CN106461543A - 光谱传感器设备和用于运行光谱传感器设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光谱传感器设备(1；1')，其具有：用于容纳至少一种待分析的流体介质的吸收路程(3)；用于将红外辐射发射到所述吸收路程(3)中的红外辐射源(2)；红外传感器阵列(4；4'；4″；4″'；4″”)，其具有可单个分析处理的多个像素(5，6，7，8，9；5'，6'，7')，所述多个像素构造用于将来自所述红外辐射源(2)通过所述流体介质传播的红外辐射探测为各个像素测量信号；并且具有分析处理装置(100)，所述分析处理装置构造用于汇总并且通过单个测量通道(K；K')输出所述像素(5，6)的多个像素测量信号。本发明还涉及一种用于运行光谱传感器设备的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱传感器设备以及一种用于运行光谱传感器设备的方法。
背景技术
光谱传感器用于在待检查的流体介质中、尤其在气体或液体中通过在重要波长范围中的IR辐射的吸收来确定确定的物质的浓度。
已知的光谱传感器通常利用宽带红外辐射器和具有一个或多个探测器通道的红外探测器。通常，对于每一个气体种类或液体种类使用一个探测器通道作为测量通道，其中，使用另一探测器通道作为参考通道。
尤其已知双通道探测器，以便探测确定的物质。在这种双通道探测器中，第一探测器通道用于探测重要波长范围中的辐射，待求取或待检查的物质的吸收带位于该重要波长范围中，而第二探测器通道作为参考通道用于在更宽的波长范围中的探测。波长范围的选择通常通过光学滤波器的使用来实现，所述光学滤波器对于确定的波长或波长范围是透明的。
DE 10 2009 027 136 A1描述了一种光谱传感器，该光谱传感器具有用于发射IR辐射的IR辐射源、用于容纳气体或液体的吸收路程、用于波长选择地透射通过所述吸收路程到达的IR辐射的至少一个光学滤波器和用于容纳通过所述光学滤波器到达的IR辐射并且输出测量信号的至少一个探测器。IR辐射源和探测器在电路载体上固定或接通，并且吸收路程构造为反射器装置的内部空间，所述反射器装置固定在电路载体上并且具有反射内侧面，以便防止从IR辐射源到探测器的没有在反射器装置上的反射的直接辐射传输。
DE 10 2009 027 134 A1描述了一种光谱传感器，该光谱传感器具有用于接收待检查物质的吸收路程、用于发射经过辐射路程的IR辐射的IR辐射源、探测器装置，所述探测器装置具有用于探测经过吸收路程到达的IR辐射并且用于输出测量信号的第一和第二探测器元件。设有分析处理装置，其接收所述至少两个探测器元件的测量信号并且求取第一介质的含量，其中，第一探测器元件探测在第一波长范围中的IR辐射并且输出第一测量信号，第二探测器元件探测在与第一波长范围不同的第二波长范围中的IR辐射并且输出第二测量信号。第一介质的和第二介质的吸收带位于第一波长范围中。或者第一介质的吸收带或者第二介质的吸收带位于第二波长范围中，其中，分析处理装置接收用于校正第一测量信号的第二测量信号。
发明内容
本发明涉及一种具有独立权利要求1的特征的光谱传感器设备以及一种用于运行具有独立权利要求11的特征的光谱传感器设备的方法。
优选的扩展方案是从属权利要求的主题。
本发明的优点
本发明所基于的构想是设置一种红外传感器阵列，其具有可单个分析处理的多个像素，所述多个像素用于将从红外辐射源通过流体介质传播的红外辐射探测为各个像素测量信号，其中，设置分析处理装置，其构造用于汇总并且通过单个测量通道输出像素的可预给定的多个像素信号。
通过将具有多个可选择的或可控制的像素的红外传感器阵列用于单个测量通道来实现用于安全重要的应用的、内部自身分析的简单可能性。
特别地，能够降低或消除对测量路程的光学路径中的局部污染的敏感度。此外，能够降低在传感器设备的生产中相对于机械的或其他制造公差的敏感度。此外，通过可单独分析处理的多个像素的同时使用来提高传感器设备的测量敏感性和信噪比。尤其可以改善用于不同气体的灵活性。也能够显著改善通过周围环境影响/老化引起的偏差的校正可能性。
作为红外辐射源，例如可以使用宽带辐射源、例如白炽灯泡或灯丝，或者使用窄带辐射源，例如发光二级管或激光器。吸收路程可以设有进入口和排出口，从而待检查的气体或液体可以流入到吸收路程中或从吸收路程流出。
根据本发明的一种实施方式，红外传感器阵列的至少两个像素构造用于探测第一气体并且设有用于波长选择地透射红外辐射的第一光学滤波器。所述滤波器例如可以粘合在传感器阵列的芯片罩上，和/或通过机械连接、例如螺栓连接来与传感器阵列的芯片罩连接。传感器阵列例如具有两行像素和两列像素，其中，四个像素中的至少两个设有用于波长选择地透射红外辐射的第一滤波器。例如，这些像素中的两个设有使红外辐射仅仅在二氧化碳的吸收带的波长范围中透过的滤波器。所述像素然后用于探测吸收路程中的二氧化碳。一种替代可能性是，将特定的吸收层直接施加到单个像素上。可以针对确定的波长优化所述吸收层，从而产生光学滤波器的效果。
根据本发明的另一实施方式，传感器阵列的至少两个像素构造用于探测第二气体并且设有用于波长选择地透射红外辐射的第二光学滤波器。传感器阵列例如具有四行像素和四列像素，其中，16个像素中的9个设有用于波长选择地透射红外辐射的第二滤波器。例如，所述像素中的9个设有使红外辐射仅仅在水的吸收带的波长范围中透过的滤波器。所述像素然后用于探测吸收路程中的水。分析处理装置可以具有第二测量通道，所述第二测量通道输出用于第二气体的已汇总的像素测量信号。
根据本发明的另一实施方式，传感器阵列的至少一个像素构造为监视与均衡像素。传感器阵列例如具有8行像素和8列像素，其中，64个像素中的9个像素设有第一滤波器，另外9个像素设有第二滤波器，像素中的另外9个像素设有参考滤波器，而剩下的像素不设有滤波器。监视与均衡像素构造用于例如监视红外辐射源的功率和/或测量路程的污染程度。也可以检测并且必要时借助分析处理装置校正红外辐射源的老化和/或所辐射的波长范围的移位。根据本发明，这可以对于传感器阵列的每一个单个像素选择性地实现。
根据本发明的另一实施方式，一个或多个像素范围的像素至少部分设有用于波长选择地透射红外辐射的相应光学滤波器。
根据本发明的另一实施方式，分析处理装置构造用于确定所述一个或多个光学滤波器的位置。所述一个或多个滤波器例如由于生产决定的误差可能不精确地布置在传感器阵列的像素上的预先确定的位置上，由此，确定的像素不完全由滤波器遮盖。通过各个像素的各个像素测量信号的测量，可以通过分析处理装置进行滤波器在红外传感器阵列上的位置确定。分析处理装置则例如构造用于在汇总时仅仅考虑完全由滤波器遮盖的像素的像素测量信号。没有由滤波器遮盖的像素和像素范围在测量时没有被分析处理装置考虑。通过这种方式进一步提高传感器的测量精度。滤波器的精确位置可以在分析处理装置中存储在存储器中。
根据本发明的另一实施方式，分析处理装置构造用于在像素测量信号的汇总时根据预给定的标准不考虑在一个或多个像素范围中的像素的像素测量信号。因此，能够提高测量精度。
根据本发明的另一实施方式，预先确定的标准在于像素测量信号与像素测量信号的平均值的偏差大于预先确定的量值。例如不考虑以下像素的像素测量信号：其具有与像素测量信号的平均值的大于5％、10％、20％、30％、40％或50％的偏差。例如也可以仅仅考虑以下像素测量信号，其位于平均值的标准差σ、两倍标准差2σ或三倍标准差3σ内。在像素测量信号的汇总时对于单个测量通道可以考虑各个像素的敏感度和/或各个像素的像素测量信号的偏移和/或各个像素的增益。如果各个像素的像素测量信号的所述成分太显著地偏差，则在像素测量信号的汇总时不考虑所述各个像素。
根据本发明的另一实施方式，分析处理装置与传感器阵列一件式构造。分析处理装置和传感器阵列例如构造为ASIC(application-specific integrated circuit：专用集成电路)。然而，分析处理装置也可以构造为外部微控制器并且通过传感器线路与各个像素耦合。所述传感器阵列例如可以由CCD(Charge-Coupled Device：电荷耦合器件)传感器阵列或者以CMOS技术构造。像素也可以分别具有自身分析处理电路，所述自身分析处理电路互连地构成分析处理装置。
根据本发明的另一实施方式，分析处理装置构造用于改变各个像素的增益和/或偏移。因为传感器阵列的像素可单个控制地构造，所以可以通过所述方式通过简单的方法改善测量精度。
能够任意相互组合所描述的构型和扩展方案。
附图说明
附图应当传递本发明的实施方式的另一种理解。附图说明实施方式并且有助于结合对本发明的原理和方案的说明的描述。
根据附图得到其他实施方式和所描述的多个优点。没有必要彼此成比例地示出附图的所示元素。
附图示出：
图1：根据本发明的一种实施方式的光谱传感器设备的示意性剖面图；
图2：根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的示意性剖面图；
图3：根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列的示意性俯视图；
图4：根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列的示意性俯视图；
图5：根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列的示意性俯视图；
图6：用于运行根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的方法的示意性流程图。
在附图中，只要没有相反说明，相同的附图标记则说明相同的或功能相同的元素、部件或元件。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一种实施方式的光谱传感器设备1的示意性剖面图。
光谱传感器设备1具有吸收路程3，至少一种待探测的流体50、例如气体状的二氧化碳位于所述吸收路程中。一个光谱传感器设备1具有一个红外辐射源2，所述红外辐射源构造用于将红外辐射IR辐射到吸收路程3中。红外辐射源2可以是宽带辐射源、例如发光二级管或白炽灯泡并且发射从约700纳米至2毫米、优选780纳米至1毫米之间的波长范围中的电磁辐射。然而，红外辐射源2也可以构造为单色的辐射源，其仅仅辐射在待检查流体50的吸收范围中的电磁辐射。
此外，光谱传感器设备1具有红外传感器阵列4，所述红外传感器阵列具有矩阵，所述矩阵具有可单个分析处理且可单个控制的多个像素5、6、7、8，它们构造用于将从红外辐射源2发射的并且通过流体传播的红外辐射IR探测为各个像素测量信号。
此外，光谱传感器设备1具有分析处理装置100，所述分析处理装置构造用于汇总像素5、6、7、8的多个单个像素测量信号并且将其通过单个测量通道K输出。在图1中示出的光谱传感器设备1具有四个像素5、6、7、8，所述像素分别可单个分析处理地且可单个控制地构造并且所述像素通过传感器线路PS5、PS6、PS7和PS8与分析处理装置100耦合。
根据本发明的所述实施方式，分析处理装置100构造用于在像素测量信号的汇总时不考虑以下各个像素的像素测量信号：其具有与像素测量信号的平均值的大于预先确定的量值的偏差。这意味着，如果例如红外传感器阵列4的像素5和像素8通过传感器线路PS5和PS8提供有误差的像素测量信号到分析处理装置100上，则像素5和8在红外传感器阵列4的像素测量信号的汇总时不被考虑或者与分析处理装置100通过传感器线路PS5和PS8断开。
也可以借助分析处理装置100如此控制各个像素5、6、7、8，使得例如能够校正像素5和8的像素测量信号。如果例如像素5和8具有偏移误差，则可以分开校正像素5和8的偏移误差。像素5和8的敏感度和/或增益例如也可以是有误差的并且在必要时借助分析处理装置100来校正。
分析处理装置100在图1中与红外传感器阵列4分离地构造，例如构造为外部微控制器。然而，分析处理装置也可以与红外传感器阵列4一件式地构造或者集成在像素中。
在所述实施方式中，校正功能能够预编程在分析处理装置100中，例如在最终检查(Endkontrolle)时。在另一构型中能够实现，校正功能可以通过(未示出的)外部输入装置在事后改变或者具有自适应功能。
图2示出根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备1'的示意图。在所述实施方式中，红外辐射源2的红外辐射IR通过反射器15朝向红外传感器阵列4'转向。通过这种方式可以延长吸收路程3。红外传感器阵列4的像素5'和6'提供像素测量信号到分析处理装置100上，所述分析处理装置通过唯一的通道K'输出所汇总的像素测量信号。
在所示出的实施方式中，光学滤波器9布置在像素5'和6'之上，所述光学滤波器构造用于波长选择地透射红外辐射。滤波器9例如构造用于仅仅使对于二氧化碳的测量重要的波长透过。根据应用和待探测的气体，可以适合地选择滤波器9和透射光谱。滤波器9例如可以通过粘合与红外传感器阵列4'和相应的像素5’、6’连接。
红外传感器阵列4'的没有借助滤波器9遮盖的像素7'例如可以用作参考像素，以便均衡、校准或者监视光谱传感器设备1'。例如，借助像素7'可以求取红外辐射源2的功率或反射器15的污染程度。
图3示出根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列4”的示例性俯视图。
在所述实施方式中，红外传感器阵列4”具有两行像素Z1和Z2以及两列像素S1和S2。红外传感器阵列4”通过这种方式具有四个正方形布置的像素5、6、7和8。像素5和6设有光学滤波器9，所述光学滤波器仅仅使位于二氧化碳的吸收带中的辐射穿透。像素7和8设有光学参考滤波器11。因为每一个像素5、6、7和8可以单个地借助分析处理装置100控制，所以可以借助分析处理装置随时检查用于气体测量的两个像素5和6和/或用于均衡的两个像素7和8是否具有不同的像素测量信号。如果像素5和6或者像素7和8具有不同的信号，则存在误差。
所述误差例如可以具有其以下方面的原因：在通过滤波器9或11上的颗粒引起的局部污染方面和/或在有误差的传感器线路PS5、PS6、PS7、PS8方面和/或在用于相应像素5、6、7和8的分析处理电路的不起作用方面。是否存在误差则可以借助分析处理装置100来检查。
通过更加高的数目的像素，可以加性地提高用于气体的通过像素5和6的测量的敏感度和用于参考值的通过像素7和8的测量的敏感度。此外，可以通过这种方式显著改进所述测量。此外，有缺陷的像素可以通过所述构造可靠识别并且必要时借助分析处理装置100切断或校正。
图4示出根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列4”'的示例性俯视图。在该实施方式中，红外传感器阵列4”'具有8行Z1-Z8可单个分析处理的像素和8列S1-S8可单个分析处理的像素。在该实施方式中，红外传感器阵列4”构造用于同时分析吸收路程3中的两种不同气体。
例如，包括行Z2-Z4和列S2-S4的第一像素范围B1借助第一光学滤波器9遮盖。光学滤波器9可以构造用于对于在二氧化碳的吸收带中的波长而言是透明的。因此，像素范围B1包括可以单个分析处理并且通过第一测量通道输出的9个像素。
因为所述像素在像素范围B1中设有同一滤波器9，所以在所述9个像素中在光谱传感器设备1的制造之后在检查之后存在同一像素测量信号。如果在一个像素中通过所述9个像素的像素测量信号在分析处理装置100中的比较来确定显著偏差，则在所述像素中一定存在缺陷。然后可以借助分析处理装置100在测量中排除所述像素，其中，然后可以在没有误差的情况下可以继续满足功能性。
在图4中可以看出，红外传感器阵列4”'设有不同的光学滤波器9、10、11。此外，红外传感器阵列4的像素不设有滤波器。无滤波器的像素范围可以用于确定的附加功能，例如用作参考像素。
像素范围B2设有光学滤波器10，所述光学滤波器的透射范围位于水吸收带的范围中。像素范围B2也包括9个可单个分析处理的像素并且在行Z5-Z7之间和列S5-S7之间延伸。借助所述像素可以探测气体的例如水份额并且将所述水份额通过第二测量通道输出。
不设有滤波器的像素、例如第三像素范围B3中的像素13和像素14例如可以用于通过光谱传感器设备监视并且在必要时借助分析处理装置100校正红外辐射源2的功率。
布置在行Z2-Z4之间和列S5-S7之间的第四像素范围B4设有光学参考滤波器12并且用于监视像素测量信号，所述像素测量信号由像素范围B1和B2得到。在像素范围B4中也布置9个像素，所述9个像素可以单个分析处理并且单个控制。
图5示出根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的红外传感器阵列4”'的示例性俯视图。
在该实施方式中，分析处理装置100可以确定第一光学滤波器9和/或参考滤波器11在红外传感器阵列4的像素上的准确位置，并且有助于可以显著降低对制造公差的要求，其方式是，由分析处理消除有误差地遮盖的像素。
如果如在图5中示意性示出的那样使用光学滤波器9，所述光学滤波器的度量如此选择，使得确保遮盖至少4个像素然而由制造决定地没有精确地符合滤波器9在像素之上的位置，则在分析处理各个像素的像素测量信号时可以通过各个像素的像素测量信号的比较来确定滤波器的位置并且将其在分析处理装置100中存储在存储器中。
红外传感器阵列4””的例如对于在甲烷的吸收带中的波长而言是透明的滤波器9如此度量，使得其可以完全遮盖9个像素。如果现在在制造中在将光学滤波器9施加到红外传感器阵列4””上时发生滤波器9在像素上的定位中的误差，则可以借助分析处理装置100检查在行Z4-Z8与列S1-S4之间的范围中的像素中的哪些具有位于预给定的公差内的像素测量信号。分析处理装置100例如识别出，在行Z4-Z6之间的范围中的以及在列S2-S4之间的范围中的像素分别输出位于平均值的10％的公差内的像素测量信号。
分析处理装置100识别所述像素测量信号并且在气体的测量时仅仅考虑由以下像素输出的像素测量信号：所述像素位于行Z4-Z6之间的范围中并且位于列S2-S4之间的范围中。
因为行Z4-Z7之间的在列S1中的像素仅仅部分地由滤波器9遮盖，因为滤波器在水平上错位Δ1地布置，并且在列S1与S4之间的在行Z7中的像素同样仅仅部分由地滤波器9遮盖，因为滤波器在竖直上错位Δ2地布置，所以所述像素将位于公差边界之外的像素测量信号输出到分析处理装置100上。在行Z4-Z7之间的在列S1中的像素以及在列S1与S4之间的在行Z7中的像素因此在测量中没有被考虑。
以类似的方式，可以确定参考滤波器11在像素范围B4中的准确位置。参考滤波器11也在竖直方向上错位Δ2'地布置。因此，在列S5-S8之间的在行Z1中的像素仅仅部分地由参考滤波器11遮盖。因此，分析处理装置100可以借助由像素范围B4中的像素得到的像素测量信号来确定参考滤波器11在像素上的准确位置并且仅仅考虑在行Z2-Z4与列S3-S8之间的范围中的像素。
图6示出用于运行根据本发明的另一实施方式的光谱传感器设备的方法的示意性流程图。
在第一方法步骤ST1中，实现在分别具有红外传感器阵列的多个像素的一个或多个像素范围中的像素的像素测量信号的测量。
在第二方法步骤ST2中，实现像素测量信号的根据至少一个预给定标准的分析。例如，实现像素测量信号的平均值的计算以及各个像素测量信号与所述平均值的相应偏差的求取。
在第三方法步骤ST3中，实现相应范围中的各个像素的像素测量信号的在考虑分析结果的情况下的汇总。例如，在汇总时不考虑以下各个像素的像素测量信号：其具有大于与像素测量信号的平均值的事先确定的量值的偏差。
尽管以上借助优选实施例描述了本发明，但本发明不限于此，而是可以通过多种方式方法进行修改。尤其能够以各种各样的方式改变或者修改本发明，而不偏离本发明的核心。
Claims (11)
1.一种光谱传感器设备(1；1')，其具有：
用于容纳至少一种待分析的流体介质的吸收路程(3)，
用于将红外辐射发射到所述吸收路程(3)中的红外辐射源(2)，
红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)，其具有可单个分析处理的多个像素(5，6，7，8，9；5'，6'，7')，所述多个像素构造用于将来自所述红外辐射源(2)通过所述流体介质传播的红外辐射探测为各个像素测量信号，以及
分析处理装置(100)，所述分析处理装置构造用于汇总并且通过单个测量通道(K；K')输出所述像素(5，6)的多个像素测量信号。
2.根据权利要求1所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)的至少两个像素(5，6)构造用于探测第一气体并且设有用于波长选择地透射所述红外辐射的第一光学滤波器(9)。
3.根据权利要求2所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)的至少两个像素(7，8)构造用于探测第二气体并且设有用于波长选择地透射所述红外辐射的第二光学滤波器(10)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)的至少一个像素构造为监视与均衡像素。
5.根据以上权利要求中任一项所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，一个或多个像素范围(Bl，B2，B4；Bl，B4)的像素至少部分设有用于波长选择地透射所述红外辐射的相应光学滤波器(9，10，11；9，11)。
6.根据权利要求5所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述分析处理装置(100)构造用于确定所述一个或多个光学滤波器(9，10，11；9，11)的位置。
7.根据以上权利要求中任一项所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述分析处理装置(100)构造用于在所述像素测量信号的汇总时根据至少一个预给定的标准不考虑在一个或多个像素范围(Bl，B2，B3，B4)中的像素的像素测量信号。
8.根据权利要求7所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述预先确定的标准在于，所述像素测量信号与所述像素测量信号的平均值的偏差大于一事先确定的量值。
9.根据以上权利要求中任一项所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述分析处理装置(100)与所述红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)一件式构造。
10.根据以上权利要求中任一项所述的光谱传感器设备(1；1')，其中，所述分析处理装置(100)构造用于改变所述各个像素(5，6，7，8，9；5'，6'，7')的增益或偏移。
11.一种用于运行根据权利要求1所述的光谱传感器设备(1；1')的方法，所述方法具有以下步骤：
测量(ST1)在分别具有所述红外传感器阵列(4；4'；4”；4”'；4””)的多个像素的一个或多个像素范围(Bl，B2，B3，B4)中的像素的像素测量信号，
根据至少一个预给定的标准分析(ST2)所述像素测量信号，以及
在考虑所述分析的结果的情况下汇总(ST3)在相应范围中的各个像素的像素测量信号。
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