CN107923984B - 用于探测信号脉冲的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于探测在粒子计数器的模拟的测量信号(1)中的信号脉冲(2)的装置。该装置具有模数转换器(6)和评估单元(10)，其中，该评估单元(10)具有斜率评估单元(16)，该斜率评估单元通过评估在模数转换器(6)的数字的数据流(7)中相邻的采样(8)之间的斜率来实时确定信号脉冲(2)，其中，评估单元(10)具有漂移探测单元，该漂移探测单元确定并评估用于探测和/或评估测量信号(1)的漂移行为的标准，其中，用于探测和/或评估漂移行为的标准包括背景光的变化和/或平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。

Description

用于探测信号脉冲的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于探测粒子计数器的模拟的测量信号中的信号脉冲的装置，其中，该装置具有模数转换器和评估单元。此外，本发明还涉及该装置的应用和一种用于用该装置探测模拟的测量信号中的信号脉冲的方法。
背景技术
粒子计数器通常具有光毯(Lichtteppich)，多半分散的粒子流被引导通过该光毯，其中，每一个粒子在经过光毯时产生散射光，所述散射光由光传感器探测到。为了改善可测性，粒子通常事先穿过一个冷凝单元，在该冷凝单元中冷凝微滴长在粒子上。基于冷凝微滴的较大的尺寸和一致性，相比直接测量粒子能实现可计数性。
由于光毯的高斯形的光强度分布，经过的粒子产生了同样高斯形的信号脉冲。在优化情况下，每个单个粒子提供单个的散射光脉冲，这对应零星出现的信号脉冲的时间变化走向。在此可以通过泊松分布确定离散事件的统计学概率分布。
若粒子之间的在时间上的间隔过小，则出现重合。在此，由几乎前后相继的粒子产生的信号脉冲在信号技术上重叠成一个唯一的信号脉冲并且不再能作为两个单独事件加以分离。
光传感器产生一个模拟的测量信号，评估该模拟的测量信号以用于对信号脉冲进行探测和计数。在此通常限定一个阈值，其中，由比较元件检测经过的粒子的所产生的信号脉冲，在超过该阈值时，所述粒子被认为已经识别。在阈值选得过高时，则可能发生过小的信号脉冲错误地没有被计数的情况。但若阈值选得过低，那么紧挨着的、部分交叠的信号脉冲(重合)就被识别为仅一个单独的信号脉冲，因此一些信号脉冲没有被探测到。背景噪声在阈值过低时也可能导致错误的结果。
尤为不利的是，所测得的脉冲集合(Pulsensemble)具有漂移行为，因而所述的集合在测量期间从由阈值限定的测量范围移动出来。通过阈值的信号评估在此可能未受察觉地造成错误的结果。
信号评估通常在模拟域中执行，因为测量信号中的信号脉冲极短，通常在80-200ns范围内，因而数字化需要极高的采样率。虽然可用也能针对极短的信号脉冲实现足够高的采样率的模数转换器，但借助阈值在数字域中的评估相比模拟域没有显著优势，因而通常在模拟域中的评估提供更为简单并且因此优选的解决方案。
发明内容
因此，在现有技术中需要用于探测信号脉冲的装置和方法，所述装置和方法能更好地识别重合并且实现更高的计数准确性以及提供了识别、评估和补偿测量信号的漂移行为的可能性。
按照本发明，通过本文开头所述类型的一种装置来解决现有技术的这些和其他任务，在该装置中，评估单元具有斜率评估单元，该斜率评估单元通过评估模数转换器的数字的数据流中相邻的采样之间的斜率来实时确定信号脉冲，其中，评估单元具有漂移探测单元，该漂移探测单元确定并评估用于探测和/或评估测量信号的漂移行为的标准，其中，用于探测和/或评估漂移行为的标准包括背景光的变化和/或平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。换句话说，本发明实现了一种用于对粒子计数器的模拟的测量信号中的部分重叠的信号脉冲进行探测和计数的装置或方法。由此可以取代固定阈值而以简单的方式评估测量信号的变化走向。可以评估斜率转变来识别脉冲峰值。这也允许了识别和补偿漂移行为。实时的评估在连续的测量方法中是必需的并且可以通过按照本发明的方法达成。
在本发明的一种有利的实施方式中，模数转换器以超过50MSPS(每秒百万次采样)，优选在50和105MSPS之间的采样率产生数字的数据流。这就已经允许了纳秒范围内的信号脉冲的探测。
按照本发明，优选可以在集成电路中，优选在现场可编程门阵列中实施信号脉冲的探测。这允许了与硬件相关并且因而灵活地执行识别算法以及因此以简单的方式实现了实时信号评估。
在本发明的另一种有利的设计方案中，评估单元可以具有探测单元，该探测单元在一系列采样满足参数组的条件时探测信号脉冲，其中，所述参数组包括从最小边沿上升斜率、最小上升持续时间和/或最小边沿下降斜率中选出的至少一个参数。这种参数组允许了借助简单的比较运算操作来快速探测信号脉冲。在此无需积分环节或微分环节。
为了滤出背景噪声，评估单元可以有利地具有阈单元，该阈单元将低于限定的探测阈时的采样从评估剔除。
在另一个实施方式中，评估单元可以具有漂移探测单元，该漂移探测单元确定并评估用于对所测得的脉冲集合的漂移行为进行探测和/或评估的标准。由此可以提早识别误差源并且避免结果不充分(Minderbefunde)。
按照本发明，用于探测和/或评估漂移行为的标准优选包括背景光的变化、平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。这种标准允许对出现漂移行为的原因的专业陈述，因而可以及时计划相应的维护措施。
所述装置可以有利地具有用于补偿粒子计数器内漂移行为的补偿元件，其中，该补偿元件的调节量被传送给所述评估单元以用于探测和/或评估测量信号的漂移行为。尤其可以用该补偿元件来补偿测量室内背景光的变化，其中，该补偿元件可以设置在模拟域或数字域中。漂移行为的补偿保证了测量信号的零位线不会转移。由此例如确保了用于滤出背景噪声的探测阈的有效性。评估单元的调节量同时用作用于探测和/或评估漂移行为的特征值中的其中一个。
所有装置元件，特别是模数转换器、评估单元、斜率评估单元、探测单元、阈单元、漂移探测单元和/或补偿元件，以及所述装置的所有其它的功能性元件，视要求而定，都分别可以设计成自身的硬件单元，它们可以成小组地任意组合成任意硬件单元，它们可以分别集成在不同的单元中，或它们可以部分或整体地以软件实施。
按照本发明的装置可以有利地用于，基于漂移行为确定维护时间点。在此可以借助相应的标准也得出对所需维护类型的具体陈述。
本文开头提到的用于探测模拟的测量信号中的信号脉冲的方法规定，通过评估模数转换器的数字的数据流中相邻的采样之间的斜率来实时确定信号脉冲。
所述方法在一系列采样满足参数组的条件时可以以有利的方式探测信号脉冲，其中，所述参数组包括从最小边沿上升斜率(min_incr)、最小上升持续时间(peak_valid)和/或最小边沿下降斜率(min_decr)中选出的至少一个参数。
必要时也可以并行地评估和比较多个不同的参数组，例如用于动态地确定在计数准确度方面优化的参数组、为了对粒子特性分类或为了确定重合。并行的参数组可以例如用于自动修正。
按照本发明，在此有利地仅在超过限定的探测阈时才评估采样，以便滤出背景噪声。
在按照本发明的方法的一种优选的设计方案中可以确定用于探测和/或评估所测得的信号集合的漂移行为的标准，其中，用于探测和/或评估漂移行为的标准优选包括背景光的变化、平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。
平均信号脉冲持续时间与采样间隔的最小比值可以有利地小于40，优选小于20以及特别是小于6。基于稳定的评估算法，也可以借助少量的采样可靠地识别信号脉冲。这也提高了粒子的最大允许的穿过速度。用按照本发明的方法可以例如在100MSPS的采样频率下识别到仅30ns持续时间的信号脉冲。这对应信号脉冲持续时间(3*10-8s)与采样间隔(1*10-8s)之比3。为了充分且有说服力地通过平均信号脉冲幅度或平均信号脉冲持续时间评估漂移行为，较高的采样频率可能是有意义的。
为了探测部分重叠的信号脉冲，可以量化并随后考虑与理想的信号形状的偏差。与理想的信号形状的偏差程度允许对关于出现的重合作出推断。
附图说明
接下来参考附图1至3详细阐释本发明，附图示例性地、示意性地以及并非限制性地示出了本发明的有利的设计方案。图中：
图1示出带有多个信号脉冲的一个模拟的测量信号；
图2示出了带有探测单元和评估单元的用于探测信号脉冲的按照本发明的装置的框图；以及
图3是用来阐释用于评估算法的参数的数字化的信号脉冲集合的图表。
具体实施方式
图1示出了由光电探测器记录的测量信号1的变化走向，图中绘出了关于时间t的光强度I。测量信号可以例如源自冷凝粒子计数器的传感器室，其中，在测量信号1中示出的三个信号脉冲2的每一个由一个穿过测量室的光毯的粒子产生。当粒子或在粒子上冷凝的气溶胶微滴横穿光毯时，由粒子散射出的光到达光电探测器3(参看图2)并且产生了一个信号脉冲2。在图1中，前两个信号脉冲2显示出开始的重叠，如同它们在极快的时序下可能出现的那样。
这种信号脉冲的由粒子(最终)尺寸和光毯的宽度决定的持续时间，典型地处在几纳秒的范围内，例如80至200ns的范围内。
信号脉冲的高度与散射光强度以及因此与粒子大小相关联。脉冲宽度给出了有关粒子横穿光幕或光学的探测装置所需的持续时间的说明。
图2示出了按照本发明的装置的一个实施例。该装置具有带光电探测器3、跨阻抗放大器4、补偿元件5和模数转换器6的探测单元9和带现场可编程门阵列11的评估单元10。
由光电探测器3产生的电流(也就是说测量信号1)用跨阻抗放大器4放大并且在它被模数转换器数字化之前在此转换成电压信号1′。电压信号1′在图2中示出在补偿元件5上方的图表中，其中，示意性地绘出了用于数字化的采样8。电压信号可以以公知的方式在模数转换之前经受平滑滤波。
信号脉冲的纳秒范围内的小的持续时间在信号数字化时要求极为快速的采样、快速的数字的信号评估算法和模拟的信号路径的与此相应高的带宽。为此例如可以使用一个有高带宽的高速光电探测器作为光电探测器3。与此协调的是，接在下游的跨阻抗放大器4必须具有足够高的放大。在此须注意的是，用足够高的增益带宽乘积确保了同样所需的信号带宽(放大器的增益越高，那么它的带宽就越有限)。
补偿元件5补偿了探测腔中的背景光波动。由补偿元件5使用的调节量Vcomp被进一步传送给评估单元10并且用作用于识别漂移的多个标准中的其中一个。随着背景光的变化渐增，可以推断出测量系统受到污染或标定降级。漂移识别继续在下文更为深入地加以说明。
跨阻抗放大器4或补偿元件5到模数转换器6的信号线路可以优选通过差分线对构建，该差分线对相比电磁耦合额外提供信号完整性。
采样频率可以优选处在50MHz至105MHz的范围内，以便确保用于接下来的信号评估的信号脉冲的足够高的分辨率。
数字化的信号作为数字的数据流7被传送给评估单元10。因为粒子计数以对信号脉冲的连续探测为基础，所以必须由评估单元10实时识别和评估这些信号脉冲。因此对评估单元10的主要要求首先就是快速的数据获取以及因此确保评估算法的实时性。因此不仅是读取模数转换器的采样率fs为50MSPS至105MSPS的采样，而且探测和评估散射光脉冲，都在现场可编程门阵列(FPGA)11中处理。
由评估单元10实施的功能可以包括信号脉冲识别和评估机构13、计数算法14和用于漂移识别和评估的漂移探测单元15。这些功能单元可以要么直接在FPGA 11中实施，要么在位于FPGA下游的单元中实施。在可能的情况下，评估单元10也可能以另一种方式(例如没有FPGA)实施，只要所选择的手段保证足够的处理速度。此外，信号脉冲识别和评估机构13具有用于评估相邻的采样之间的斜率的斜率评估单元16、用于在参数组的基础上探测信号脉冲的探测单元17和阈单元18。该阈单元18保证，仅在超过了限定的探测阈值时才评估采样。
基于对评估算法的快速处理和实时性的要求，数学复杂度必须保持得低。为了能够探测信号脉冲以及将信号脉冲彼此分离，FPGA 11可以评估不同的参数或与这些参数关联的条件以及由此产生一个输出信号(或多个输出信号)，所述输出信号然后可以处理用于计数和进一步的评估。
在图3中借助数字的测量信号1示例性性地示出了一些参数：
1.探测阈(thrhld)
为了抑制数字信号评估系统的噪声部分，引入探测阈作为阈值，通过该阈值开始信号脉冲的探测。可以在不考虑相邻的采样的情况下为每一次单独的采样确定由所述探测阈确定的条件。要注意的是，探测阈在它的功能上有别于如在现有技术中用于产生计数器事件的阈值，因为探测阈不用作粒子计数的唯一的标准。
2.最小边沿上升斜率(min_incr)
确定在两个相继的数据点之间的最小信号上升的一个参数，用作用于信号脉冲的上升的特征值以及因此也用于该信号脉冲的频率的特征值。只要在相继的采样之间的斜率处在最小信号上升之上，那么满足了用于探测信号脉冲的第一条件。为了评估这个参数(或与之关联的条件)，需要确定在两次采样之间的斜率。借助采样的单个的值无法给出关于这个参数的陈述。
3.最小上升持续时间(peak_valid)
除了斜率的值之外，信号脉冲的幅值对于正确探测信号脉冲也很重要。最小上升持续时间的参数限定了最少数量的持续上升的数据点，所述数据点必须具有一个信号走向，以便作为信号脉冲加以探测。以组合的方式，借助最小边沿上升斜率(min_incr)和最小上升持续时间(peak_valid)的参数检验的条件也用作低通滤波器。由重叠的噪声产生的信号峰值在此被滤出。
4.最小边沿下降斜率(min_decr)
为了正确地探测信号脉冲，必须进一步确定该信号脉冲是否达到峰值。当随上升之后的下降低于最小边沿下降的值时，那么就达到了峰值。最小边沿下降斜率(min_decr)因此是最小边沿上升斜率(min_incr)的反面。在分离时间上紧密相继的或部分重叠的信号脉冲时，这个参数(或这个子条件)特别重要。
借助所述参数建立起了一个参数组，该参数组作为用于探测信号脉冲的条件必须加以满足。为了找出优化的参数组，必须在计数准确性、评估的快速性和噪声敏感度之间找到一个折中方案。一个简单的参数组为1x min_incr+1x min_decr。这允许了在仅三次采样内的信号脉冲识别。
参数min_incr和peak_valid的组合也能作为最小条件。若参数min_incr和peak_valid选得足够高，那么噪声毯得到抑制且相关的信号脉冲被正确识别，只要这些信号脉冲没有过于强烈地被噪声干扰。当也考虑到参数min_decr时，产生了一个附加的低通滤波器函数。
为了确定信号脉冲而包括所有上述参数的参数组，因此可以限定一系列在探测阈之上的采样值作为用于探测的条件，在这些采样值中，在稳定的一系列斜率中至少超过最小边沿上升斜率一次，斜率的数量超过了最小上升持续时间，以及其中，在最大值之后，至少一个(负的)斜率低于最小边沿下降斜率。此外可以限定的是，在哪一个时间段内必须低于这个边沿下降斜率。
可以借助所述斜率值也限定另外的参数(例如针对边沿下降的最小持续时间，与值peak_valid类似)，所述另外的参数为了评估信号而被组成一个参数组。
必要时也能并行评估多个参数组，以便确定修正因子，例如用于识别重合。
按照本发明的方法进一步允许了简单地探测和评估测量装置的漂移行为。漂移行为可以借助多个标准加以评判，背景光Vcomp、平均信号脉冲幅值Apeak和平均信号脉冲持续时间Tpeak属于所述标准。
背景光Vcomp的变化可以表明探测单元和/或光源的标定降级。在此，背景光是用于确定维护间隔的一个重要参数。可以例如通过补偿元件5的调节参数来监控背景光。
平均信号脉冲幅值Apeak尤其受到粒子尺寸的影响。在冷凝粒子计数器中，粒子在经过光学的探测单元(也就是说测量装置的测量室)之前，生长到特定的且恒定不变的尺寸。虽然光毯的射束形状和散射角度的变化可能导致各散射光脉冲的偏差，但平均而言，粒子将有近似不变的强度的散射光脉冲形成到光电探测器上。从信号角度来说，这一点意味着平均恒定不变的脉冲幅值。散射光强度的变化因此允许推断出冷凝器中运行介质的变差的生长质量。
平均信号脉冲持续时间Tpeak是对粒子在光毯中的停留持续时间的一个衡量尺度。较长的平均信号脉冲持续时间Tpeak表明了粒子在光毯中停留较长时间，这也表明测量室受到污染或运行介质流动的变化或光毯的变化。这个值的评估对确定维护间隔很重要。
附图标记列表
1 测量信号
2 信号脉冲
3 光电探测器
4 跨阻抗放大器
5 补偿元件
6 模数转换器
7 数字的数据流
8 采样
9 探测单元
10 评估单元
11 现场可编程门阵列(FPGA)
12 模拟的信号路径
13 信号脉冲识别和评估机构
14 计数算法
15 漂移探测单元
16 斜率评估单元
17 探测单元
18 阈单元

Claims (18)

1.用于探测在粒子计数器的模拟的测量信号(1)中的信号脉冲(2)的装置，其中，该装置具有模数转换器(6)和评估单元(10)，其特征在于，该评估单元(10)具有斜率评估单元(16)，该斜率评估单元通过评估在模数转换器(6)的数字的数据流(7)中相邻的采样(8)之间的斜率来实时确定信号脉冲(2)，其中，评估单元(10)具有漂移探测单元，该漂移探测单元确定并评估用于探测和/或评估测量信号(1)的漂移行为的标准，其中，用于探测和/或评估漂移行为的标准包括背景光的变化和/或平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模数转换器(6)以超过50MSPS的采样率(fs)产生所述数字的数据流(7)。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在集成电路中实施对所述信号脉冲(2)的探测。
4.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，评估单元(10)具有探测单元(17)，该探测单元在一系列采样(8)满足参数组的条件时探测信号脉冲(2)，其中，所述参数组包括从最小边沿上升斜率、最小上升持续时间和/或最小边沿下降斜率中选出的至少一个参数。
5.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，评估单元(10)具有阈单元(18)，该阈单元将低于限定的探测阈时的采样(8)从评估中剔除。
6.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述模数转换器(6)以在50和105MSPS之间的范围内的采样率(fs)产生所述数字的数据流(7)。
7.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在现场可编程门阵列(11)中实施对所述信号脉冲(2)的探测。
8.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该装置具有用于补偿粒子计数器中的漂移行为的补偿元件(5)，其中，该补偿元件(5)的调节量被传送给所述评估单元(10)以用于探测和/或评估测量信号(1)的漂移行为。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的装置的应用，其特征在于，基于漂移行为确定维护时间点。
10.用于用按照权利要求1至8中任一项所述的装置来探测在模拟的测量信号(1)中的信号脉冲(2)的方法，其特征在于，评估单元(10)通过评估在模数转换器(6)的数字的数据流(7)中相邻的采样(8)之间的斜率来实时确定信号脉冲(2)。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，当一系列采样(8)满足参数组的条件时，探测信号脉冲(2)，其中，所述参数组包括从最小边沿上升斜率、最小上升持续时间和/或最小边沿下降斜率中选出的至少一个参数。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，仅在超过限定的探测阈时评估采样(8)。
13.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，确定用于探测和/或评估所测得的脉冲集合的漂移行为的标准。
14.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，平均信号脉冲持续时间与采样间隔(ts)的最小比值小于40。
15.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，平均信号脉冲持续时间与采样间隔(ts)的最小比值小于20。
16.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，平均信号脉冲持续时间与采样间隔(ts)的最小比值小于6。
17.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，用于探测和/或评估漂移行为的标准包括背景光的变化和/或平均信号脉冲幅值和/或平均信号脉冲持续时间。
18.按照权利要求10或11所述的方法，其特征在于，为了探测部分重叠的信号脉冲，量化并随后考虑与理想的信号形状的偏差。
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