CN109154659B - 用于颗粒探测的激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种使用用于颗粒密度探测的自混合干涉的激光传感器或激光传感器模块(100)、一种颗粒密度探测的相关方法以及一种对应的计算机程序产品。本发明还涉及包括这样的激光传感器或激光传感器模块的设备。本发明的基本思想是借助于自混合干涉信号来探测颗粒并且确定对应的颗粒密度。另外，与所述颗粒的速度矢量的至少一个速度分量有关的至少第一参数被确定，以便在探测体积与所述颗粒之间存在相对移动的情况下对所述颗粒密度进行校正。这样的相对移动例如可以与运输所述颗粒的流体的速度(例如，风速)有关。此外，能够基于所述自混合干涉信号来确定所述颗粒的速度的至少一个速度分量。

Description

用于颗粒探测的激光传感器
技术领域
本发明涉及一种使用用于颗粒密度探测的自混合干涉的激光传感器或激光传感器模块、一种颗粒密度探测的相关方法以及一种对应的计算机程序产品。本发明还涉及一种包括这样的激光传感器或激光传感器模块的设备。
背景技术
CN 102564909 A公开了一种用于大气颗粒物的激光自混合多物理参数测量方法和激光自混合多物理参数测量设备。所述激光自混合多物理参数测量设备包括微片激光器、准直透镜、分束器、会聚透镜、光探测器、放大器、数据采集卡和谱分析器。所描述的方法和设备是复杂并且昂贵的。
SUDOL S等人：“Quick and easy measurement of particle size of Brownianparticles and planktons in water using a self-mixing laser”，OPTICS EXPRESS，val.14、第3期、2006年2月6日(2006-02-06)、第1044-1054页、XP002753399，DO1:10.1364/OE.14.001044公开了一种用于快速并且容易地测量悬浮的小颗粒的大小的方法。该方法使用利用具有极其高光学灵敏度的激光二极管泵送的薄切片LiNdP4O12激光器的自混合激光器多普勒测量。Brownian运动中的颗粒的平均大小由起因于运动的调制的自混合激光的测量功率谱的Lorentz拟合来确定。
US 2015/077735 A1公开了一种用于确定风速的设备，其包括在共面的不同方向上发射射束并且使得每个发射方向对应于垂直发射方向的至少两个激光源。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于颗粒密度探测的经改进的激光传感器模块。
根据第一方面，提出了一种用于流体中的颗粒密度探测的激光传感器模块。所述激光传感器模块包括至少一个第一激光器、至少一个第一探测器、至少一个电驱动器以及至少一个评估器。所述第一激光器适于响应于由所述至少一个电驱动器提供的信号而发射第一激光。所述至少一个第一探测器适于确定所述第一激光器的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号。所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射激光引起的。所述第一反射激光是被所述流体中接收所述第一激光的至少部分的颗粒反射的。所述评估器适于确定与所述颗粒相对于所述激光传感器模块的第一速度分量有关的至少一个第一参数。所述第一速度分量代表所述流体的流动的速度。所述第一参数是基于在预定时间段内确定的所述第一自混合干涉信号来确定的。所述评估器适于基于所述第一自混合干涉信号来确定颗粒密度。所述评估器适于借助于所述第一参数对所述颗粒密度进行校正。
所述第一激光器优选可以适于发射具有红外谱范围中的高于750nm、最优选在波长谱的780nm与1300nm之间的波长的激光。
所述第一激光器可以是半导体激光器，作为侧发射器或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
所述电驱动器适于提供适于探测颗粒的任何驱动方案或电流调制以及与所述第一速度分量有关的所述第一参数。这样的驱动方案或电流调制的范例例如是恒定电流、三角形电流或矩形电流。
所述第一参数优选涉及与所述第一速度分量的一对一关系。所述颗粒密度是通过确定预定时间段内的若干颗粒以便得到可靠的颗粒密度而确定的。确定所述颗粒密度的时间可以借助于可以所述激光传感器模块所包括的第二、第三、第四或更多激光器来减少。所述激光传感器模块优选包括具有多个激光器的一维或二维激光器阵列。每个激光器可以包括集成的探测器以便确定颗粒的存在。备选地，可以存在例如测量跨所述激光器的激光腔的阻抗的常用探测器。所述常用探测器可以适于识别每个激光器和对应的阻抗或测量信号。使用多个激光器来增加探测体积，并且因此，来增加探测颗粒的可能性。激光器的数量和任选地对应的探测器可以取决于期望的颗粒密度来适配。在其中预期高颗粒密度的情况下，单个激光器可以是足够的。在较低的颗粒密度处，可以所有两个、三个或更多个激光器以得到可接受的测量时间。另外，可以使用由不同颗粒的测量而引起的第一自混合干涉信号以便以可靠的方式来确定所述第一参数。必须在预定义时间段内测量的颗粒的数量可以与所述第一参数(第一速度分量)的分布有关。如果存在所述第一参数的窄分布，则低数量的测量可以是足够的。如果存在所述第一参数的较宽分布，则可能需要较高数量的测量。所述激光传感器模块可以包括处理器或微处理器以及对应的数据存储设备，其借助于对应的软件代码来适配以应用统计学方法以便确定以可靠的方式确定所述颗粒密度和/或所述第一参数所需的颗粒的数量。备选地，可以提供或者预编程定义所述测量时间的预定义时间段，并且取决于预期的颗粒密度，测量值的统计学显著性。
所述第一参数还可以被用于确定所述第一速度分量。所述第一速度分量(或者对应的平均值)可以以已知的方式与包括所述颗粒的流体的总速度有关，使得所述第一速度分量能够被用于借助于所述第一自混合干涉信号来确定所述总速度。并且，如果包括所述颗粒的所述流体(例如，空气)相对于所述激光传感器模块或者更特定地相对于所述第一激光器的光轴(或者所述多个激光器的光轴)的流体流动的方向是已知的，则例如可以给出所述第一速度分量与所述总速度之间的已知关系。
需要借助于所述第一参数对所述颗粒密度的校正，因为包括所述颗粒的流体的速度确定在预定时间段内借助于第一激光器(或者激光器阵列)扫描的测量体积。所述速度越高，所述测量体积越大。如果参考体积是在零风速处取得的，则高风速因此可以导致太高的颗粒密度。
所述激光传感器模块可以适于提供针对不同探测体积的所述第一自混合干涉信号，其中，所述评估器适于基于借助于在不同探测体积处反射的所反射的第一激光而生成的第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。在该方面中，不同探测体积意指所述探测体积的至少部分不重叠。
所述激光传感器模块优选可以包括光学操纵器。所述光学操纵器可以适于提供针对不同探测体积的第一自混合干涉信号。所述评估器可以适于基于借助于在不同探测体积处反射的所反射的第一激光而生成的第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。
所述光学操纵器可以适于提供在相应的探测体积处的所述第一激光的方向与所述颗粒的移动的方向之间的不同的关系。该不同的关系可以被用于确定所述第一参数。所述光学操纵器例如可以是具有多个反射面的透明块。不同的反射面的反射率可以是可切换的。所述第一激光可以经由入射窗进入所述透明块并且经由具有可以忽略的反射率(反射率关闭)的表面离开所述透明块。一般而言，所述探测体积以已知的方式改变其相对于所述颗粒的移动的方向的相对位置。在备选实施例中，所述第一激光器可以被移动以便改变所述探测体积。所述第一激光器或者包括所述第一激光器的激光器阵列例如可以被布置在MEMS设备的顶部之上，所述MEMS设备可以借助于控制器来控制以便改变所述探测体积的相对位置。
所述光学操纵器优选可以包括反射镜布置。所述反射镜布置优选可以包括用于对所述第一激光进行重定向的第一可移动反射镜，其中，所述评估器适于基于在所述第一可移动反射镜的移动的不同阶段处接收到的所述第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。关于所述第一可移动反射镜的移动的知识包括关于斑点位置以及由此斑点速度的知识。
所述评估器基于接收到的第一自混合干涉信号来确定所述颗粒密度，并且基于测量结果来校正所述颗粒密度。在这种情况下，所述第一速度分量未被明确地确定，但是其被间接地包括在由所述第一可移动反射镜的移动所引起的颗粒密度的变化中。在这种情况下，所述激光传感器模块可以适于应用与所述可移动反射镜相对于所述颗粒的移动的方向的移动有关的校正算法。
所述第一可移动反射镜可以适于围绕旋转轴移动。围绕所述旋转轴的所述移动包括围绕所述旋转轴的任何种类的非线性移动(同样地旋转、振荡等)。所述评估器可以适于基于在所述可移动反射镜的至少两个不同的相位角处接收到的第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。第一光学器件可以被用于将所述第一激光聚焦到相应探测体积内的聚焦区域。借助于至少两个不同的相位角，可以借助于所述可移动反射镜仅获得与平行于所述第一激光的射束的移动的方向的速度有关的信息或第一参数。在其中已知所述颗粒相对于所述激光传感器模块或第一激光器的移动的方向的这样的情况下，该信息可以是足够的，如上文所描述的。
在备选方法中，所述可移动反射镜可以适于围绕两个轴移动。
所述激光传感器模块优选可以适于围绕所述旋转轴以预定义振荡频率振荡。所述评估器优选适于在所述可移动反射镜的至少三个不同的相位角处确定所述第一参数。在所述探测体积相对于所述颗粒的移动的方向的三个不同的相位角处或者更一般地在三个不同的相对位置或范围处的所述第一参数的知识可以实现对所述颗粒的总速度矢量的确定。
在这种情况下，所述评估器可以适于基于在所述可移动反射镜的至少三个不同的相位角处所确定的第一参数来确定所述颗粒相对于所述激光传感器模块的所述第一速度分量和第二速度分量。除了所述第一参数之外，例如，可以使用所述反射镜的调制频率、所述探测体积或测量斑与所述可移动反射镜的角偏转幅度和距离，以便确定所述第一速度分量和所述第二速度分量。所述激光传感器例如可以被用在风速计中以便确定风速。
所述激光传感器模块还可以包括用于将所述第一激光聚焦到第一聚焦区域的至少一个第一光学设备。所述第一光学设备可以包括透镜或透镜布置。所述第一光学设备还可以包括光学单元，所述光学单元适于使所述第一激光偏转。所述第一光学设备可以适于将由包括所述第一激光器的激光器阵列发射的第一、第二、第三、第四等激光聚焦到第一、第二、第三、第四等聚焦区域。所述聚焦区域确定能够从其接收可探测的反馈以便生成所述自混合干涉信号的探测体积。所述第一光学设备可以包括用于对多条激光射束的多个透镜。所述第一光学设备备选地可以包括例如微透镜的集成阵列。另外，所述透镜或微透镜可以适于通过使个体激光射束在不同的方向上偏转来散布所述探测体积。在备选方法中，所述第一光学设备主要包括另外的光学单元，所述另外的光学单元可以适于通过使所述激光射束在不同的方向上偏转来将所述激光器阵列的不同的激光器的激光射束(第一激光、第二激光、第三激光等)散布到不同的聚焦区域。
所述激光传感器模块可以至少包括第二激光器。所述第二激光器可以适于在与所述第一激光被发射的第一发射方向不同的第二发射方向上发射第二激光。所述第二探测器可以适于确定所述第二激光器的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号。所述第二自混合干涉信号是由重新进入所述第二激光腔的第二反射激光引起的，所述第二反射激光是被接收所述第二激光的至少部分的颗粒反射的。所述评估器适于确定与所述颗粒相对于所述激光传感器模块的第二速度分量有关的至少一个第二参数。所述第二参数是基于所述第二自混合干涉信号来确定的。所述评估器还适于借助于所述第一参数和所述第二参数对所述颗粒密度进行校正。
借助于所述第二激光器探测的所述颗粒可以是与由所述第一激光器探测的颗粒相同的颗粒或者是不同的颗粒。所述第一激光器可以在这种情况下探测第一颗粒并且所述第二激光器可以在这种情况下探测与所述第一颗粒不同的第二颗粒。
可以使用所述第一探测器，以便分析或评估所述第一自混合干涉信号和所述第二自混合干涉信号。所述激光传感器模块优选可以包括第二探测器，以便与所述第一自混合干涉信号独立地确定所述第二自混合干涉信号。所述激光传感器模块可以包括超过两个激光器，例如，可以被集成在如上文所描述的一维或二维激光器阵列中的多个激光器。在这种情况下，所述激光传感器模块可以适于并行地生成多条激光射束并且彼此独立地确定多个自混合干涉信号。在这种情况下，所述激光传感器模块可以探测由三个、四个或更多个颗粒引起的自混合干涉信号。
所述评估器还可以适于基于所述第一参数和所述第二参数来确定所述颗粒相对于所述激光传感器模块的所述第一速度分量和所述第二速度分量。
所述评估器还可以适于在存在第三激光器、第四激光器或更多激光器的情况下基于所述第一参数、所述第二参数、第三参数或者甚至更多参数来确定所述颗粒的总速度矢量。所述评估器可以适于借助于理论模型来确定所述速度分量和/或所述总速度矢量，其中，例如可以假定一个或多个颗粒由层流组成。
所述评估器还可以适于基于所述第一自混合干涉信号来确定所述颗粒的颗粒大小。所述评估器还可以适于借助于对多个颗粒的大小的确定来确定颗粒大小分布。颗粒大小探测可以与如上文所描述的所述激光传感器模块的任何实施例相组合。
根据另外的方面，提出了一种空气调节系统。所述空气调节系统包括至少一个如上文所描述的激光传感器模块。所述至少一个激光传感器模块可以适于确定空气质量和/或空气速度。术语“空气调节系统”包括适于提供至少最小质量的空气的每种设备或系统。空气调节器可以包括如上文所描述的空气调节系统。真空清洁器可以包括如上文所描述的空气调节系统。
所述激光传感器模块可以在包括用于对流体、尤其是空气进行过滤的一个或多个过滤器的每种设备或应用中是有用的。所述激光传感器模块可以被用于确定所述颗粒密度和所述流体(例如，空气)流动的速度。所述速度可以被用于确定(一个或多个)滤波器是否必须被清洁或替换。被沾污的过滤器或过滤器系统可以由使得流体的速度减少的较高的流动阻力来表征。
根据另外的方面，所述激光传感器模块可以是可以被用于确定空气质量的颗粒探测器的部分。这样的颗粒探测器例如可以被集成在移动设备中，尤其是被集成在移动通信设备中。所述激光传感器模块可以是分离的设备，所述分离的设备例如能够被集成在移动设备中，或者所述激光传感器模块的功能的至少部分可以借助于由所述移动设备提供的基础设置来执行。特别地，所述评估器的功能的全部或部分可以借助于所述移动设备的一个或多个处理器来提供。软件代码可以被存储在所述移动设备的存储设备中以便例如实现所述评估器的功能的至少部分。
根据另外的方面，提出了一种传感器设备。所述传感器设备包括如上文所描述的至少一个激光传感器模块。所述传感器设备还包括至少一个通信接口。所述至少一个激光传感器模块可以适于确定空气质量和/或空气速度。所述传感器设备可以适于借助于所述通信接口来实现对与所确定的空气质量和/或空气速度有关的数据的访问。
所述传感器设备可以被集成在通信网络中，使得所述数据能够借助于所述通信网络来访问。通信网络包括适于分布信息的每种网络。这例如可以是移动通信网络，如GSM、UMTS、LTE通信系统。通信网络还包括因特网以及本地网络，尤其例如可以是基于WLAN技术等的无线网络。通信网络还可以包括如移动通信网络、因特网或局域网的不同网络技术之间的每种交互。所述传感器设备可以是能够借助于不同通信协议和网络技术访问的物联网设备。备选地或另外地，所述通信接口可以适于借助于对等网络技术(例如，蓝牙)进行通信。例如，可能的是，能够使用如智能电话等的移动通信设备借助于蓝牙与所述传感器设备通信。所述移动通信设备例如可以借助于对应的软件应用实现与所述传感器设备的通信以便接收所述数据。所述数据可以包括颗粒密度、颗粒大小或颗粒大小分布、风速、风向等。所述传感器设备例如可以被集成或耦合到灯杆或类似的构造以便实现对例如城镇或农村内的多个点处的数据的确定。
根据另外的方面，提出了一种流体中的颗粒密度探测的方法。所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器发射第一激光，
-在所述第一激光器的第一激光腔中接收被所述流体中接收所述第一激光的至少部分的颗粒反射的第一反射激光，
-确定所述第一激光器的所述第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的所述第一反射激光引起的，
-基于所述第一自混合干涉信号来确定与所述颗粒相对于所述激光传感器模块的第一速度分量有关的至少一个第一参数，其中，所述第一速度分量代表所述流体的流动的速度，
-基于在预定时间段内确定的所述第一自混合干涉信号来确定颗粒密度，
-借助于所述第一参数对所述颗粒密度进行校正。
所述方法的步骤不一定以如上文所提出的次序来执行。
根据另外的方面，提出了在其上存储有代码模块的计算机存储介质。所述计算机存储介质能够是所述激光传感器模块的至少一个存储器设备或者是包括所述激光传感器模块的设备的至少一个存储器设备。所述代码模块被布置为使得能够借助于所述激光传感器模块的至少一个处理设备或者借助于包括所述激光传感器模块的设备的至少一个处理设备来执行所述方法。所述存储器设备或所述处理设备可以由所述激光传感器模块(例如，电驱动器、评估器等)或者包括所述激光传感器模块的设备所包括。包括所述激光传感器模块的设备的第一存储器设备和/或第一处理设备可以与所述激光传感器模块所包括的第二存储器设备和/或第二处理设备进行交互。
应当理解，上述激光传感器模块和方法具有相似和/或相同的实施例。
应当理解，本发明的优选实施例还能够是各实施例的任何组合。
下文定义了另外的有利实施例。
附图说明
本发明的这些和其他方面将根据下文中所描述的实施例而显而易见并得以阐述。
现在将基于参考附图的实施例以范例的方式来描述本发明。
在附图中：
图1示出了第一激光传感器模块的主要略图；
图2示出了第二激光传感器模块的主要略图；
图3示出了第三激光传感器模块的主要略图；
图4示出了第四激光传感器模块的主要略图；
图5示出了取决于可移动反射镜的相位角而示出颗粒计数的第一图形；
图6示出了取决于可移动反射镜的相位角而示出颗粒计数的第二图形；
图7示出了理论计算结果和实验测量结果之间的比较；
图8示出了7m/s的速度处的第一自混合干涉信号；
图9示出了1m/s的速度处的第一自混合干涉信号；
图10示出了第五激光传感器模块的主要略图；
图11示出了第六激光传感器模块的主要略图；
图12示出了第七激光传感器模块的主要略图的顶视图；
图13示出了移动通信设备的主要略图；
图14示出了空气调节系统的主要略图；
图15示出了第一传感器设备的主要略图；
图16示出了第二传感器设备的主要略图；并且
图17示出了颗粒密度探测的方法的主要略图。
在附图中，相同的数字自始至终指代相同的对象。附图中的对象不必按比例绘制。
附图标记列表
10颗粒数轴
20时间轴(反射镜周期)
30随时间的颗粒计数Vpar＝0和Vper＝0m/s
32随时间的颗粒计数Vpar＝0和Vper＝3m/s
33随时间的颗粒计数Vpar＝3和Vper＝0m/s
34随时间的颗粒计数Vpar＝3和Vper＝3m/s
33随时间的颗粒计数Vpar＝-3和Vper＝0m/s
40颗粒计数轴
50速度轴
60立方根速度相关性
61理论相关性
62实验结果
70时间轴
80SNR轴
91第一信号
92第二信号
93第三信号
94第四信号
100激光传感器模块
110第一激光器
111第二激光器
120第一探测器
121第二探测器
130电驱动器
140评估器
150第一光学设备
155第一聚焦区域
156第二光学器件
158第二聚焦区域
160控制器
170可移动反射镜
190移动通信设备
191用户接口
192主处理设备
193主存储器设备
200空气调节系统
210空气增流器
220过滤器系统
300传感器设备
310通信接口
320传感器设备的旋转轴
330定向设备
410发射第一激光的步骤420接收第一反射激光的步骤430确定第一自混合干涉信号的步骤440确定第一参数的步骤450确定颗粒密度的步骤460校正颗粒密度的步骤
具体实施方式
现在将借助于附图来描述本发明的各种实施例。
自混合干涉被用于探测对象的移动以及与对象的距离。Giuliani,G.、Norgia,M.、Donati,S.和Bosch,T.在Laser diode self-mixing technique for sensingapplications，Journal of Optics A:Pure and Applied Optics，2002，4，S.283-S.294上的“Laser diode self-mixing technique for sensing applications”一文中描述了关于自混合干涉的背景信息，在此通过引用将其并入本文。在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述了对指尖相对于光学输入设备中的传感器的移动的探测。关于在国际专利申请No.WO 02/37410中对距离和移动的探测的公开内容通过引用被并入本文。
基于在国际专利申请No.WO 02/37410中所提出的范例讨论了自混合干涉的原理。具有激光腔的二极管激光器被提供用于发射激光或者测量射束。在其上侧，所述设备被提供有对象(例如，人类手指)跨其移动的透明窗口。透镜、例如平凸透镜被布置在二极管激光器与所述窗口之间。该透镜将激光射束聚焦在透明窗口的上侧处或附近。如果对象存在于该位置处，则其使测量射束散射。所述测量射束的辐射的部分在照明射束的方向上被散射并且该部分由激光器二极管的发射面上的透镜会聚并且重新进入该激光器的腔。重新进入二极管激光器的腔的辐射诱发激光器的增益的变化并且因此诱发由激光器发射的辐射的强度的变化，并且其是被称为二极管激光器中的自混合效应的这种现象。
由激光器发射的辐射的强度的改变能够由出于该目的而提供的光电二极管来探测，所述二极管将辐射变化转换为电信号，并且电子电路被提供用于处理该电信号。
对象相对于测量射束的移动使得由此反射的辐射经历多普勒频移。这意指该辐射的频率改变或者发生频率偏移。该频率偏移取决于对象移动的速度并且是大约数kHz到数MHz。重新进入激光腔的频率偏移的辐射干扰在该腔中生成的光波或辐射，即，在该腔中发生自混合效应。取决于光波与重新进入所述腔的辐射之间的相移量，干扰将是建设性的或者消极性的，即激光器辐射的强度周期性地增大或减小。以这种方式生成的激光器辐射调制的频率确切地等于腔中的光波的频率与重新进入所述腔的多普勒频移辐射的频率之间的差。频率差大约数kHz到数MHz并且因此易于探测。自混合效应与多普勒频移的组合引起激光腔的行为的变化；尤其是其增益或光放大变化。例如，可以测量激光腔的阻抗或者由激光器发射的辐射的强度，并且不仅能够评估对象相对于传感器的移动量(即，行进的距离)，而且也能够确定移动的方向，如在国际专利申请No.WO 02/37410中详细描述的。
图1示出了第一激光传感器模块100的主要略图。所述第一激光传感器模块包括具有集成第一探测器120的第一激光器110。集成第一探测器120是集成光电二极管，所述集成光电二极管是第一激光器110的层结构的部分。所述集成光电二极管确定第一激光器的第一激光腔内的光波的振荡。第一激光传感器100还包括电驱动器130和评估器140。评估器140被连接到第一激光器110或者更精确地被连接到第一探测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是具有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，其提供借助于电驱动器130来调制和供应的电力。电驱动器130将交替次序的不同的调制方案提供给第一激光器110。在第一调制方案中提供恒定电流。在第二调制方案中提供具有三角形调制方案中的驱动电流。所述三角形调制方案被用于借助于所述第一自混合干涉信号来确定第一激光器110与颗粒之间的相对距离并且任选地确定第一速度分量。恒定电流被用于确定在这种情况下与第一参数相同的第一速度分量。评估器140接收由第一探测器120所提供的电信号，所述电信号是由第一自混合干涉信号引起的。评估器140还从电驱动器130接收关于驱动方案的信息。评估器140借助于该信息实现确定第一激光器110与第一速度分量之间的相对距离。箭头指示颗粒的移动的方向。在其中已知移动相对于第一激光的射束的方向的情况下，仅对第一速度分量的确定可以是适合的。例如，在这种情况下，能够借助于第一速度分量和已知关系来确定颗粒的总速度。
图2示出了第二激光传感器模块100的主要略图。所述第二激光传感器模块包括第一激光器110。第二探测器120被布置为外部测量电路，所述外部测量电路确定跨第一激光腔的电压或者更一般地确定受所述第一自混合干涉信号影响的第一激光腔的阻抗。第一激光传感器100还包括电驱动器130和评估器140。评估器140被连接到第一激光器110、第一探测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是侧面发射半导体激光器。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130来调制和供应的电力。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，所述电源提供借助于电驱动器130来调制和供应的电力。电驱动器130提供恒定电流，所述恒定电流被用于确定颗粒的存在以及所确定的颗粒的第一速度分量。评估器140接收由第一探测器120提供的电信号，所述电信号是由第一自混合干涉信号引起的。评估器140从电驱动器130接收信息。评估器140还从第一激光器设备接收温度信息。评估器140借助于该信息实现确定颗粒的存在以及在这种情况下与第一参数相同的第一速度分量。箭头指示颗粒的移动的方向。在其中已知移动相对于第一激光的射束的方向的情况下，仅第一速度分量的确定可以是适合的。例如，在这种情况下，能够借助于第一速度分量来确定总速度。
图3示出了第三激光传感器模块100的主要略图。所述第三激光传感器模块包括具有集成第一探测器120的第一激光器110。集成第一探测器120是集成光电二极管，所述集成光电二极管是第一激光器110的层结构的部分。第三激光传感器模块100还包括电驱动器130、评估器140和第一光学器件150。评估器140被连接到第一激光器110或者更精确地被连接到第一探测器120和电驱动器130。电驱动器130向第一激光器110供应电力以便发射第一激光。在这种情况下，第一激光器110是具有集成光电二极管的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。激光传感器模块100被连接到电源(未示出)，其提供借助于电驱动器130来调制和供应的电力。电驱动器130将交替次序的不同的调制方案提供到第一激光器110。在第一调制方案中提供恒定电流。在第二调制方案中提供具有三角形调制方案中的驱动电流。评估器140接收由第一探测器120提供的电信号，所述电信号是由第一自混合干涉信号引起的。第一自混合干涉可以包括振荡的猝发，其可以由第一激光的第一聚焦区域155中的颗粒的存在引起。评估器140还从电驱动器130接收信息。评估器140借助于该信息实现确定颗粒的存在以及相应颗粒的对应第一速度分量。由第一激光器110发射的第一激光借助于第一光学设备150被聚焦到第一聚焦区域155。能够在第一聚焦区域155周围的范围内探测颗粒。箭头指示颗粒的移动的方向。在其中已知移动相对于第一激光的射束的方向的情况下，仅对第一速度分量的确定可以是适合的。例如，在这种情况下，能够借助于第一速度分量来确定总速度。
第一光学设备150例如可以仅包括具有定义直径的透镜的一个透镜。第一自混合干涉信号随着(1-exp[-(rlens/wpupil)^2])^2而缩放，其中，wpupil是透镜瞳孔处的第一激光的高斯射束的腰部参数。所述透镜应当具有特定最小直径以便避免归因于第一激光的反向散射或反射射束的渐晕的信号损失。有利的实施例将具有>1.1瞳孔直径的透镜直径(这对应于3dB信号损失)。更好的将是透镜>1.5高斯射束的瞳孔直径(1dB信号损失)。
图4示出了第四激光传感器模块100的主要略图。所述第四激光传感器模块包括具有集成第一探测器120的第一激光器110。第四激光传感器模块100还包括电驱动器130、评估器140、第一光学设备150、可移动反射镜170以及用于控制可移动反射镜170的控制器160。评估器140被连接到第一探测器120、电驱动器130和控制器160。电驱动器130向第一激光器110供应电力以便发射第一激光。电驱动器130提供适于确定颗粒的存在以及与相应颗粒的第一速度分量有关的第一参数的恒定驱动电流。评估器140接收由第一探测器120提供的电信号，所述电信号是由第一自混合干涉信号引起的。评估器140还从电驱动器130和控制器160接收信息以便解释由第一探测器120测量的第一自混合干涉信号。由电驱动器130所提供的信息可以包括电流幅度。由控制器160提供的信息可以包括角速度、反射镜移动的幅度、反射镜移动的相位、任选地不同角处的保持时间等。评估器140借助于该信息实现确定颗粒的存在以及与颗粒的第一速度分量有关的相应第一参数。由第一激光器110发射的第一激光借助于第一光学设备150被聚焦到第一聚焦区域155，所述第一聚焦区域在可移动反射镜170的振荡期间沿着扫描方向移动。能够在第一聚焦区域155周围的范围内探测颗粒。
第一自混合干涉信号的颗粒信号幅度是聚焦斑的数值孔径(或者高斯射束的射束腰)与可移动反射镜170的反射镜移动之间的相互作用。首先，应当确定待探测的最小颗粒大小。这提出了在过滤之后能够存在于第一自混合干涉信号中的最大噪声功率的限制。如上文所讨论的，斑和颗粒的相对速度确定信号的频率带宽。当速度是低的时，采样的空气体积是低的，速度的增大导致更多采样的体积并且因此导致更多探测的颗粒。SNR还针对较大的速度减小，但是这是不重要的，只要最小期望颗粒仍然是可探测的。激光射束的形状还对采样的空气体积具有影响；具有大腰部的高斯射束具有较大的直径和瑞利范围，这产生了比具有小腰部的射束更多的横截面积(较高的数值孔径)。在局部强度较低时，较大的腰部还意指较低的散射信号。这意指存在于被用于对射束进行聚焦的透镜的数值孔径与相对速度之间的交换。
在未控制空气移动的情况下，并且扫描反射镜被用于使斑位移。选取比标准空气速度(0.1m/s到1m/s)更高的速度可能是有利的。因此，具有5-20m/s的值将是方便的。在这种情况下，当大于300nm的颗粒应当是可探测的时，0.05-0.2之间的聚焦透镜的数值孔径将是最佳的。(使用高斯射束的远场角延伸的1/e^2强度值来定义数值孔径)。
图5示出了取决于在图4中所示的可移动反射镜170的相位角而示出颗粒计数的第一图形。y轴是颗粒数轴10。x轴是在反射镜170的反射镜周期中给出的时间轴。圆点30示出了在反射镜周期的不同的时间处或者更精确地在可移动反射镜170的不同相位角处的颗粒计数。在t＝0处，速度是最大的，并且探测到大多数颗粒。在t＝0.25处在反射镜的转弯点处，由于小探测体积，因而颗粒将几乎不被探测到。
必须提到，测量点指代能够被预编程在评估器140中的预定义时间段。相位角因此总是指代借助于振荡频率和预定义时间段而确定的相位角的范围。
图6示出了取决于可移动反射镜170的相位角而示出颗粒计数的第二图形。在与振荡斑或探测体积的移动平行的颗粒移动(例如，由空气移动引起的)的情况下，这通过t＝0和t＝0.5处的最大值的偏移来观察。如果平行于探测体积的移动的颗粒的速度分量与由可移动反射镜170引起的探测体积的移动的方向相反，则有效的探测体积增大。如果平行于探测体积的移动的颗粒的速度分量在与可移动反射镜170引起的探测体积的移动的方向相同的方向上引导，如在示出具有相同速度但是相反方向的结果的曲线35和33中所示的。在垂直于移动斑或探测体积(x方向)的y或z方向中的空气移动的情况下，这两个速度的矢量加法在如在曲线34中示出的颗粒探测的效率中发生。
在一般情况下，所述颗粒移动因此可以具有平行于和垂直于斑或探测体积的移动的分量。范例由曲线34给出。
探测体积或斑的移动的方向在围绕振荡轴的可移动反射镜170的振荡或旋转的情况下改变。因此，由于方向的该已知改变，能够确定平行于可移动反射镜170的相位角的给定或预定义相位角或范围处的探测体积的移动的方向的第一速度分量以及垂直于可移动反射镜170的相位角的预定义相位角或范围处的探测体积的移动的方向的第二速度分量。
以下算法可以被用于针对探测体积与速度之间的线性关系了确定所述第一速度分量和所述第二速度分量：
Figure GDA0004067377080000171
其中，#是观察到的计数(#1属于tmirror＝0.25周期，#2属于tmirror＝0并且#3属于tmirror＝0.5周期)，c是常量，v是速度，vpar是平行于移动斑或探测体积的速度，vperp是垂直于移动斑的速度，并且vmax是移动斑点或探测体积的最大速度(其针对特定系统设计是已知的)。
在可移动反射镜170的每个相位处的颗粒计数的校正的数量现在通过以下项的绝对值获得：
#corr＝SQRT((#/c)^2-vperp^2)-vpar。
因此，能够与包括颗粒的流体的速度独立地确定颗粒密度。此外，如果颗粒的速度矢量基本上受限于2个维度(一般而言，这对于风速测量结果-风速计将是有效的)，则能够确定颗粒的总速度。
图7示出了理论结果和实验测量结果的比较。y轴示出了颗粒密度作为每秒的计数@PM2.5＝1000μg/m3，并且x轴是速度轴。曲线61示出了根据由理论模型而导出的速度的颗粒计数。曲线61示出了与由示出该立方根相关性的曲线60所确认的速度的立方根成比例的相关性。曲线62中所示的实验结果符合理论数据。因此，如在图6的情况中没有线性关系，但是颗粒的数量与v^0.333成比例。对于这种情况而言，校正公式由以下项给出：
Figure GDA0004067377080000181
可移动反射镜170的每个相位处的颗粒计数的校正数量现在是通过以下项的绝对值来获得的：
Figure GDA0004067377080000182
对于其他探测方案而言，观察计数的数量与速度之间的其他关系可以适用。一旦已知颗粒的数量与速度之间的相关性，就能够确定探测的颗粒的校正数量。
因此，应当确认，能够完成借助于可移动反射镜170的不同的相位角处的颗粒密度的颗粒计数的确定对所述颗粒密度数据的校正。
图8和图9示出了其中第一自混合干涉信号可以被用于确定校正的颗粒密度的另一实施例。图8示出了7m/s的速度处的第一自混合干涉信号(或者能够根据所述第一自混合干涉信号提取的信号)。图9示出了1m/s的速度处的第一自混合干涉信号。此外，示出了其中第一信号91指代在90°的角度处穿过第一激光的射束的颗粒并且其中第二信号指代在45°的角度处穿过第一激光的射束的颗粒的两种计算。在图8中所示的振荡图案取决于颗粒与第一激光的焦点或区域之间的距离。所示的范例指代通过光轴并且以50μm的距离穿过所述焦点或区域的颗粒。数值孔径(NA)是0.1，并且颗粒的大小是0.5μm。聚焦区域的焦点的直径大于颗粒的大小。所述方法还可以适于存在颗粒大小的较宽分布的情况。在这种情况下，需要进行校准以便得到针对第一参数的可靠的结果。能够探测振荡中的频率分量。那些频率分量与第一速度分量线性地有关。所述频率分量因此可以被用作第一参数。尽管个体颗粒可以引起个体频率分量，但是对许多颗粒上的频率分量求平均给出了针对颗粒速度或速度的良好量度。在这种情况下，频率分量的平均值可以被用作第一参数。可以基于如例如在图8和图9中所描述的第一自混合干涉信号来确定第一参数。所述第一参数可以包括信号(与大于SNR的颗粒的探测有关的信号)的持续时间、相位信息以及零交叉或者相对最大值或最小值之间的一个或多个距离。振荡的数量、相对最大值或者最小值的数量、相对最大值最小值的幅度的第一自混合干涉信号比的定义间隔内的零交叉的数量以及第一自混合干涉信号的包络的形状，可以被用于确定第一激光的激光射束与一个或多个颗粒的速度矢量之间的角度。另外，可以考虑斑点或聚焦区域的直径。这进一步在以上两个附图中针对在距离垂直于激光射束(第一信号91和第三信号93)和45度处的激光射束(第二信号92和第四信号94)的斑50微米处穿过射束的颗粒来指示。速度分别地是7m/s(第一信号91和第二信号92)和1m/s(第三信号93并且针对信号94)。图8和图9给出了归因于第一激光的激光射束中的各种位置处的颗粒的探测处的相位效应造成的振荡。比较示出了信号的宽度与颗粒的速率或速度线性地缩放。此外，由于较高的速度处的增加的噪声水平，因而信号的SNR在较高的速度或速率的情况下减小。在现实生活中，这将不精确地是如由附图给出的情况，因为过滤器将不适于未知的速度，而过滤器被优化用于在该计算中的速度。然而，在处理之后，能够得到对速度的估计。该估计可以被用于优化过滤器以获得如在附图中所呈现的数据。在此之上出现归因于移动颗粒的多普勒频率。如果颗粒的速度垂直于激光射束，则多普勒效应不存在。平均持续时间能够被用于得到速度的指示。
在45度的情况下(未示出)，多普勒效应添加与速度线性的额外频率分量。在45度和1m/s的情况下，多普勒频率是1.7MHz。所述多普勒频率是最高的频率并且能够额外地被用于探测在激光射束的方向上的第一速度分量。使用正交设置，导出两个正交速度分量。确定所述第一参数的这种备选方法可以与如可移动反射镜的光学操纵器组合或者在没有这样的光学操纵器的情况下使用。所述可移动反射镜可以对于探测体积的增加而言是优选的。此外，所述可移动反射镜可以被用于得到颗粒的速度矢量与第一激光的射束之间的不同角度处的信息。
图10示出了第五激光传感器模块100的主要略图。第五激光传感器模块100包括具有集成第一探测器120的第一激光器110和具有集成第二探测器121的第二激光器111。第一激光器110和第二激光器111发射具有相同波长的第一激光和第二激光。在备选方法中，也可能的是，能够使用不同的波长。第六激光传感器模块100包括电驱动器130，其适于向第一激光器110和第二激光器111提供驱动电流。所述电驱动器包括评估器140，其被连接到第一激光器110和第二激光器111。第六激光传感器模块100还包括用于将第一激光聚焦到第一聚焦区域155的第一光学设备150。第六激光传感器模块100还包括用于将第二激光聚焦到第二聚焦区域158的第二光学设备156。所述第一激光和所述第二激光相对于彼此倾斜。在该实施例中，第一聚焦区域155与第二聚焦区域158重叠。评估器140接收由第一探测器120提供的电信号，所述电信号是由第一自混合干涉信号引起的。评估器140还接收由第二探测器121提供的电信号，所述电信号是由第二自混合干涉信号引起的。评估器140还从电驱动器130接收信息。评估器140借助于该信息实现借助于所述第一自混合干涉信号来确定颗粒的存在和第一速度分量。评估器140还借助于该信息实现借助于所述第二自混合干涉信号来确定颗粒的存在和第二速度分量。使用两个倾斜的激光射束使得能够确定两个速度分量或者与一个或多个颗粒的不同速度分量有关的第一参数和第二参数。所述激光射束可以借助于第一光学设备150和第二光学器件设备或者备选地借助于对第一激光器110和第二激光器111的定位来倾斜。所述第一激光和所述第二激光的射束优选围成90°的角度。所述第一速度分量和所述第二速度分量(或者所述第一参数和所述第二参数)被用于取决于由箭头指示的颗粒的速度来对颗粒密度进行校正。
图11示出了第六激光传感器模块100的主要略图。所述第六激光传感器模块的总体布置与在图10中所示的布置相似。替代两个激光器，包括第一激光器110的多个激光器以线性激光器阵列来布置。所述激光器中的每个激光器包括集成探测器(例如，第一激光器110的第一探测器120)以便确定相应的自混合干涉信号。电驱动器130适于将恒定驱动电流提供给所述激光器阵列中的所有激光器，使得能够探测对颗粒的探测以及对平行于由激光器中的一个激光器发射的相应激光射束的速度分量的探测。评估器140适于分析由探测器阵列所提供的测量信号并且将测量信号分配给相应的探测器。第六激光传感器模块100还包括第一光学设备150，其适于散布由激光器所发射的激光射束，使得激光射束在不同的方向上被引导。评估器140包括数据存储装置，其包括关于每条激光射束相对于激光传感器模块的方向的信息，使得每个自混合干涉信号能够被用于确定颗粒的速度的不同速度分量(由箭头所指示的)。不同速度分量的全部或部分被用于校正借助于第六激光传感器模块100所确定的颗粒密度。另外，颗粒的速度是借助于评估器140来确定的。激光射束的至少一些之间的90°的角度可以是优选的。
图12示出了第七激光传感器模块100的主要略图的顶视图。第七激光传感器模块100的布置与在图9中所示的第六激光传感器模块100的布置几乎相同。替代激光器的线性阵列，使用包括第一激光器110的激光器的二维阵列。所述激光器中的每个激光器包括集成探测器。在这种情况下，第一光学器件150适于以三维的方式散步所述激光射束。因此，能够在与如相对于图9讨论的二维扩展的比较中确定三维速度矢量。此外，不同的自混合干涉信号的并行探测增加了有效的探测体积并且因此减少了确定校正的颗粒密度的测量时间。
在图9和图10中所指示的激光器中的每个激光器(例如，第一激光器110)可以由激光器的子阵列或者甚至激光器阵列来替换以便增加统计结果和/或减少测量时间。
实际上，由于达到大场/大角的单个透镜系统中的偏差，因而图11和图12中的角的差可以是小的。因此，在个体激光器前方使用个体透镜可以是优选解决方案。以这种方式，对于图11而言，也能够确定三维速度矢量。
图13示出了包括激光传感器模块100的移动通信设备190的主要略图。移动通信设备190包括用户接口191、处理设备192以及主存储器设备193。主处理设备192与主存储器设备193并且与激光传感器模块100相连接。主处理设备192包括上文所描述的评估器140的功能的至少部分。主处理设备192将与颗粒探测有关的数据存储在主存储器设备193中。在备选实施例中，还可能的是，主处理设备192和主存储器设备193仅被用于准备或适配借助于激光传感器模块100所提供的数据，使得所述数据能够借助于用户接口191被呈现给移动通信设备190的用户。激光传感器模块100借助于移动通信设备190的电源来供电。移动通信设备190还可以包括定向探测设备(未示出)。所述定向探测设备例如可以适于确定移动通信设备190相对于地面的相对位置。所述定向探测设备可以与评估器140或者与主处理设备相耦合以便将借助于激光传感器模块100所提供的数据与借助于定向探测设备所提供的数据相组合。所述定向探测设备与激光传感器模块100的耦合可以实现对风速和颗粒密度的更可靠的探测并且还可以提供关于风向的信息。
图14示出了空气调节系统200的主要略图。空气调节系统200包括空气增流器210(例如，风扇)、过滤器系统220以及根据上文所描述的实施例中的任一个实施例的激光传感器模块。所述风扇和过滤器系统220被布置在例如在其中空气流动的管中。所述风扇沿着管的轴对空气进行加速，使得颗粒的移动的方向是已知的。所述激光传感器模块确定颗粒的颗粒密度和速度。可以使用所述颗粒密度和/或所述颗粒的速度，以便确定过滤器系统220是否被沾污。例如，如果过滤器系统220被沾污，则颗粒的速度可以减速。在这种情况下，空气调节系统200可以适于生成触发对过滤器系统220的替换或清洁的警报。空气调节系统200可以备选地或另外地适于指示或提供颗粒密度是否高于和/或低于颗粒密度阈值的信息信号。空气调节系统200例如可以被集成在真空清洁器中。例如，如果颗粒密度低于颗粒密度阈值，则所述真空清洁器可以提供信号。在这种情况下，真空清洁器的用户例如知道借助于真空清洁器清洁后的地毯是干净的(至少在借助于真空清洁器清洁的面积元素处)。在备选实施例中，空气调节系统200可以被集成在空气调节器中。例如，如果颗粒密度高于颗粒密度阈值(可以是如针对真空清洁器的一个的阈值)，则空气调节器可以提供信号。在这种情况下，所述空气调节器的用户知道借助于空气调节器吸入的空气可能被沾污。激光传感器模块100优选可以从空气增流器210接收信息以便校准相对于例如由空气增流器210引起的空气的速度的测量结果。所述空气调节系统备选地可以包括处理器和对应的存储设备以便从空气增流器210和激光传感器模块100接收数据。空气调节系统200可以备选地或另外地包括第二激光传感器模块100(未示出)，其被布置在过滤器系统220后方(相对于在图14中所指示的颗粒流)。第二激光传感器模块100可以实现过滤器系统220的状态的更敏感的测量结果。空气调节系统200还可以包括实现对借助于激光传感器模块100生成的数据的访问的通信接口。
图15示出了第一传感器设备300的主要略图。第一传感器设备300包括定向设备330、激光传感器模块100、通信接口310、旋转轴320以及包括颗粒的空气能够流动通过的管。第一传感器设备30例如可以被用于确定风速和空气污染(例如，PM2.5值)。定向设备330是适于通过围绕旋转轴320转动第一传感器设备300以沿着风向对第一传感器设备进行定位的叶片。因此，只要假定风向平行于地面，则颗粒相对于第一传感器设备300的移动的方向是已知的。激光传感器模块100测量颗粒密度和风速。激光传感器模块100与通信接口310连接，使得与校正的颗粒密度和风速有关的数据能用于其他设备。在这种情况下，通信接口310是蓝牙接口。所述移动通信设备的用户利用蓝牙接口和对应的软件应用使得能够经由通信接口310与第一传感器设备300通信。用户例如能够读出由第一传感器设备300所测量的颗粒密度和风速。
图16示出了第二传感器设备300的主要略图。第二传感器设备300包括第一激光传感器模块100、第二激光传感器模块100以及通信接口310。第二传感器设备30平行于地面来布置。第一激光传感器模块100发射第一激光的射束。第二激光传感器模块100发射与第一激光的射束围成大约90°角的第二激光的射束。激光传感器模块100测量颗粒密度和风速。激光传感器模块100与通信接口310相连接，使得与校正的颗粒密度和风速有关的数据能用于其他设备。在这种情况下，通信接口310是WLAN接口。由第二传感器设备300测量的风速和颗粒密度能够经由因特网和与对应的接口通信的WLAN接口来访问。
如果流体或空气流动的方向可以是三维的，则具有第三激光的射束的不同发射角的第三激光传感器模块100可以被添加到第二传感器设备300。备选地，可以存在如上文所描述的发射两条或三条倾斜的激光射束的一个激光传感器模块100。
图17示出了颗粒密度探测的方法的主要略图。在步骤410中，借助于第一激光器110发射第一激光。在步骤420中，在第一激光器110的第一激光腔中反射被接收第一激光的至少部分的颗粒反射的第一反射激光。在步骤430中，探测第一激光器110的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号。所述第一自混合干涉信号是由重新进入第一激光腔的第一反射激光引起的。在步骤440中，第一参数被确定。在步骤450中，基于借助于一个或多个第一自混合干涉信号在预定义时间段内探测到的颗粒计数来确定颗粒密度。在步骤460中，借助于所述第一参数来校正所述颗粒密度。
本发明的基本思想是借助于自混合干涉信号来探测颗粒并且确定对应的颗粒密度。另外，与颗粒的至少一个速度分量有关的至少一个第一参数被确定，以便在探测体积与颗粒之间存在相对移动的情况下对所述颗粒密度进行校正。这样的相对移动例如可以与运输所述颗粒的流体的速度(例如，风速)有关。此外，能够基于所述自混合干涉信号来确定所述颗粒的速度的至少一个速度分量。
尽管已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的。
从阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。这样的修改可以包含在本领域中已知并且可以替代或补充在本文中已经描述的特征使用的其他特征。
通过研究附图、说明书和权利要求书，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或者步骤。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为对其范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于流体中的颗粒密度探测的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块(100)包括至少一个第一激光器(110)、至少一个第一探测器(120)、至少一个电驱动器(130)以及至少一个评估器(140)，其中，所述第一激光器(110)适于响应于由所述至少一个电驱动器(130)提供的信号而发射第一激光，其中，所述至少一个第一探测器(120)适于确定所述第一激光器(110)的第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的第一反射激光引起的，所述第一反射激光是被所述流体中接收所述第一激光的至少部分的颗粒反射的，所述激光传感器模块的特征在于，所述评估器(140)适于确定与所述颗粒相对于所述激光传感器模块(100)的第一速度分量有关的至少一个第一参数，其中，所述第一速度分量代表所述流体的流动的速度，其中，所述第一参数是基于所述第一自混合干涉信号来确定的，其中，所述评估器(140)适于基于在预定时间段内确定的所述第一自混合干涉信号来确定颗粒密度，并且其中，所述评估器(140)适于借助于所述第一参数对所述颗粒密度进行校正，其中，所述激光传感器模块(100)适于提供针对不同探测体积的所述第一自混合干涉信号，其中，所述评估器(140)适于基于借助于在不同探测体积处反射的所反射的第一激光而生成的所述第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。
2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括光学操纵器，其中，所述光学操纵器适于提供针对所述不同探测体积的所述第一自混合干涉信号。
3.根据权利要求2所述的激光传感器模块(100)，其中，所述光学操纵器包括用于对所述第一激光进行重定向的可移动反射镜(170)，并且其中，所述评估器(140)适于基于在所述可移动反射镜(170)的移动的不同阶段处接收到的所述第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。
4.根据权利要求3所述的激光传感器模块(100)，其中，所述可移动反射镜(170)适于围绕旋转轴移动，并且其中，所述评估器(140)适于基于在所述可移动反射镜(170)的至少两个不同相位角处接收到的所述第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。
5.根据权利要求4所述的激光传感器模块(100)，其中，所述可移动反射镜(170)适于围绕所述旋转轴以预定义振荡频率振荡。
6.根据权利要求5所述的激光传感器模块(100)，其中，所述评估器(140)适于在所述可移动反射镜(170)的至少三个不同相位角处确定所述第一参数。
7.根据权利要求6所述的激光传感器模块(100)，其中，所述评估器(140)适于基于在所述可移动反射镜(170)的所述至少三个不同相位角处确定的所述第一参数来确定所述颗粒相对于所述激光传感器模块(100)的所述第一速度分量和第二速度分量。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)至少包括第二激光器(111)和第二探测器(121)，其中，所述第二激光器(111)适于在与所述第一激光被发射的第一发射方向不同的第二发射方向上发射第二激光，其中，所述第二探测器(121)适于确定所述第二激光器(111)的第二激光腔内的光波的第二自混合干涉信号，其中，所述第二自混合干涉信号是由重新进入所述第二激光腔的第二反射激光引起的，所述第二反射激光是被接收所述第二激光的至少部分的颗粒反射的，并且其中，所述评估器(140)适于确定与所述颗粒相对于所述激光传感器模块(100)的第二速度分量有关的至少一个第二参数，其中，所述第二参数是基于所述第二自混合干涉信号来确定的，并且其中，所述评估器(140)适于借助于所述第一参数和所述第二参数对所述颗粒密度进行校正。
9.根据权利要求8所述的激光传感器模块(100)，其中，所述评估器(140)适于基于所述第一参数和所述第二参数来确定所述颗粒相对于所述激光传感器模块(100)的所述第一速度分量和第二速度分量。
10.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块适于基于探测到的颗粒密度来确定空气质量。
11.根据权利要求10所述的激光传感器模块(100)，其中，所述探测到的颗粒密度由PM2.5值来表征。
12.一种包括至少一个根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块(100)的移动通信设备(190)。
13.一种流体中的颗粒密度探测的方法，所述方法包括以下步骤：
-借助于第一激光器(110)发射第一激光，
-接收所述第一激光器(110)的第一激光腔中的第一反射激光，其中，所述第一反射激光是被所述流体中接收所述第一激光的至少部分的颗粒反射的，
-确定所述第一激光器(110)的所述第一激光腔内的光波的第一自混合干涉信号，其中，所述第一自混合干涉信号是由重新进入所述第一激光腔的所述第一反射激光引起的，
-基于所述第一自混合干涉信号来确定与所述颗粒相对于激光传感器模块(100)的第一速度分量有关的至少一个第一参数，其中，所述第一速度分量代表所述流体的流动的速度，
-基于在预定时间段内确定的所述第一自混合干涉信号来确定颗粒密度，
-借助于所述第一参数对所述颗粒密度进行校正，
提供针对不同探测体积的所述第一自混合干涉信号；以及
基于借助于在不同探测体积处反射的所反射的第一激光而生成的所述第一自混合干涉信号来确定所述第一参数。
14.一种在其上存储有代码模块的计算机存储介质，所述计算机存储介质能够是由根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块(100)所包括的至少一个存储器设备或者是包括根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块(100)的设备的至少一个存储器设备，其中，所述代码模块被布置为使得根据权利要求13所述的方法能够借助于由根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块(100)所包括的至少一个处理设备或者借助于包括根据权利要求1至11中的任一项所述的激光传感器模块(100)的所述设备的至少一个处理设备来执行。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017215465B4 (de) * 2017-09-04 2022-12-08 Mahle International Gmbh Klimaanlage eines Fahrzeugs und Fahrzeug damit
KR102401660B1 (ko) * 2017-12-26 2022-05-26 삼성전자 주식회사 공기조화기 및 그 제어방법
WO2019136463A1 (en) * 2018-01-08 2019-07-11 Kaindl Robert Threat identification device and system with optional active countermeasures
US11879958B2 (en) 2018-06-06 2024-01-23 Honeywell International Inc. System and method for using an industrial manipulator for atmospheric characterization lidar optics positioning
EP3588055A1 (en) 2018-06-21 2020-01-01 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor module with indication of readiness for use
EP3588054A1 (en) 2018-06-29 2020-01-01 Koninklijke Philips N.V. Laser sensor module with electro-optical modulator
EP3588057A1 (en) 2018-06-29 2020-01-01 Koninklijke Philips N.V. Method of reducing false-positive particle counts of an interference particle sensor module
DE102018213932A1 (de) * 2018-08-17 2020-02-20 Koninklijke Philips N.V. Optische Partikelsensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer optischen Partikelsensorvorrichtung
DE102018222590A1 (de) * 2018-12-20 2020-06-25 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Absolutbetrags der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums, das Partikel transportiert
US11774342B2 (en) 2019-04-05 2023-10-03 Apple Inc. Particulate matter sensors based on split beam self-mixing interferometry sensors
US11112235B2 (en) 2019-04-05 2021-09-07 Apple Inc. Handling obstructions and transmission element contamination for self-mixing particulate matter sensors
US11422638B2 (en) 2019-07-08 2022-08-23 Apple Inc. Input devices that use self-mixing interferometry to determine movement within an enclosure
CN110456366B (zh) * 2019-07-19 2022-01-14 华为技术有限公司 位置检测设备和终端
US11409365B2 (en) * 2019-09-06 2022-08-09 Apple Inc. Self-mixing interferometry-based gesture input system including a wearable or handheld device
US11692809B2 (en) 2019-09-18 2023-07-04 Apple Inc. Self-mixing interferometry-based absolute distance measurement with distance reference
FR3101160B1 (fr) 2019-09-20 2021-09-10 Office National Detudes Rech Aerospatiales Systeme lidar pour mesures anemometriques
US11419546B2 (en) 2019-09-24 2022-08-23 Apple Inc. Wearable self-mixing interferometry device used to sense physiological conditions
US11163064B1 (en) 2020-07-13 2021-11-02 Palo Alto Research Center Incorporated Doppler imager
US11874110B2 (en) 2020-09-25 2024-01-16 Apple Inc. Self-mixing interferometry device configured for non-reciprocal sensing
AT524725A1 (de) * 2021-01-19 2022-08-15 Univ Wien Tech Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Geschwindigkeitskomponente einer Fluidströmung
US11543235B2 (en) * 2021-03-31 2023-01-03 Apple Inc. Hybrid interferometric and scatterometric sensing using in-plane sensors
EP4083567A1 (en) * 2021-04-30 2022-11-02 TRUMPF Photonic Components GmbH Laser sensor, system and method for self-mixing interferometry
US20230304840A1 (en) * 2022-03-28 2023-09-28 Defiant Engineering Llc AXIAL LiDAR DOPPLER ANALYZER
EP4309573A1 (en) 2022-07-21 2024-01-24 Sonion Nederland B.V. Determination of a parameter related to blood flow in a blood perfused part using a vcsel

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2821200B2 (ja) * 1989-10-06 1998-11-05 興和株式会社 粒子測定方法および装置
NL1001369C2 (nl) * 1995-10-06 1997-04-08 Univ Delft Tech Werkwijze en inrichting voor het meten van deeltjesgrootte bij lage concentratie.
JP4087247B2 (ja) 2000-11-06 2008-05-21 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ 入力デバイスの移動の測定方法
CN101179984A (zh) * 2005-05-24 2008-05-14 皇家飞利浦电子股份有限公司 葡萄糖传感器
US20080281528A1 (en) * 2005-08-03 2008-11-13 Relle Jr Louis J System and Method for Environmental Sampling and Diagnostic Evaluation
JP5576294B2 (ja) * 2008-01-16 2014-08-20 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ 自己混合干渉に基づくレーザセンサシステム
JP2011527750A (ja) * 2008-07-10 2011-11-04 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ ガス検出装置
KR20110133609A (ko) * 2009-03-18 2011-12-13 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 유체의 유동 특성을 결정하기 위한 장치
FR2960063B1 (fr) 2010-05-11 2013-05-10 Toulouse Inst Nat Polytech Dispositif de mesure optique d'un parametre physique
US9091573B2 (en) 2011-06-01 2015-07-28 Koninklijke Philips N.V. Determining a flow characteristic of an object being movable in an element
CN102564909B (zh) 2011-11-29 2014-05-07 中国科学院安徽光学精密机械研究所 激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置
FR2989466B1 (fr) * 2012-04-16 2014-04-11 Epsiline Dispositif de determination de la vitesse du vent comportant une pluralite de sources laser
DE102015207289A1 (de) * 2015-04-22 2016-10-27 Robert Bosch Gmbh Partikelsensorvorrichtung

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