CN102265137A - 具有单个的测量和参考检测器的汽车车载微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在先前选择的波长范围中测量光束的光谱的装置，所述光谱由待分析的样品生成，所述光学测量装置包括：至少一个光源（12）；测量室（9）；以及测量检测器（17），其被放置在光学测量路径上，所述光学测量路径由光源（12）发射的光学测量束所行进并且遇到测量室（9）；自校准构件，适合于与待分析样品存在或不存在与测量室中无关地考虑到由于环境或操作条件引起的可能偏转，所述自校准构件包括：用于产生光学参考路径的构件（15），所述光学参考路径由光源发射的光学参考束所行进并且不遇到测量室；以及参考检测器（18）。所述测量装置显著之处在于其被设计成机载安装在汽车上并且包括用于选择性地混合光学测量束和光学参考束的构件（30、31），所述测量检测器（17）还充当参考检测器（18）。

Description

具有单个的测量和参考检测器的汽车车载微型光谱仪

技术领域

本发明涉及汽车车载电子设备的领域。更特别地，本发明涉及光电子仪器。更具体地，本发明涉及适合于确定流体组分的光谱仪。

背景技术

各个汽车制造商之间的竞争导致不断继续地追求在燃料经济性和生态特性方面的更好操作性能。在由内燃机提供动力的车辆领域中，燃料的组分对发动机的性能具有直接影响。因此，知道燃料的精确组分允许调节发动机的某些操作参数以改进燃烧并减少测量污染。

此外，这种知识也可以允许检测可能损坏发动机的错误（用柴油填充汽油箱，反之亦然），并且可以允许向驾驶者发送警告或者阻挡点火以便防止不能修理的损坏。类似地，这种知识允许检测不满足法定质量标准的燃料。

类似的观测应用于发动机油，甚至应用于冷却剂或者应用于其属性影响车辆操作的其它流体。

一种获得流体的这种组分分析的手段是使用光谱测定技术。

据回顾，光谱仪是一种旨在确定光谱的某些波长被待分析的样品吸收的测量仪器。所吸收的波长形成吸收光谱中的峰值并且表征在样品中存在的某些分子或成分。

如在本发明的背景下定义的，光学光谱仪因此主要由以下组成：光源；光学组件，用于形成光束以便产生能够通过样品的平行束；波长滤波器，允许特定波长范围中的测量；以及光检测器，其测量在这个波长接收的光强。

在紫外、可见和近红外波长范围中工作的光谱仪已经日常用于许多领域。在这些领域当中可以列举如下：

-农业和食品生产（例如用于监测粮食的含水量、水果的成熟度、某些食品中包含的脂肪、等等）；

－生物医学（例如用于测量血糖水平而不取样品，等等）；以及

－燃料生产（控制原油的质量和组分、控制最终产品诸如汽油、柴油等等的质量）。

所有这些应用领域使用相同类型的测量仪器，只是其大小和便携性特性不同。这种仪器可选地使用各种技术（傅立叶变换、滤波器、单色仪、衍射系统等等）并且不在宽温度范围上操作。

这是因为由于这些仪器的性能根据温度漂移，所以这些仪器很少用于经历大温度变化的环境中。

此外，这些往往是基于实验室的仪器，或者在任何情况下都要求接近其部件以便维护检测器或光源（其寿命往往很短，或者在任何情况下都短于在车载环境中所需的时间，大约为十五年）。因而，这些仪器不适合于长期安装在实际上不便于进行维护的环境中。

最后，这些光谱仪不受要求单位生产成本的影响，并因此往往使用最昂贵的部件，例如非常温度稳定的但是与在大量生产的汽车中的安装不兼容的卤钨灯或白炽灯。

可以理解的是，温度漂移、部件可靠性及便于维护、以及最后制造成本的这些问题使得这些商用光谱仪不适合用于汽车和类似的环境中。

在诸如在监测汽车流体的领域中考虑的应用中，必要的是使用很低成本的部件，所述部件随时间是耐用的以便保证持久的操作。一种解决方案是使用发光二极管（LED）作为光源。

事实上，发光二极管是非常可靠的、众所周知的部件，其具有很低成本，因为它们被很大量地用于多种应用中。此外，发光二极管目前在许多波长版本中都是可用的，从而允许它们用于从300nm（近紫外）到2500nm（近红外）的光谱范围中。

如在图1中可以看到的，发光二极管通常具有由从35nm到多于100mm的半高宽表征的相当宽的光谱。因而有可能通过组合具有不同属性的众多二极管来产生具有很宽发射光谱的源。

发光二极管的发射光谱和光功率属性可以基本根据流过它们的电流和使用它们所处的环境温度而改变（在650nm下针对发光二极管测量的值的示例，参见图1、2、3和4）。然而，对所测量的吸收的解释要求精确地知道发送经过所分析样品的光波在给定波长下的强度。

在温度可能显著改变（例如在汽车中从-40℃到+105℃）的环境中，发光二极管作为光谱仪的光源的使用因此要求新颖的解决方案以便补偿它们属性的自然变化。更通常地，这些观测涉及其性能随老化和温度而变化的所有光源。

已经已知使用基于LED的技术的低成本光谱仪装置。这种类型的若干装置当前被给予专利权并且商用。

这些装置之一由Zeltex销售并且在专利US 6 369 388 B2中描述。它是在近红外中工作的便携式光谱仪，其旨在主要用于分析收获的谷物的质量。针对所描述的装置设想各种应用，从生物医学领域变化到农业和食品生产以及到燃料。

在针对这个装置所提出的应用当中，提及使用由在14个不同波长下的测量吸收所获取的离散光谱来测量汽油的辛烷等级，这种要求对应于美国各州加油站的燃料配置的法定质量标准。

Zeltex光谱仪在其各种应用中使用相同的吸收测量，并因此与所分析的样品无关。

供应保证可靠性的测量的操作温度的范围从-20℃变化到+55℃。这种操作范围与车载环境中的使用不兼容，对于所述车载环境,传感器必须针对位于-40℃和+105℃之间的温度被调整。

在相同的专利US 6 369 388 B2中提出两种方法用于补偿温度的影响。

第一方法设想根据传感器所测量的温度使用预安装的补偿算法来补偿光谱吸收测量的结果。这个方法不试图防止部件的温度相关变形或漂移但是试图使用先前建立的校正曲线来校正所测量的值。

在这个Zeltex装置的背景下考虑的第二方法使用自校准光谱仪。这则是真正补偿由温度和由测量单元系列的部件（且特别是发光二极管）的老化所造成的变化。

在这个方法中，在获得每个光谱测量之前，测量单元被清空，在光源关断的情况下实行第一测量（“0”光测量），这表征由于电子设备和检测器引起的测量噪声，其随环境条件和时间而改变。然后在光源接通的情况下实行第二测量，在单元中仍然没有样品，因而供给“100”光测量，也受到测量的环境条件影响。

这两个连续测量允许光谱仪自校准。然而，对于这个过程必须清空单元的要求，约束例如与车载使用不兼容，并且如将容易明白的那样与燃料箱中或燃料分配电路中的永久安装不兼容。

由Rikola设计并制造的另一个装置涉及旨在用于实验室的光谱仪。这个光谱仪也可以在其温度在5和55℃之间变化的环境中被采用，这就汽车环境的要求而言太窄。

该光谱仪在32个确定的波长下测量吸收。为此，该光谱仪使用单色仪波长滤波器，其被放置在光谱仪的源侧并且由衍射系统和32个发光二极管（LED）构成。这些发光二极管被放置在允许获取所期望波长的选择点处。

由于目的是更好地补偿温度变化对光谱仪部件以及因而对所递送的测量质量的影响，Rikola装置允许在不存在待分析的样品的情况下实行“0”光测量和“100”光测量。因而获取设备的校准。

然而，显著的温度变化导致硬件的变形并因此导致发光二极管的移动，这修改了由衍射系统和发光二极管组件所产生的波长。

因此，光谱仪使用珀尔帖（Peltier）装置来通过使光栅和发光二极管的温度调整大约30℃而确保在所考虑的温度范围内 （从5℃到55℃）的充分精确测量。这限制了针对光谱仪预先设想的使用条件。

此外并且与前面的装置相比，光谱仪不与用于处理所测量光谱的处理算法关联。

第三个低成本的光谱仪装置已被Sentelligence开发，并且例如在文档WO 2003 030 621 A2中描述。

旨在进行车载的这个光谱仪以集成部件的形式被生产，所述集成部件包括以发光二极管形式的光源、被放置成与待分析的样品接触的截锥形光学器件、以及被基本放置在光源平面中的检测器。

该光谱仪允许在各个波长下测量吸收。该光谱仪不是如提及的两个其它光谱仪那样的透射光谱仪，而是反射光谱仪。该光谱仪因此使用对从经受已知光源的所述样品反射的光谱的测量结果来表征在样品中存在的成分，而不是使用对其吸收光谱的测量结果。反射光谱仪的这种选择被设想用于很强地吸收光线的相对不透明产物（烟尘等等）。

通过组合发光二极管来形成光源，每个发光二极管根据待分析样品的期望被测量的反射的波长而被选择。滤波器被放置在光源侧，以便把通过待分析的样品的束限制为特定光波长带，并且发射强度水平可选地由与待分析的样品无关地放置在光学路径上的光电二极管（参考检测器）控制。

可以在不从测量单元中移除待分析的样品的情况下实行“0”光（光被关断以便测量电子噪声）以及“100”光（光被接通）测量。

这是通过校正在光电二极管处测量的强度以便计算在样品不存在的情况下测量检测器理论上将接收的强度而获得的。

通过允许由不受待分析的样品影响的参考检测器校准测量检测器，以及因此通过允许补偿光源的任何漂移，例如温度引起的漂移，这个系统与艰难环境中的测量领域中的应用相兼容。

然而，这种光谱仪的成本由所安装的发光二极管的数目确定，所述发光二极管的数目与待测量的波长的数目直接有关。如果这个数目明显大于六，则这对于车载单元而言变得太昂贵。

另外，通过许多发光二极管的并置所产生的源可能不再被视为点源，从而造成检测器测量误差（带有视差的问题）。

此外，Sentelligence装置必须针对每个特定应用在设计阶段进行修改，从而要求对特定于待分析样品的某些波长进行测量。

这些光谱仪不允许获取高精度的光谱测量，诸如在汽车领域中的某些应用所要求的测量，即例如以给定吸收值的1％的精度在给定波长±5nm下的吸收测量。它们也不允许在宽泛的温度范围上的使用。

这些各种限定使得这些光谱仪不适合用于诸如测量燃料的化学组分或其精确的燃烧属性的车载应用的背景中。

发明内容

本发明的目的因此是提供一种满足与汽车应用兼容的大小、可靠性和性能限制的小型光谱仪设计。

本发明的第二目的是使得低成本生产成为可能，从而使得其在汽车中的使用可行。

第三目的是提供车载光谱仪，其可以用于针对不同流体的众多应用而不用硬件修改。

为此，本发明的一个第一主题是一种用于在事先选择的波长范围中测量光束的光谱的装置，所述光谱由待分析的样品生成，所述光学测量装置包括：

－至少一个光源；

－测量室；以及

－测量检测器，被放置在测量光学路径上，所述测量光学路径由光源发射的测量光束所采取，此测量光束由光源发射且遇到测量室；

－自校准构件，允许与在测量室中存在还是不存在待分析样品无关地补偿光源由于环境条件或使用条件而引起的任何漂移，所述自校准构件包括：

   ○ 用于产生参考光学路径的构件，所述参考光学路径由光源发射的参考光束所采取并且不遇到测量室；以及

   ○ 参考检测器。

所述测量装置显著之处在于：其被设计成由汽车承载，并且其包括选择性地混合测量光束和参考光束的构件，并且所述测量检测器还充当参考检测器。

优选地，该装置测量由待分析的样品吸收的光束的吸收光谱。

在另一个实施例中，该装置测量由待分析的样品反射的光束的反射光谱。

根据优选实施例，装置也包括与参考检测器关联的至少一个波长滤波器，所述波长滤波器为可变的法布里-珀罗腔干涉滤波器。

有利地，在这种情况下，该装置也包括把由光源发射的光束转换成平行束的构件。

根据特定实施例，测量室包括用于使测量光束在与其原始方向基本相对的方向上返回的构件。

根据有利的实施例，用于使测量光束返回的构件包括放置在所述测量室的横侧上的彼此以90°定向的两个端面。

在吸收光谱仪的情况下，端面有利地形成测量室中的流体流动流内部的大体凹表面并且通过金属化使之反射。

在反射光谱仪的情况下，端面有利地形成测量室中的流体流动流内部的大体凸表面并且在研究的波长范围中是透明的。

理解的是，这种布置对应于其中光线简单地被所分析的样品反射的反射光谱仪的特定情况，与对应于其中光线通过所分析的样品的吸收光谱仪的前面情况形成对比。

在有利的实施例中，用于产生参考光学路径的构件包括第一分束器，并且用于选择性地混合测量光束和参考光束的构件包括第二分束器以及按照命令被激活的束快门，所述束快门被放置在两个分束器之间的参考光束上。

更特别地，在这种情况下，两个分束器是在器对角线平面上包括半反射镜的光立方体。

在另一种实施方法中，用于产生参考光学路径的构件包括按照命令被激活的第一分束器，并且用于选择性地混合测量光束和参考光束的构件包括第二分束器以及用于控制第一分束器的激活的构件。

根据有利的实施例，光谱仪由两个可分离单元制成，第一单元包括光源、分束器、束快门和检测器并因而形成测量仪器，而第二单元包括测量室，所述测量室配有使测量光束在与其原始方向基本相对的方向上返回的端面。

本发明的第二主题是一种燃料、油、冷却剂或尿素质量的传感器，其旨在永久地安装在车辆中。

本发明的第三主题是一种用于控制车辆发动机的至少一个操作参数的方法，所述车辆配有如上面所描述的传感器以及连接到所述传感器的电子控制单元，

其特征在于所述方法包括以下步骤：

－选择待分析的流体；

－以规则间隔接通光源；

－等待考虑到所述光源的正常初始化时间的适合的时间段；

－控制可变滤波器以便把所述滤波器连续地设定到各个波长，从而形成为确定被分析的流体的组分所需的系列，这些波长针对可能被传感器分析的每种流体而事先被存储在所述控制单元的存储器中；

－阻挡参考束；

－针对选择的每个波长，使用测量检测器来测量在这个波长下接收的光强；

－以及，以预定的间隔，

●允许参考束通过并且在第二分束器中进行混合；

●针对选择的每个波长，使用测量检测器来测量在这个波长下接收的组合光强；

－向控制单元传送待分析的流体的吸收光谱的测量结果以及组合光谱的测量结果；

－使用控制单元来比较测量值和组合值；

－使用控制单元来确定由于包含在测量室中的样品引起的吸收；

－基于存储在存储器中的算法或值表，使用控制单元以规定间隔来确定对发动机的操作参数的修改。

理解的是，控制单元功能由发动机控制单元或由与传感器关联的电子设备实行，向发动机控制单元传送的数据然后直接对应于流体的参数值。

本发明的另一个主题是一件能够实施所描述的方法的软件。

最后，本发明的最后主题是一种实施诸如所描述的装置或诸如所描述的方法的车辆。

附图说明

在阅读特定实施例的描述和附图时，将更好地理解本发明的目标和优点，所述特定实施例借助于非限制性示例给出并且附图示出以下内容：

-图1说明作为温度的函数的发光二极管（LED）的光谱属性，例证了发射光谱在波长中和在所发射功率中的偏移；

-图2同样说明作为温度和流过发光二极管的电流的函数的、发光二极管的峰值波长偏移；

-图3同样说明作为温度和流过发光二极管的电流的函数的、发光二极管的光谱的半高峰宽；

-图4示出在-40℃和95℃之间针对流过发光二极管的电流的各个值所发射的光功率；

-图5是从上方观看的、针对艰难环境的根据本发明的小型光谱仪的功能示意图；

-图6是相同光谱仪的等角透视图；

-图7示意性地说明在快门打开的情况下光谱仪的操作；

-图8说明在近红外（700-1050nm）中三个不同发光二极管的发射光谱；

-图9说明图8的三个标准化光谱的相加；

-图10说明把根据本发明的光谱仪集成到汽车车辆的燃料电路中；以及

-图11示意性地说明与能够按照命令进行激活的滤波器组合的检测器的设计原理。

具体实施方式

如在图10中可以看到的，在把根据本发明的用于测量吸收光谱的装置应用于汽车车辆的燃料电路的情况下，这样的光谱仪1可以被有利地放置在燃料管线2上，位于燃料泵4的油箱3的下游，也位于燃料过滤器5（以便减小测量误差）的下游，但是位于喷射泵6和发动机7的上游。

光谱仪1连接到电子控制单元8，该电子控制单元8也连接到喷射泵或连接到发动机，它能够控制所述发动机的某些设置。注意，这个电子控制单元8能够是：或者是发动机控制单元，常规地存在于汽车车辆中；或者是光谱仪的控制单元，其直接向发动机控制单元发送所分析的流体的参数值。

在图5到7中说明根据本发明的装置。

根据本发明的光谱仪1被安排在测量室9的周围，在测量室9内部循环着待分析流体（例如燃料）。

与流体在测量室9中的流动方向对应的纵轴X被定义用于其余的描述。

这个测量室9在这里以沿纵轴X基本定向的矩形截面的管段形式示出（图6）。

该测量室包括在其两个横侧之一（在图5中为左手侧）上的基本等同大小的两个矩形、共面窗口10、11。

后者可以例如由玻璃或塑料制成，并且这种材料必须相对于被分析流体是化学中性的、根据温度是不可变形的并且在用于车辆的波长范围（在这里为近红外，但是也可以使用UV/可见中的波长范围而不对所描述的装置进行任何修改）中是透明的。

窗口10、11通过接合或任何其它已知手段而固定到测量室9的器壁。

与两个窗口10、11正交的横轴Y被定义用于其余的描述。

在其相对的横侧（在图5中为右手侧），包括彼此以90°定向的两个反射端面27、29的用于反射光的区域允许经由第一窗口10（因此在沿－Y轴定向的方向上）进入的光束朝向第二窗口11（在沿＋Y轴定向的方向上）返回。两个反射端面27、29在本示例中由平面表面形成，其中就第一表面而言在XY平面中以45°定向，而就第二表面而言在相同平面中以135°定向。

反射端面27、29由端面28隔开，该端面为主要平面且平行于纵轴X。

两个反射端面27、29的尺寸被确定为以便使从第一窗口10出现的所有光束朝向第二窗口11返回。

反射端面27、29的反射特性在本实施例中通过对形成测量室9的横侧的表面进行抛光并（例如用铬）局部金属化来获取，这种金属化通过对本领域的技术人员已知的手段来实行。这些端面也可以通过把镜接合到以45°和135°定向的侧面上或者通过任何其它适合的手段来获取。

测量室9由金属或硬质塑料制成，使得两个窗口10、11保持共面且与环境条件（特别是温度）无关，并且使得两个反射端面27、29同样保持彼此以90°定向，目的在于维持光束通过测量室9的路径并且因此避免测量误差的产生。

测量室9通过对本领域的技术人员已知的手段，在其两个开口端处连接到用于使先前安装在车辆中的燃料进行循环的管。

为了测量吸收光谱，光束通过两个窗口10、11和包含在测量室9中的流体并且被测量室的反射端面反射。

这个光束由光源12产生，该光源12的发射光谱自然对应于适合于待分析的流体的波长范围。

在本非限制性情况下，光源12由三个发光二极管（LED）形成，所述三个发光二极管成三角形并尽可能靠近彼此地布置，位于与横轴Y垂直的（朝向测量室9定向的）相同支架上，以便最小化与三个发光二极管之间的距离有关的测量偏移。

所述三个发光二极管的发射峰值分别位于大约850nm、900nm和950nm。如在说明25°下的相应的发射光谱的图8中可以看到的，这些发光二极管的每一个具有半宽在大约100nm上延伸的发射光谱。

在图9中说明的三个光谱的叠加示出等效于整个源的光谱。这个光源12有效地覆盖从825到975nm（近红外）的波长范围。

显然，或者根据本领域取得的技术进步通过使用具有低单位成本但提供更宽光谱的二极管，或者借助在另一波长范围内产生光谱，能够使用其它二极管。

理解的是，所选择的发光二极管是具有很低单位成本的商用产品。等效的光源12因此基于很便宜的可用部件来产生，其目的是最小化光谱仪1的总成本。此外，已知发光二极管具有数以万计小时的寿命（在所发射的功率减半之前的时间段），因此与汽车车载仪器所需的寿命相兼容。

通过已知的手段向其组合功率不超过几十瓦的这三个发光二极管供给功率，所述已知的手段的细节未在这里给出。

由光源12产生的光束具有整体圆锥形状，所述整体圆锥形状具有由所选择的发光二极管设定的在本示例中为大约几十度的角度。

在空间中由孔径（例如已知的机械装置）可选地把该束限定为较小宽度的圆形束（或者具有事先选择的形状的束）。

在通过孔径之后，此时仍是圆锥的光束被准直透镜14变换成圆柱截面的平行束。这个准直透镜14具有已知的（例如平面/凸面）类型并且可以由在所测量的波长下具有高光学质量的玻璃或塑料制成。该准直透镜的尺寸允许产生十分之一到十分之几cm²的束。

光的这一准直致使其光线平行，对于测量的质量而言特别重要，特别在使用“干涉滤波器”技术的情况下尤其如此，如下面将看到的。

根据本发明的光谱仪包括位于准直透镜14下游的分束器15，该分束器15旨在把光束（在图7中由段32说明）分离成在一方面是平行于横轴Y的遵循测量光学路径CM的测量束（在图7中为段33）以及在另一方面是大体平行于纵轴X的遵循参考光学路径CR的参考束（在图7中为段39）。

这个分束器15是允许例如50％光通过并且在与原始束成90°的方向上反射50％的光学部件。该分束器例如是包括在其对角线平面上的在XY平面中以45°定向的半反射镜16的光立方体。因此，在这里产生的两个束被视为具有相同的光谱（波长以及在每个波长下发射的功率）。透射过镜面的光被引向测量室9。该光的制造方法对本领域的技术人员是已知的并且因此在这里不给出细节。它也可以是双折射镜。

分束器15被放置成紧邻测量室9的第一窗口10，甚至直接与第一窗口10接触，以便最小化在待研究流体外部的光束路径。

如在图7中清楚说明的测量束因此穿过此第一窗口10并且穿过待分析的流体的厚度，该厚度根据公式2l+d取决于测量室沿横轴Y的宽度l以及取决于反射端面的末端之间的距离d。

在测量室9中分析的流体内的这个光学路径（在图7中针对位于束的中心处的光线由段34、35和36说明）之后，光束在穿过第二窗口11后从所述测量室9离开。在被分析的流体内行进时，光源12的发射光谱的某些波长由于在这些波长下的光子被存在于流体中的分子所吸收而被衰减。

其光谱因通过流体而已修改的测量束沿横轴Y离开测量室9并且通过第二分束器31，该第二分束器31被放置成紧邻测量室9的第二窗口11，甚至直接与其接触，在这里再次以最小化光束在待研究的流体外部的路径。

这个第二分束器31在这里旨在把遵循测量光学路径CM（在图7中为段33到37）的测量束与遵循参考光学路径CR（在图7中为段39和40）的参考束混合成单个光束（在图7中为段38）。

这个第二分束器31是与第一分束器15类似的光学部件，其允许例如50％光通过并且在与原始束成90°的方向上反射50％。该第二分束器例如是包括在其对角线平面上的在XY平面中以135°定向的半反射镜41的光立方体。

理解的是，第二分束器31被放置在测量光学路径CM和参考光学路径CR的交点处。它在本示例中沿纵轴X与第一分束器15对准。半反射镜16、41的中心之间的距离基本等于测量室9的反射端面27、29的中心之间的距离。

根据本发明的装置也包括放置在两个分束器31之间的参考光学路径CR上的本身已知种类的且能够通过电学手段而按照命令被激活的束快门。这个束快门30按照命令允许参考束通过或者防止它通过（在图7中为段39）到第二分束器31（当快门30打开时在图7中为段40）。

这个快门30是机电或电光（例如液晶）快门，其例如根据其中必须使用光谱仪的环境条件进行选择。

光束38由第二分束器31输出并且包括单独的测量光束或者组合的测量束与参考束，最后由配备有波长滤波器的测量检测器17感测。

这些滤波器在这里描述的优选实施例中是法布里-珀罗（Fabry-Perot）干涉腔，并且在这种情况下能够通过的波长正如已知的那样取决于这个腔的宽度并且因此取决于光线的入射角度。理解的是，因此为了精确测量，期望光线是真正平行的。这证明准直透镜13的使用是正当的。

测量检测器17配备有可变滤波器26，例如法布里-珀罗腔滤波器，其种类在文档“Tunable infrared detector with integrated micromachined Fabry-Perot filter”(Neumann, Ebermann, Hiller, Kurth, MOEMS Jan. 2007)中提出并且在图11中说明。

测量检测器17在测量光学路径CM上被放置在可变滤波器26的输出处。该测量检测器17在本示例中是热电检测器，从而具有很短的响应时间，但是它可以用与电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）基体关联的线性可变滤波器（LVF）或者一个或多个光学滤波器来取代。

在操作中，当与光谱仪1关联的控制单元8已针对待分析的流体被初始化（选择待观测的波长）时，控制单元8以其间距事先已被选择的规则间隔来接通光源12。

在考虑到所述光源的正常初始化时间的适合的时间段之后，控制单元控制法布里-珀罗干涉滤波器的平板之间的电位差（或者控制使可变滤波器值改变的装置）以便把所述滤波器连续地设定到各个波长，从而形成为确定被分析的流体组分所需的系列，这些波长事先被存储在所述控制单元8的存储器中。

控制单元8然后关闭快门30并且因此阻挡遵循光学路径CR的参考束。因此测量检测器17仅感测通过测量室9的光束。

对于选择的每个波长λ，测量检测器17提供表征在这个波长下接收的光强的测量结果作为输出。光谱仪1因而以规则间隔向控制单元8传送待分析的流体的吸收光谱的测量结果。

该测量结果然后由以下方程定义：

              （方程1），

其中：

A是沿从段32到38运行的测量光学路径CM发生的衰减（由于准直透镜14、分束器15、测量室9以及第二分束器31引起的损失），

λ是被研究的波长，

是在这个波长下分析的流体的已知厚度（2l+d）的吸收，

是在这个波长下光源的强度，以及

是在这个波长下检测器测量的强度。

接着以预定的间隔，

－控制单元使得快门30打开，并因此使得参考束遵循参考光学路径CR通过并且在第二分束器31中与遵循测量光学路径CM的测量束进行混合；

－此时，测量检测器17在选择的每个波长λ下感测在这个波长下接收的组合光强，并且向控制单元8传送这个强度测量。

这个测量结果然后以下方程定义：

    （方程2），

其中：

A是沿测量光学路径CM发生的衰减而B是沿经过段32、39、40、38运行的参考光学路径CR（不通过被分析的流体的路径）发生的衰减（由于准直透镜14、分束器15和第二分束器31引起的损失）。

注意，温度和老化对这些衰减值A和B的影响是先验可忽略的，这些值自光谱仪的制造起是已知的并且随时间保持固定。

控制单元8比较测量值和组合值，并且首先通过使两个方程相减而从中导出项以及因此（因为B是已知的）导出由发光二极管在这个波长处在LED的这些环境和老化条件下递送的光强，然后通过把这个强度再引入方程1中而导出在这些环境条件下在这个波长处由于包含在测量室9中的样品引起的吸收

。

基于存储在存储器中的算法或值表，控制单元8以规定间隔确定对发动机7的操作参数的修改，例如燃料是否符合适合于发动机操作的类型、点火提前的设定、喷射的设定、等等。

从根据本发明的光谱仪输出的信号的处理方式超出了本发明的范围，并且因此它未被更详细地描述。

根据本发明的光谱仪的第一优点是使用单个检测器，该单个检测器既用于参考束又用于测量束，这归功于单元中的反射器以及参考光学路径上的束快门的使用。

这允许减小传感器的成本，检测器和关联的可变滤波器构成所述传感器的总成本的很大部分。此外，这个设计执行得更好，因为被比较的两个信号（测量和参考+测量）由相同的检测器测量，从而消除了可能由于检测器引起的系统误差。最后，传感器的控制电子设备也被简化，因为它们仅控制一个检测器而不是两个，从而进一步促成系统的可靠性并减小其成本。

该装置的第二优点是光学和光电部件被合并在测量单元的相同侧。因而，光谱仪可以被组织在两个分离的功能单元中。此外，这使得可能产生较小的电路板，测量单元的一侧不要求连接。

本发明的第三优点是使用参考光学路径。这允许补偿老化和环境条件的变化对形成光源的二极管的影响。另外，测量单元不需要清空以获取参考测量，这可以在任何时刻实行。

在针对上面描述的光谱仪所考虑的应用当中，自然可以提及车载燃料、油、冷却剂或尿素质量的车载传感器。

更通常地，这种提出的装置可应用于在艰难环境（温度、物理接近、等等）中实行的对流体质量的任何测量。

本发明的范围不限于上面借助于示例所考虑的详细实施例，而是相反延伸到在本领域的技术人员的能力内的修改。

给出的描述涉及透射光谱仪，对于该透射光谱仪，所测量的光谱是通过样品的光的光谱。所描述的原理同样可应用于测量由样品反射的光的反射光谱仪。

在这种情况下，彼此以90°定向的反射端面27、29形成位于流体流动流内的大体凸表面，而不是诸如上面描述的大体凹形状。自然它们不再被金属化，而是相反在所研究的波长范围中是透明的，目的是测量流过测量室9的流体的反射光谱。

理解的是，诸如所描述的光谱仪由两个主要单元组成，其中一方面是形成测量仪器的光源、分束器和检测器，而另一方面是提供有其反射端面的测量单元。这两个单元可以由单独制造且随后组装的元件制成。

以此方式，透射（上面描述的情况）或反射光谱仪操作模式的选择可以到最后一刻做出。甚至可以设想的是，向测量单元提供适合于两个操作模式的形成不同测量单元的两个单元，用户选择安装满足其要求的形成测量单元的单元。

作为变型，两个反射端面27、29可以由任何使光以180°返回到其原始方向的装置取代，并且例如由抛物面反射器取代，或者由自两个以上反射端面形成的表面取代。

类似地，两个反射端面27、29可以具有公共边缘，以消除中间表面28。

在另一个变型中，成形光学器件（准直透镜）14被放置在检测器附近，而不是紧接在光源12（和可选地孔径13）之后被放置。这种布置保持光线在检测器17中的平行对准。

在又一个变型中，第一分束器15可以按照命令被激活（例如它是液晶或电双折射镜16）并因此取代快门30。当它未被激活时，光束遵循测量光学路径CM并通过测量室9。与此相反，当能够按照命令被激活的这个镜16被激活时，光束被第一分束器15分成测量光束和参考光束，并且这些束被第二分束器31重新组合。光谱仪的操作大体不变。

在另一个变型中，测量室9不包括带有端面27、29的反射器并且光从一端到另一端通过测量室9。在测量室9外部的光反射装置允许测量束朝向检测器17返回。装置的操作在这里保持基本不变。

在变型光源12中，后者由以正方形布置成尽可能靠近彼此的四个发光二极管（LED）形成。

Claims (11)

1. 对于汽车，一种用于在事先选择的波长范围中测量光束的光谱的装置（1），所述光谱由待分析的样品生成，所述光学测量装置包括：

－至少一个光源（12）；

－光学器件（14），用于形成由所述光源（12）发射的光线；

－测量室（9）；以及

－测量检测器（17），其被放置在测量光学路径上，所述测量光学路径由光源（12）发射的测量光束所采取并且遇到测量室（9），

－自校准构件，允许与待分析样品是存在还是不存在于测量室（9）中无关地补偿光源（12）由于环境条件或使用条件引起的任何漂移，所述自校准构件包括：

   ○ 用于产生参考光学路径的构件（15），所述参考光学路径由光源（12）发射的参考光束所采取并且不遇到测量室（9）；以及

   ○ 参考检测器（18），其还充当测量检测器（17），

－用于选择性地混合测量光束和参考光束的构件（30、31），

其特征在于，用于产生参考光学路径的构件包括第一分束器（15），并且用于选择性地混合测量光束和参考光束的构件包括第二分束器（31）以及按照命令被激活的束快门（30），所述束快门（30）被放置在两个分束器（15、31）之间的参考光束上。

2. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括与参考检测器（17）关联的至少一个波长滤波器。

3. 根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述波长滤波器是可变滤波器（26），并且所述测量装置包括用于改变所述可变滤波器（26）的值的构件。

4. 根据前面权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，测量室（9）包括用于使测量光束在与其原始方向基本相对的方向上返回的构件（27、29）。

5. 根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，用于使测量光束返回的构件包括放置在所述测量室（9）的横侧上的彼此以90°定向的两个端面（27、29）。

6. 根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，用于产生参考光学路径的构件包括按照命令被激活的第一分束器（15），并且用于选择性地混合测量光束和参考光束的构件包括第二分束器（31）以及用于控制第一分束器（15）的激活的构件。

7. 根据权利要求4到6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置由两个可分离单元制成，第一单元包括光源（12）、分束器（15、31）、束快门（30）和检测器（17）并因而形成测量仪器，并且第二单元包括测量室（9），所述测量室（9）配有用于使测量光束在与其原始方向基本相对的方向上返回的端面（27、29）。

8. 一种燃料、油、冷却剂或尿素质量的传感器，旨在永久地安装在车辆中，其特征在于，所述传感器包括根据前面权利要求中任一项所述的测量装置（1）。

9. 一种用于控制车辆发动机的至少一个操作参数的方法，所述车辆配有根据权利要求8所述的传感器以及连接到所述传感器的电子控制单元（8），

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

－选择待分析的流体；

－以规则间隔接通光源（12）；

－等待考虑到所述光源（12）的正常初始化时间的适合的时间段；

－控制可变滤波器（26），以便把所述滤波器连续地设定到各个波长，从而形成为确定被分析的流体的组分所需的系列，这些波长针对可能被传感器分析的每种流体而事先被存储在所述控制单元（8）的存储器中；

－阻挡参考束；

－针对选择的每个波长，使用测量检测器（17）来测量在这个波长下接收的光强；

－以及，以预定的间隔，

－允许参考束通过并且在第二分束器（31）中进行混合；

－针对选择的每个波长，使用测量检测器（17）来测量在这个波长下接收的组合光强；

－向控制单元（8）传送待分析的流体的吸收光谱的测量结果以及组合光谱的测量结果；

－使用控制单元（8）来比较测量值和组合值；

－使用控制单元来确定由于包含在测量室（9）中的样品引起的吸收；

－基于存储在存储器中的算法或值表，使用控制单元（8）以规定间隔确定对发动机（7）的操作参数的修改。

10. 一种软件产品，包括记录在介质上的能够由计算机读取的程序代码指令，用于当在计算机上运行所述软件时实施根据权利要求9所述的方法的步骤。

11. 一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求8所述传感器或者实施根据权利要求9所述的方法。

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