CN109253991A - 光学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学传感器，其被形成为用于确定介质内的过程自动化技术的测量参数的测量值，包括：至少一个用于发射发射光的光源；棱镜；以及至少一个用于接收接收光的接收器，其中，可以从转换后的接收光产生接收信号，并且其中可以从接收信号确定测量值；其中至少经由光源和棱镜产生到介质的第一光路，其中至少经由棱镜产生从介质到接收器的第二光路，其中，在这样做时，发射光经过棱镜，发射光在介质内被转换成接收光，并且接收光经过棱镜，并且其中第一光路和第二光路基本上是彼此平行的。

Description

光学传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，其被设计成用于确定介质内的过程自动化技术的测量参数的测量值。
背景技术
传感器是例如荧光传感器。现在将按照荧光测量来讨论本专利申请所基于的问题。为了测量荧光(fluorescence)，通常用短波长激发光照射介质并检测由介质产生的较长波长的荧光。荧光测量通常被布置成如图1所描述的。
为此，荧光传感器3包括光源1和接收器2。光源1发射发射光，而接收器2接收接收光。由于荧光在所有的方向上辐射，所以发射光和接收光的光路原则上可以相对于彼此以任何角度α设置。0°的角度是不合适的，因为在这种情况下，微弱的荧光被强激发光叠加。90°的角度是非常合适的，只要有足够的空间来布置部件即可。如果要将测量阵列安装在探头管中，则将会选择尽可能接近180°的角度，使得光源1和接收器2被布置成更加靠近在一起。如图2所示，借助于分束器4，180°的角度是易管理的。例如，该原理具体体现在来自Hach的产品“FP360scFluoreszenz-Sonde[PAK/Oil荧光探针]”中。然而，在这种情况下，180°的角度仅存在于分束器4和介质5之间。接收器2再次被布置成垂直于照射方向，因此需要侧面的安装空间，这通常是不可用的。
然而，这个问题通常与其他的光学测量以及例如散射光或吸收测量一起发生。
发明内容
为解决这个问题，本发明提出了一种节省空间的光学传感器。
该问题通过一种光学传感器得以解决，该光学传感器被设计成用于确定介质内的过程自动化技术的测量参数的测量值，包括：至少一个用于发射发射光的光源；棱镜；以及至少一个用于接收接收光的接收器，其中可以从接收光产生接收信号，并且其中可以从接收信号确定测量值，其中至少经由光源和棱镜产生到介质的第一光路，其中至少经由棱镜产生从介质到接收器的第二光路，其中，在这样做时，发射光穿过棱镜，发射光在介质内被转换成接收光，并且接收光穿过棱镜，并且其中第一光路和第二光路在棱镜背离介质的一侧上基本上是彼此平行的。
以这种方式，用于光源或接收器的部件可以被布置成彼此平行。光源和接收器彼此靠近，并且因此整个组件可以安装在小直径管中。
在一个实施例中，传感器包括管状壳体，并且光源、棱镜和接收器被布置在壳体内。
在一个实施例中，壳体具有35-75mm的直径。这里将给出外径为40毫米和68毫米的示例。
借助于上述布置，用于光源或接收器的部件均可以平行于管状壳体的纵向轴线布置，这样就可以排除任何空间问题。
在一个实施例中，壳体包括光学窗口，该光学窗口至少相对于发射光和接收光是半透明的，其中棱镜和窗口被分离、胶合、结合、合并或者由单件形成。这导致制造简化，并且壳体因此可以被布置成靠近待测介质。
在一个实施例中，光源被设计为发光二极管，和/或接收器被设计为光电二极管。
在一个实施例中，发射光在介质内通过荧光被转换成接收光。
在一个实施例中，光源发射波长为200-400nm的UV光。
在一个实施例中，第一光路包括透镜和/或滤波器。
在一个实施例中，第二光路包括透镜和/或滤波器。
在一个实施例中，至少一个透镜具有2-20mm的焦距。
在一个实施例中，一个或多个滤波器被设计为波长滤波器，其中一个或多个滤波器特别被设计为干涉滤波器。光路因此被设计成使得发射光或接收光基本上垂直地穿过一个或多个滤波器。
在一个实施例中，光源和窗口之间的距离是2-6cm。
在一个实施例中，传感器被设计成用于确定水包油含量。
在一个实施例中，棱镜被设计成具有三角形底座的直棱镜。该三角形是等腰三角形，其底座指向介质的方向。在一个实施例中，棱镜是直角棱镜。这是相对便宜的部件。
在一个实施例中，壳体的外径选自8-15mm的范围，例如12mm。上述实施例在这种情况下同样是适用的。
在一个实施例中，光源和/或接收器被布置在壳体的外部。
在一个实施例中，接收光或发射光通过一根或多根光纤而传导到棱镜或远离棱镜。
在经过棱镜之后，发射光在介质内被吸收并散射。如上所述，在再次经过棱镜之后，散射光被引导朝向接收器。
在一个实施例中，光源被提供为宽带光源。
在一个实施例中，接收器是光谱仪。
附图说明
将参考以下附图更加详细地进行解释。附图显示的是：
图1：现有技术中的荧光测量布置，
图2：现有技术中的另一种荧光测量布置，
图3：要求保护的传感器的示意图，以及
图4：要求保护的传感器的光学模拟。
在附图中，相同的特征用相同的附图标记进行标识。
具体实施方式
所要求保护的传感器整体上用附图标记3表示，并且示意性地显示在图3中。
在下文中，在第一示例性实施例中，将仅讨论与上述现有技术的不同之处。传感器3基本上适用于确定介质5的水包油含量。
光源1在介质5的方向上发射发射光8。光源是发射波长为200-400nm的光的UV光源。发射光8以角度β1入射到棱镜6。棱镜6是直角棱镜。底座指向待测介质。产生了从光源1到棱镜6的第一光路O1。光路O1也可以包含一个或多个透镜L1或滤波器F1(参见下文)。
发射光8在介质5内通过荧光被部分地转换为接收光9。接收光9通过棱镜6进入接收器2方向上的路径。接收光9以角度β2离开棱镜。接收器2是光电二极管。产生了从棱镜6到接收器2的第二光路O2。光路O2还可以包含一个或多个透镜L2或滤波器F2(参见下文)。第一光路O1和第二光路O2在棱镜背离介质的一侧上基本上是相互平行的。
光源1、棱镜6和检测器2被布置在壳体10内。壳体是管形的，具有的直径为35-75mm。壳体10包括光学窗口7，其至少相对于发射光8和接收光9是半透明的，其中棱镜6和窗口7被胶合、结合、合并或者由单件形成。从光源1或接收器2到窗口7的距离大约为2-6cm。
一个或多个滤波器F1，F2被形成为波长滤波器-更具体地，被形成为干涉滤波器。
图4示出了传感器3的光学模拟。来自光源1的发射光8在此过程中首先穿过透镜L1，然后穿过滤波器F1。在介质5内产生荧光之后，接收器光首先穿过滤波器F2，然后穿过透镜L2。透镜L1，L2确保仅基本上平行的光入射到滤波器F1和F2。
透镜L1，L2具有2-20mm的焦距。由于光路O1和O2是平行延伸的，所以透镜L1和L2的最大直径为壳体10直径的一半-因此例如为15-40mm。
另外，光源1优选地大致位于透镜L1的焦点处，并且检测器2优选地大致位于透镜L2的焦点处。
在第二示例性实施例中，壳体10的直径小于上述尺寸，即处在大约8-15mm的范围内-例如12mm。在这种情况下，涉及平行延伸的第一光路O1和第二光路O2以及棱镜6的上述原理是同样适用的。由于直径较小，在一个实施例中，光源1和接收器2以及透镜L1，L2和滤波器F1，F2被布置在壳体10的外部。在一个实施例中，可以省去透镜L1，L2和滤波器F1，F2。光源1被形成为例如处于400-2,500nm的波长范围内的宽带光源。接收器2被设计为光谱仪。在这种情况下，光路O1和/或O2中的一个或两个可以通过光纤形成，或者被形成为不间断的光束。发射光8在介质5内被转换为接收光9。一部分发射光8在介质5中被吸收，一部分发射光被散射。以角度α散射的部分是接收光9，接收光9在穿过棱镜6之后被接收器2接收。
附图标记列表
1 光源
2 接收器
3 传感器
4 分束器
5 介质
6 棱镜
7 光学窗口
8 发射光
9 接收光
10 壳体
F1 O1中的滤波器
F2 O2中的滤波器
L1 O1中的透镜
L2 O2中的透镜
O1 第一光路
O2 第二光路
α 由发射光8转换成接收光9后的角度
β1 在棱镜6处来自第一光路O1的角度
β2 在棱镜6处到第二光路O2的角度

Claims (14)

1.一种光学传感器(3)，其被形成为用于确定介质(5)内的过程自动化技术的测量参数的测量值，包括：
-至少一个光源(1)，所述光源(1)用于发射发射光(8)，
-棱镜(6)，以及
-至少一个接收器(2)，所述接收器(2)用于接收接收光(9)，
其中，能够从转换的接收光(9)中产生接收信号，并且
其中，能够从所述接收信号确定所述测量值，
其中，到所述介质(5)的第一光路(O1)至少经由光源(1)和棱镜(6)产生，
其中，从所述介质(5)到所述接收器(2)的第二光路(O2)至少经由所述棱镜(6)产生，
其中，在这样做时，所述发射光(8)穿过所述棱镜(6)，所述发射光(8)被转换为所述介质(5)中的接收光(9)，并且所述接收光(9)穿过所述棱镜(6)，并且其中所述第一光路(O1)和所述第二光路(O2)在所述棱镜(6)背离所述介质的一侧上基本上是彼此平行的。
2.根据权利要求1所述的传感器(3)，
其中，所述壳体(10)包括光学窗口(7)，所述光学窗口至少相对于发射光(8)和接收光(9)是半透明的，
其中，所述棱镜(6)和窗口(7)被分离、胶合、结合、合并或者由单件制成。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(3)，
其中，所述光源(1)被形成为发光二极管，和/或所述接收器(2)被形成为光电二极管。
4.根据权利要求1至3中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述光源(1)发射波长为200-400nm的UV光。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述壳体(10)的直径为35-75mm。
6.根据权利要求1至5中的至少一项所述的传感器(3)，所述传感器包括管状壳体(10)，并且所述光源(1)、棱镜(6)和接收器(2)被布置在所述壳体(10)内。
7.根据权利要求1至6中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述发射光(8)在所述介质(5)内通过荧光被转换为接收光(9)。
8.根据权利要求1至7中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述第一光路(O1)包括透镜(L1)和/或滤波器(F1)。
9.根据权利要求1至8中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述第二光路(O2)包括透镜(L2)和/或滤波器(F2)。
10.根据权利要求8或9所述的传感器(3)，
其中，所述透镜(L1，L2)中的至少一个具有2-20mm的焦距。
11.根据权利要求7至10中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，一个或多个所述滤波器(F1，F2)被形成为波长滤波器；特别地，一个或多个所述滤波器(F1，F2)被形成为干涉滤波器。
12.根据权利要求1至11中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，光源(1)和窗口(7)之间的距离为2-6cm。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的传感器(3)，所述传感器被形成为用于确定水包油含量。
14.根据权利要求1至13中的至少一项所述的传感器(3)，
其中，所述发射光(8)在所述介质(5)内通过吸收和散射被转换为接收光(9)。
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