(gè)圓形換能器的直徑約為0.4mm。
2乘2陣列在單個(gè)載波片上制造具有兩種類型的聚合物，聚(N-乙烯吡咯烷酮)和聚(乙烯共醋酸乙烯)的一個(gè)2乘2陣列。兩個(gè)換能器由聚(N-乙烯吡咯烷酮)制成，吸收水和乙醇；兩個(gè)換能器由聚(乙烯共醋酸乙烯)制成，吸收己烷。使用一個(gè)注射器手工使聚合物溶液沉積在該載波片上來制造換能器。環(huán)氧乙醇被用作聚(N-乙烯吡咯烷酮)的溶劑，而甲苯被用作聚(乙烯共醋酸乙烯)的溶劑。每個(gè)圓形換能器的直徑約為0.7mm。
例子2-雙光束耦合傳感器系統(tǒng)構(gòu)造了與圖1所示類似的一個(gè)雙光束耦合傳感器系統(tǒng)并表明了其操作。該系統(tǒng)約為14cm×11cm。相干光源為一個(gè)固態(tài)雙頻激光器，選擇532nm作為工作波長(晶體激光器)。該激光器具有75mW的功率以及大約0.8～1.5mm的初始光束直徑。光束整形元件用于使光束擴(kuò)成5cm乘5cm的方形光束。如上所述在蓋玻片上制造換能器。所述的系統(tǒng)能夠分析多于16個(gè)元件的換能器陣列，并且應(yīng)當(dāng)能夠分析100個(gè)元件的換能器陣列。通過使用換能器周圍的一個(gè)受控的環(huán)境“室”，該蒸汽饋給系統(tǒng)使換能器環(huán)境與傳感器系統(tǒng)的其它元件周圍的環(huán)境隔離。一個(gè)電子閥以大約1.75Hz的“吸入”周期頻率交替地提供測試蒸汽和參考蒸汽到該“室”。該光折射元件為鈦酸鋇晶體，耦合強(qiáng)度(Г)約為6.2。一個(gè)CCD相機(jī)(動態(tài)范圍約為70dB)和一個(gè)光電二極管(動態(tài)范圍約為100dB)都被用作探測器。該相機(jī)和光電二極管都是低噪聲的。為了使機(jī)械噪聲最小，干涉儀與可能產(chǎn)生機(jī)械振動的系統(tǒng)其它部分(例如閥、泵)隔離。使干涉儀隔離的一種方法是將其放在由橡膠減震器或其它減震材料支撐的一個(gè)罩中或者熟練的技術(shù)人員已知的裝置上。
該系統(tǒng)被標(biāo)定以測定光束相移與系統(tǒng)輸出功率之間的關(guān)系。為了標(biāo)定該系統(tǒng)，在參考光束中放入一個(gè)壓電驅(qū)動的反射鏡。該反射鏡的平移調(diào)制光束的相位。該系統(tǒng)的最小可探測平移，對于大約10秒的積分時(shí)間為0.1nm，對于大約1秒的積分時(shí)間為0.45nm。
還使用上述標(biāo)定傳感器陣列來標(biāo)定測試蒸汽的濃度與該系統(tǒng)的輸出功率。圖4顯示探測器讀出與乙醇蒸汽的濃度之間的關(guān)系。該標(biāo)定探測器陣列可探測的最小乙醇蒸汽濃度為40ppm。同一陣列可探測的最小水蒸汽濃度為41ppm。從標(biāo)準(zhǔn)化方面來說，該探測極限還可以表示為ppbmm2/Hz.]]>通過使聚合物在如上所述的一個(gè)密封室內(nèi)固化，可以使換能器獲得提高的表面質(zhì)量，從而對于水蒸汽得到8.3ppbmm2/Hz]]>的提高的靈敏度。
使用上述的2乘2陣列測試圖形識別。圖5A-5C顯示乙醇的響應(yīng)圖形(5A)、己烷的效應(yīng)圖形(5B)以及乙醇和己烷混合物的響應(yīng)圖形(5C)。在圖5A-5C中，圖5C中兩種聚合物的響應(yīng)比圖5A或圖5B弱，因?yàn)楸粶y試混合物中的每種蒸汽的濃度較低。
圖6顯示該傳感器系統(tǒng)對于蒸汽環(huán)境的濃度變化的響應(yīng)。在圖6中，該“吸入”控制信號的高電壓水平表示該系統(tǒng)“吸入”參考蒸汽，低電壓水平表示該系統(tǒng)“吸入”測試蒸汽。“吸入”控制信號的前部邊緣處的峰值比后部邊緣處的峰值高得多。這是因?yàn)楫?dāng)參考蒸汽進(jìn)入該系統(tǒng)時(shí)蒸汽濃度的梯度較大。響應(yīng)大小隨蒸汽濃度的減少而下降。
研究了最小可探測信號與換能器面積之間的關(guān)系。聚(N-乙烯吡咯烷酮)換能器厚度為10與20微米之間。換能器在載波片上制造，每個(gè)載波片具有不同數(shù)量的換能器。該換能器使用上述手工沉積方法制造。圖7顯示換能器的靈敏度與面積之間的關(guān)系。由圖可知，該關(guān)系看起來接近線性。測量的積分時(shí)間為一秒。
例子3-具有參考光束相位調(diào)制的雙光束耦合傳感器系統(tǒng)對例子2的雙光束耦合傳感器系統(tǒng)進(jìn)行修改，通過附加一個(gè)壓電裝置以驅(qū)動反射鏡(70)，由此對參考光束進(jìn)行相位調(diào)制。參考光束上的調(diào)制信號的幅度為1.3弧度(110nm)，頻率為6.2Hz。蒸汽信號吸入周期頻率約為1.4Hz。
圖8顯示對于具有與例子1所述類似的厚度和面積的聚(N-乙烯吡咯烷酮)換能器陣列，探測器信號作為乙醇蒸汽濃度的函數(shù)。測量的積分時(shí)間為5秒。以吸入周期頻率觀察探測器信號(探測器與吸入周期頻率同步)。乙醇蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)化靈敏度約為60ppbmm2/Hz.]]>那些普通熟練的技術(shù)人員將意識到裝置元件、方法步驟和材料、本發(fā)明包含的所有已知的功能等價(jià)物都存在等價(jià)物。這里引用的所有參考在不與本公開矛盾的程度下特此并入?yún)⒖肌?br> 權(quán)利要求
1.一種用于探測環(huán)境中測試蒸汽的濃度變化的方法，包括步驟a)提供能夠吸收該測試蒸汽的換能器，并由此改變該換能器；b)使換能器暴露于該測試蒸汽；以及c)使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化，由此探測測試蒸汽的濃度變化。
2.權(quán)利要求1的方法，其中探測換能器中的變化是通過a)產(chǎn)生一個(gè)相干光源光束；b)將該源光束分成成像光束和參考光束；c)確定至少一個(gè)換能器的位置，使其與成像光束相互作用，其中該換能器能夠吸收該測試蒸汽，由此改變該換能器；d)在成像光束與換能器相互作用之后，使成像光束和參考光束合并，由此產(chǎn)生一個(gè)干涉圖形；e)使用動態(tài)全息術(shù)基于該干涉圖形產(chǎn)生一個(gè)全息圖；以及f)讀出該全息圖，由此探測該測試蒸汽的濃度變化。
3.權(quán)利要求1的方法，其中探測換能器中的變化是通過a)產(chǎn)生一個(gè)相干光源光束作為第一成像光束；b)確定至少一個(gè)換能器的位置，使其與第一成像光束相互作用，其中該換能器能夠吸收該測試蒸汽，由此改變該換能器；c)在第一成像光束與換能器相互作用之后，將第一成像光束分成第二成像光束和第三成像光束；d)使第二成像光束和第三成像光束合并，由此產(chǎn)生一個(gè)干涉圖形；e)使用動態(tài)全息術(shù)基于該干涉圖形產(chǎn)生一個(gè)全息圖；以及f)讀出該全息圖，由此探測該測試蒸汽的濃度變化。
4.權(quán)利要求1的方法，其中探測換能器中的變化是通過a)產(chǎn)生一個(gè)相干光源光束作為一個(gè)成像光束；b)確定至少一個(gè)換能器的位置，使其與成像光束相互作用，其中該換能器能夠吸收該測試蒸汽，由此改變該換能器；c)在成像光束與換能器相互作用之后，使用動態(tài)全息術(shù)在一個(gè)光折射元件內(nèi)產(chǎn)生全息圖，該全息圖是基于該成像光束與來自該成像光束的放大的散射光之間的相互作用；以及d)讀出該全息圖，由此探測該測試蒸汽的濃度變化。
5.權(quán)利要求1的方法，包括使用動態(tài)全息術(shù)在一個(gè)光折射元件內(nèi)產(chǎn)生全息圖。
6.權(quán)利要求1的方法，包括使用動態(tài)全息術(shù)數(shù)字地產(chǎn)生一個(gè)全息圖。
7.權(quán)利要求5的方法，進(jìn)一步包括在一個(gè)探測器處讀出該全息圖并分析該全息讀出。
8.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括使測試蒸汽和參考蒸汽交替地暴露于換能器的步驟。
9.權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括使用動態(tài)全息術(shù)在一個(gè)光折射元件內(nèi)產(chǎn)生全息圖，在一個(gè)探測器處讀出該全息圖并分析該全息讀出，以及使探測器與測試蒸汽和參考蒸汽的交替速率同步。
10.權(quán)利要求1的方法，其中該換能器是支撐在一個(gè)基底上的聚合物薄膜。
11.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括使多個(gè)換能器暴露于測試蒸汽。
12.權(quán)利要求1的方法，其中濃度變化在大約5秒內(nèi)被探測。
13.權(quán)利要求1的方法，其中濃度變化在大約2秒內(nèi)被探測。
14.權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)換能器暴露于測試蒸汽時(shí)，其尺寸發(fā)生變化。
15.權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)換能器暴露于測試蒸汽時(shí)，其折射率發(fā)生變化。
16.權(quán)利要求1的方法，其中當(dāng)換能器暴露于測試蒸汽時(shí)，其尺寸和折射率發(fā)生變化。
17.一種用于探測環(huán)境中多種測試蒸汽的濃度變化的方法，包括步驟a)提供多個(gè)換能器，每個(gè)換能器能夠吸收一種測試蒸汽，并由此改變該換能器，其中選擇這些換能器使得至少一個(gè)單獨(dú)的換能器吸收每種測試蒸汽；b)使換能器暴露于該測試蒸汽；以及c)使用動態(tài)全息術(shù)探測換能器的變化，由此探測測試蒸汽的濃度變化。
18.一種用于測定環(huán)境中的測試蒸汽的濃度的方法，包括步驟a)提供能夠吸收該測試蒸汽的換能器，并由此改變該換能器；b)將測試蒸汽和參考蒸汽交替地提供給換能器；以及c)使用動態(tài)全息術(shù)探測當(dāng)測試蒸汽和參考蒸汽交替時(shí)換能器的變化，由此探測測試蒸汽的濃度。
19.一種用于探測環(huán)境中測試蒸汽的濃度變化的嗅覺傳感器系統(tǒng)，包括a)能夠產(chǎn)生光束的一個(gè)相干光源；b)與該光源保持光學(xué)聯(lián)系的一個(gè)換能器，在與環(huán)境保持聯(lián)系的液體中并能夠響應(yīng)測試蒸汽的濃度變化；c)與該換能器保持光學(xué)聯(lián)系的一個(gè)動態(tài)全息介質(zhì)；以及d)與該動態(tài)全息介質(zhì)保持光學(xué)聯(lián)系的一個(gè)探測器，其中至少一部分光束從光源傳到換能器、從換能器傳到動態(tài)全息介質(zhì)以及從動態(tài)全息介質(zhì)傳到探測器。
20.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，其中所述探測器具有一個(gè)采樣速率，并且進(jìn)一步包括一個(gè)蒸汽饋給系統(tǒng)，該蒸汽饋給系統(tǒng)能夠以交替速率將測試蒸汽和參考蒸汽交替地提供給該換能器，以及能夠使探測器的采樣速率與交替速率同步的一個(gè)控制設(shè)備。
21.權(quán)利要求20的傳感器系統(tǒng)，其中該控制設(shè)備是一個(gè)鎖定放大器。
22.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，其中該探測器包括一個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)光電二極管。
23.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與探測器保持電聯(lián)系的分析設(shè)備。
24.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)是便攜式的。
25.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，其中該換能器為聚合物薄膜。
26.權(quán)利要求19的傳感器系統(tǒng)，包括多個(gè)換能器。
27.權(quán)利要求26的傳感器系統(tǒng)，其中至少兩個(gè)換能器在構(gòu)成上是不同的。
28.一種用于探測環(huán)境中測試蒸汽的濃度變化的嗅覺傳感器系統(tǒng)，包括a)位于基底上的至少一個(gè)換能器，其中該換能器在與環(huán)境保持聯(lián)系的液體中，并且能夠響應(yīng)測試蒸汽的濃度變化；b)一個(gè)蒸汽饋給系統(tǒng)；c)一個(gè)干涉儀系統(tǒng)，包括i)能夠產(chǎn)生源光束的一個(gè)相干光源，ii)用于將源光束分成成像光束和參考光束的一個(gè)分束器，iii)用于使成像光束導(dǎo)向換能器的至少一個(gè)成像光束定向元件；iv)在成像光束與換能器相互作用之后放在成像光束路徑上的一個(gè)偏振更改元件；v)至少一個(gè)參考光束定向元件，用于定向該參考光束，使其可以在成像光束與換能器相互作用之后與成像光束合并；vi)在參考光束路徑上的一個(gè)偏振控制元件；d)一個(gè)光折射元件，其放置位置使得成像光束與參考光束在該光折射元件內(nèi)干涉，該光折射元件能夠產(chǎn)生一個(gè)全息圖；以及e)與該光折射元件保持光學(xué)聯(lián)系的至少一個(gè)探測器。
29.權(quán)利要求28的傳感器系統(tǒng)，其中該探測器具有一個(gè)采樣速率，并且該蒸汽饋給系統(tǒng)能夠以交替速率將測試蒸汽和參考蒸汽交替地提供給該換能器，以及進(jìn)一步包括能夠使探測器的采樣速率與交替速率同步的控制設(shè)備。
30.權(quán)利要求29的傳感器，其中該控制設(shè)備包括一個(gè)鎖定放大器。
31.權(quán)利要求28的傳感器，進(jìn)一步包括與該探測器保持電聯(lián)系的分析設(shè)備。
32.權(quán)利要求28的傳感器系統(tǒng)，其中該探測器包括一個(gè)CCD相機(jī)和一個(gè)光電二極管。
33.權(quán)利要求2的方法，其中該參考光束被相位調(diào)制。
34.權(quán)利要求28的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)相位調(diào)制器，放在分束器之后和光折射元件之前的參考光束路徑上。
全文摘要
本發(fā)明涉及蒸汽的光學(xué)探測，尤其涉及使用動態(tài)全息術(shù)探測蒸汽濃度和蒸汽濃度變化的裝置及方法。該裝置及方法采用一個(gè)換能器吸收待測的蒸汽，由此導(dǎo)致?lián)Q能器的變化。換能器的變化導(dǎo)致與該換能器相互作用的一個(gè)成像光束的光程發(fā)生變化。動態(tài)全息術(shù)能夠測定該換能器的尺寸及折射率的變化，因而能夠測定待測蒸汽的濃度變化。本發(fā)明的裝置及方法能夠通過一個(gè)換能器陣列測試多種蒸汽。
文檔編號G01N21/77GK1659416SQ03813300
公開日2005年8月24日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者葉宏科, 奧溫德·尼爾森, 戴納·Z·安德森, 維克托·M·布萊特 申請人:科羅拉多州立大學(xué)董事會