DE3605598A1 - Method and device for measuring the fluorescence decay time (afterglow time) of a fluorescing substance - Google Patents

Method and device for measuring the fluorescence decay time (afterglow time) of a fluorescing substance

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Abstract

The subject-matter of the invention are a method and a device for measuring the fluorescence decay time of the radiation of a fluorescing substance whose fluorescence decay time depends on at least one physical magnitude. The fluorescence radiation is fed back onto the output radiation in a resonant circuit whose frequency is a measure of the physical magnitude. The fluorescence radiation is thereby fed to a photoelectric receiver whose output signals are fed after phase-sensitive rectification and integration to a voltage-controlled oscillator. The fluorescence radiation is rectified only in the decay phase in an alternating fashion sensitive to phase. The total times of the rectification sections of different length are the same in the two directions. The alternatingly rectified signals are integrated. <IMAGE>

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.The invention relates to a method and a Device for measuring the fluorescence decay time of the Radiation from a fluorescent substance whose fluorescence Cooldown of at least one physical quantity depends on the fluorescence radiation on the Output radiation is fed back in a resonant circuit, whose frequency is a measure of the physical quantity, where Fluorescence radiation fed to a photoelectric receiver is, the output signals after phase sensitive Rectification and integration of a voltage controlled Oscillator are fed.

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.A method and a device of this type are known in connection with a fiber-optic temperature meter (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). The fiber-optic temperature meter contains a luminescent substance, which is part of a self-oscillating system, the oscillation period T of which in the steady state is proportional to the luminescence relaxation time, as long as the signal transit time within the evaluation electronics can be neglected compared to the relaxation time τ . A photodiode signal, which is rectified and integrated in a phase-sensitive manner, determines the frequency of a voltage-controlled oscillator (VCO), which is therefore a clear function of the luminescence relaxation time.

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.A fiber-optic temperature sensor is also known, in which the fluorescent radiation from a sinusoidally modulated Spotlight is excited. That from the time delayed Fluorescent light signal is picked up by a timer the control of the modulator fed back. Which is in the Self-excited resonant circuit frequency is dependent of the fluorescence decay time and therefore of all physical quantities that influence them (DE-OS 31 02 089). The fiber optic temperature sensor described at the beginning has the advantage over the temperature sensor explained last, that there is little noise and that the Sensitivity and accuracy can be improved.

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.When the output signal of the photoelectric receiver during the excitation phase and the decay phase of the Fluorescence radiation is integrated, are measures for Suppression of crosstalk from the source of excitation and It is necessary to check the timing of the excitation. It need optical filters and electronic Scattered light compensation measures are used. Farther must the power absorbed by the luminescent substance be managed. Due to a considerable susceptibility to failure of this Measures against the crosstalk of the excitation channel proves even the use of fiber optic connectors due to the reflections occurring in them as problematic. In addition, there is a resonant excitation at which is the excitation wavelength range with the Luminescence wavelength range largely corresponds,  practically not possible because the stray light is suppressed no longer carried out by optical filters in this case can be.

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.The invention has for its object a method of to further develop the genus described above in such a way that the impairment of the measuring accuracy by crosstalk and DC drift is eliminated.

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.The object is achieved by the in claim 1 described measures that are characterized by that the fluorescent radiation only in the decay phase alternating phase sensitive is rectified in such a way that the total times of the different lengths Rectification sections in the two different directions are the same and that the alternating rectified signals to get integrated.

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.The difficulties encountered in the prior art will be avoided when the output signal of the photoelectric Only outside the stimulation phases of the Fluorescence radiation rectified and phase sensitive is integrated. The method according to claim 1 is thus crosstalk neutral. The one to remove the influence of the Crosstalk is not necessary.

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.In a preferred embodiment, in each Decay phase two rectification sections in one Direction on either side of a rectification section in the provided in another direction. The number of required Changes in direction are very small. The influence of DC Drifting on measurement accuracy is described with the above Procedure removed. The procedures don't just show at simple exponential decay in the decay phase the above stated benefits. Even with complicated timings the benefits achievable when the number and duration of the  Rectification sections to the typical process is adjusted. A strictly monotonous decrease in the decay signal should be available.

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.A device for performing the in claim 1 or 2 The method described according to the invention is that these output signals from the photoelectric receiver inverted and non-inverted via two switches each alternately on the inverting or non-inverting Input of a differential amplifier can be applied, both of which Inputs to the same during the excitation phases Reference potential are set and its output with a Integrator is connected, the one of a logic circuit for the switch actuation controllable sample and hold circuit is connected downstream to which the control input of the voltage controlled oscillator is connected. These Device has a very simple circuit Construction. This results in special advantages in connection with the evaluation electronics of a fiber optic temperature sensor, in which a fluorescent substance optically over a Optical fiber is excited, the luminescence Relaxation time has a strong temperature dependence. The The relaxation time to be determined is then a measure of the Temperature of the fluorescent substance.

Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.The use of the invention is not specific to this Application limited.

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.The output signal of the photoelectric receiver is expediently an inverting via a preamplifier and fed to a non-inverting amplifier whose Outputs are two switches downstream of which one each to the inverting and the other to the non-inverting input of the differential amplifier is connected, the inputs of which continue to be via one Switches with ground potential can be connected.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.Further details, features and advantages of the invention result not only from the claims, but also from the following description of the drawings Embodiments.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Fluoreszenz-Abklingzeit einer fluoreszierenden Substanz, Fig. 1 is an overview diagram of a device for measuring the fluorescence decay time of a fluorescent substance,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines photoelektrischen Empfängers der Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftretenden Signale, FIG. 2 shows a time diagram of the signals occurring at the output of a photoelectric receiver of the device according to FIG. 1, FIG.

Fig. 3 ein Zeitdiagramm der am Ausgang eines phasenempfindlichen Gleichrichters gemäß Fig. 1 auftretenden Signale, Fig. 3 is a timing diagram of the signals occurring at the output of a phase-sensitive rectifier of FIG. 1,

Fig. 4 den Schaltungsaufbau eines phasenempfindlichen Gleichrichters und Fig. 4 shows the circuit structure of a phase sensitive rectifier and

Fig. 5 ein Zeitdiagramm von Steuersignalen für Schalter im phasenempfindlichen Gleichrichter. Fig. 5 is a timing diagram of control signals for switches in the phase sensitive rectifier.

Bei einfach exponentiellen Relaxationsvorgängen, läßt sich der zeitliche Intensitätsverlauf nach der Anregung durch die GleichungWith simple exponential relaxation processes, the temporal intensity curve after the suggestion by the equation

I (t) = Io e -t/τ I ( t ) = Io e - t / τ

beschreiben, worin I die Intensität der Strahlung, Io die Anfangsintensität und τ die Lumineszenz-Relaxationszeit sind. describe where I is the intensity of the radiation, Io the initial intensity and τ the luminescence relaxation time.

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: Suppression of DC drifting is possible with phase-sensitive rectification e.g. B. with symmetrical time intervals Δ T is not possible, as follows from the following inequality:

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:A modified, alternating, phase-sensitive rectification according to the following relationship represents a surprisingly simple way of eliminating the influence of crosstalk and the influence of DC drift processes: if the following relationship exists between T 1 , T 2 , T 3 , T 4 and Δ T :

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

mitWith

n 1 + n 3 = n 2 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. n 1 , n 2 and n 3 are factors by which the respective time segments differ as a multiple of the time interval Δ T. So it is phase-sensitive in the decay phase of the fluorescence radiation alternately rectified in different directions. There are rectification sections n 1 Δ T and n 3 Δ T in one direction and n 2 Δ T in the other direction or polarity. The total times of the rectification sections in the two directions must be the same in each case.

Beispielsweise erhält man fürFor example, you get for

n 1 = 1
n 2 = 3
n 3 = 2 n 1 = 1
n 2 = 3
n 3 = 2

im eingeschwungenen Zustand die dann mit dem Zeitintervall Δ T übereinstimmende Schwingungsdauer durch die Gleichung:in the steady state, the period of oscillation which then coincides with the time interval Δ T by the equation:

T = -ln (1/2 (√-1)) τ ≈ 0,481 τ 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.Other combinations n 1 , n 2 and n 3 are also possible, provided the conditions n 1 + n 2 = n 3 are met . For strictly monotonously decaying signals, the duty cycle n 1 : n 2 : n 3 must be adjusted accordingly.

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. Fig. 1 shows an example of the basic construction of a fiber optic temperature sensor, in which the luminescence relaxation time is evaluated through the use of alternating phase-sensitive rectification without costly measures to suppress the crosstalk of the excitation channel.

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.A light-emitting diode ( 1 ) (LED) is periodically supplied with operating voltage via a switch ( 2 ). The radiation emitted by LED 1 is e.g. B. coupled via an unspecified optics in an optical waveguide, at the other end a luminescent substance is attached. Optics, optical fibers and luminescent substance correspond to e.g. B. the arrangement shown in DE-OS 32 02 089. The luminescent light emanating from the substance is converted via the optical waveguide and a beam splitter ( 3 ) into a photoelectric receiver ( 4 ) z. B. a photodiode.

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.The signal U PD shown in FIG. 2 occurs at the output of the photoelectric receiver ( 4 ). This signal reaches a phase-sensitive rectifier ( 5 ) which is controlled by a logic circuit ( 6 ) which also controls the preferably contactless switch ( 2 ). The phase-sensitive rectifier ( 5 ) is followed by an integrator ( 7 ) to which a sample and hold circuit ( 8 ) is connected, which is also controlled by the logic circuit ( 6 ). The control input of a voltage-controlled oscillator (VCO) ( 9 ), the output of which is connected to an input of the logic circuit ( 6 ), is connected to the sample and hold circuit ( 8 ).

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.In FIG. 4, the basic structure of the phase-sensitive rectifier (5) is illustrated. The output signal U PD of the photoelectric receiver ( 4 ) is connected to the input of a preamplifier ( 10 ), the output of which feeds a non-inverting and an inverting amplifier ( 11 ) or ( 12 ). The output of the non-inverting amplifier ( 11 ) is connected to two, preferably contactless switches ( 13, 14 ). Two, preferably contactless switches ( 15, 16 ) are connected to the output of the inverting amplifier ( 12 ). The switches ( 13, 15 ) are connected to the non-inverting input of a differential amplifier ( 17 ), the inverting input of which is connected to the switches ( 14, 16 ). The non-inverting and the inverting input of the differential amplifier ( 17 ) can be connected to ground potential via a switch ( 18, 19 ). The preamplifier ( 10 ) is a low-noise transimpedance amplifier. The signal U PH occurs at the output of the differential amplifier ( 17 ), the time profile of which is shown in FIG. 3. The switches ( 13 ) to ( 16 ) and ( 18, 19 ) are controlled by the logic circuit ( 6 ). The switches ( 18, 19 ) are closed during the excitation phase. The switches ( 18, 19 ) are open during the decay phase. The closing time of the switch ( 2 ) defines the pulse duration within a period of the excitation oscillation.

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.In contrast to the phase-sensitive rectification with equally long directly successive addition and subtraction phases, with which outside the excitation phase with a strictly monotonously falling received signal U PD after the integration of the output signal of the phase-sensitive rectifier U PH within the control loop, no zero adjustment is possible according to the invention achieved that an addition and subtraction phase of different lengths is followed by an addition phase, with only the total duration of the two addition phases matching the duration of the subtraction phase, a necessary condition for eliminating DC drifts of the input signal U PD . The respective duration of the addition and subtraction phases is determined by the position of the switches ( 13 ) to ( 16 ) and ( 18, 19 ), which are controlled by logic. In the case of a signal that decays simply exponentially, a clock ratio of 1: 3: 2 is suitable. However, the invention is not restricted to this type of signal, but also enables the evaluation of more complex monotonically decaying signals by means of correspondingly adaptable duty cycles 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. FIG. 5 shows an example for the above-mentioned combination n 1 = 1, n 2 = 3 and n 3 = 2 in a time diagram the position of which is controlled by the logic circuit (6) switch (13) to (16) and (18 , 19 ). During the excitation phase (switch ( 2 ) closed), the inputs of the differential amplifier ( 17 ) are set to zero potential via switches ( 18 ) and ( 19 ). After phase-sensitive rectification, the signal U PH is integrated in the integrator ( 7 ) and taken over by the sample and hold circuit ( 8 ) during the excitation phase, the output signal of which controls the voltage-controlled oscillator (VCO) ( 9 ). In the steady state, the period of oscillation Δ T is proportional to the relaxation time τ . The relationship between Δ T and τ is determined by the clock combination n 1 , n 2 and n 3 . For the above example n 1 = 1, n 2 = 3, n 3 = 2, Δ T ≈ 0.481 τ applies.

Die Impulse des spannungsgesteuerten Oszillators (9) sind in Fig. 5 mit (20) bezeichnet.The pulses of the voltage-controlled oscillator ( 9 ) are denoted by ( 20 ) in FIG. 5.

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).The switches ( 13 ) and ( 16 ) and ( 15 ) and ( 14 ) are each open or closed at the same time. After opening the switches ( 18, 19 ), the switches ( 13, 16 ) for the rectification section determined by T are first closed. After that, the switches (13, 16) are opened, while the switch (15, 14) are closed for the particular by n 2 · Δ T rectification section. Subsequently, the switch (15, 14) is opened and the switch (13, 16) is closed again for the particular by n 3 · Δ T rectification section. Then an excitation phase begins by closing switch ( 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.In the logic circuit ( 6 ), a counter clocked by the VCO ( 9 ) is preferably used in conjunction with a demultiplexer to control the analog CMos switches. With the cycle combination specified above, the counter is reset after every eight cycles. The logic circuit ( 8 ) can of course also be implemented with a µP.

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.The oscillation circuit is closed by the logic circuit ( 6 ). The logic circuit ( 6 ) reduces the frequency of the voltage-controlled oscillator ( 9 ), for example vibrating at a higher frequency, to the frequency of the oscillation consisting of an excitation and a decay phase, which is decisive for the closing time and opening time of the switch ( 2 ). The closing times of the switches ( 13, 16 ) and ( 14, 15 ) each define a rectification section, one polarity being determined by the switches ( 13, 16 ) and the other polarity by the switches ( 14, 15 ).

Das Ausgangssignal des Integrators (7) wird jeweils am Ende des in einer Abklingphase letzten phasenempfindlichen Gleichrichtungsabschnitts in die Abtast- und Halteschaltung (8) übernommen.The output signal of the integrator ( 7 ) is transferred to the sample and hold circuit ( 8 ) at the end of the phase-sensitive rectification section that is last in a decay phase.

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.The rectification sections extend at least over the duration of an oscillation period or oscillation period Δ T. Rectification sections that are longer than the oscillation period of the VCO ( 9 ) extend over multiples of these oscillation periods.

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.1. A method for measuring the fluorescence decay time of the radiation of a fluorescent substance, the fluorescence decay time depends on at least one physical variable, by feeding the fluorescent radiation back onto the output radiation in a resonant circuit, the frequency of which is a measure of the physical variable, fluorescent radiation a photoelectric receiver is supplied, the output signals of which are fed to a voltage-controlled oscillator after phase-sensitive rectification and integration, characterized in that the fluorescent radiation is rectified phase-sensitive alternately only in the decay phase in such a way that the total times of the differently long rectification sections in the two different directions are the same and that the alternating rectified signals are integrated. 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. 2. The method according to claim 1, characterized, that at each decay phase two rectification sections in one direction on either side of a rectification section are provided in the other direction.   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.3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that the output signals of the photoelectric receiver ( 4 ) inverted and non-inverted in each case via two switches ( 13, 14; 15, 16 ) alternately to the inverting or non-inverting input of a differential amplifier ( 17 ) can be applied, the two inputs of which are connected to the same reference potential during the excitation phases and the output of which is connected to an integrator ( 7 ) which is followed by a sample and hold circuit controllable by a logic circuit for the switch actuation, to which the control input of the voltage-controlled oscillator ( 9 ) is connected. 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.4. The device according to claim 3, characterized in that a preamplifier ( 10 ) is connected to the photoelectric receiver ( 4 ), which feeds a non-inverting amplifier ( 11 ) and an inverting amplifier ( 12 ) that the two switches ( 13, 14th ; 15, 16 ) are connected downstream of the non-inverting and inverting amplifiers ( 15, 16 ), one of which is connected to the non-inverting and the other to the inverting input of the differential amplifier ( 17 ), the inputs of which are connected via a further switch ( 18, 19 ) can be applied to ground potential. 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.5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the rectification sections are each equal to the oscillation period ( Δ T ) or a multiple of the oscillation period ( Δ T ) of the oscillation of the voltage-controlled oscillator ( 9 ).
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