CN109923439A - 具有至少两个激光多普勒传感器的颗粒传感器 - Google Patents

具有至少两个激光多普勒传感器的颗粒传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种颗粒传感器，所述颗粒传感器具有第一激光多普勒传感器(100)和至少一个第二激光多普勒传感器(200)以及控制单元(300)，所述控制单元设置成用于通过所述第一激光多普勒传感器(100)并且同时至少通过所述第二激光多普勒传感器(200)执行自干涉测量。

Description

具有至少两个激光多普勒传感器的颗粒传感器
背景技术
由现有技术已知的其他光学颗粒传感器使用分离的射束源和射束分析处理单元。此外，为了空气的运动，该空气通常借助于风扇或加热元件运动以产生对流。这基于与此相关的射束路径而要求整体结构的增大，原因仅在于发射器和接收器之间的空间分隔。
在现有技术中作为表面发射器或VCSEL(英文：vertical cavity surfaceemitting laser，垂直腔面发射激光器)已知一种半导体激光器，其中，光垂直于半导体芯片的主平面发射。此外，也已知具有外腔的表面发射器或VECSEL(英文：vertical externalcavity surface emitting laser，垂直外腔面发射激光器)。
Holger Moench等人的文献：“VCSEL based sensors for distance andvelocity”，Proc.of SPIE，卷9766 97660A-1中公开了飞利浦公司的激光多普勒传感器，其具有自干涉的激光发射器(VCSEL)，该激光发射器具有集成在空腔中的光电二极管。
能够反复地操控这些ViP(具有集成的光电二极管的VCSEL)，以便例如逐点地测量距离或速度。集成的光电二极管的优点是，它只对特殊发射的光敏感。由此，探测原理不会受其他光源、例如太阳辐射干扰。
在没有预公布的德国专利申请DE 102015207289中公开了具有这种激光多普勒传感器的颗粒计数器。激光器的光借助于透镜在空间区域中围绕焦点聚焦。如果在该空间区域中遇到颗粒，则该光散射，然后再被探测到。
在没有预公布的德国专利申请DE 102015209418中公开了一种具有VCSEL、透镜和微镜的扫描装置。激光器的光被透镜聚焦并且通过微镜偏转。因此，能够检测扫描装置外部的空间区域。如果遇到物体，则该光散射，然后再被探测到。因此，测量原理是使光束的焦点偏转，并且由此扫描已知的空气容积。
如果颗粒在接近聚焦的激光射束的射束腰时通过在产生射束的激光器中的自干涉(self mixing interference-SMI)被证明，那么探测到的信号取决于多个参数，尤其取决于颗粒尺寸、颗粒速度、相对于射束焦点的位置或精确轨迹和颗粒的光学材料特性。在这方面，通常不存在测量的原始信号与颗粒的特性之间的明确关系。此外，该布置总是只看到一个颗粒，即仅局限于非常小的测量体积。当然，能够通过合适的装置(例如微镜)扫描该射束，但每个时间点也只获得一个信息。
发明内容
本发明的任务是相比于利用单个SMI激光器获得更多的信息，尤其是获得关于颗粒特性的明确信息。
本发明涉及一种颗粒传感器，其具有第一激光多普勒传感器和至少一个第二激光多普勒传感器以及控制单元，该控制单元设置成用于通过第一激光多普勒传感器并且同时至少通过第二激光多普勒传感器执行自干涉测量。根据本发明，设置有两个或更多个激光源，在其焦点中能够同时地、但彼此无关地执行SMI测量。
本发明的一个有利构型设置成，第一激光多普勒传感器具有带着第一外部焦点和第一指示体积的第一光学系统，并且第二激光多普勒传感器具有带着第二外部焦点和第二指示体积的第二光学系统。有利地，由此能够限定指示体积并且使其相对彼此布置在特定的位置上。
本发明的一个有利构型设置成，第一指示体积和第二指示体积彼此重叠。
本发明的一个有利构型设置成，第一激光多普勒传感器具有第一偏振方向，并且第二激光多普勒传感器具有与该第一偏振方向不同的第二偏振方向。
本发明的一个有利构型设置成，第一指示体积和第二指示体积彼此不重叠。
本发明的一个有利构型设置成，第一激光多普勒传感器或第二激光多普勒传感器具有能运动的射束偏转元件、尤其是微镜，由此第一指示体积或第二指示体积能够位置变化地定位。
本发明的一个有利构型设置成，第一光学系统包括位置变化的第一外部焦点，或第二光学系统具有位置变化的第二外部焦点，由此，能够位置变化地确定第一指示体积或第二指示体积。
本发明的一个有利构型设置成，使得第一激光多普勒传感器或第一光系统对于第一颗粒尺寸范围并且第二激光多普勒传感器或第二光学系统对于与该第一颗粒尺寸范围不同的第二颗粒尺寸范围在探测效率方面是优化的。
本发明的一个有利构型设置成，使得控制单元为了颗粒传感器的传感器信号的可信性验证而设置成用于，在一个单个颗粒已经在第一激光多普勒传感器处和第二激光多普勒传感器处相继地或同时地产生信号的概率方面对第一激光多普勒传感器和至少第二激光多普勒传感器的时间分辨的信号振幅进行检验。
本发明的一个有利构型包含具有多个激光多普勒传感器的颗粒传感器，所述激光多普勒传感器为了监控面区域或空间区域而以2D阵列或3D阵列布置。
本发明的第一有利构型设置有两个或更多个激光源，它们的焦点彼此间隔固定的距离，但彼此如此紧密地相邻，使得它们的指示体积重叠。这提供了以下优点：多次地感测同一颗粒并且能够通过信号的比较更好地隔离颗粒的位置和尺寸的影响。
本发明的第二有利构型设置有两个激光源，它们看作是在空间中重叠的点、优选是相同的点。然而，其中一个光源设有偏振旋转的元件。该实施方案的优点在于，能够附加地获得关于散射在颗粒上的光的保偏信息并且对经证明存在的颗粒分级。
本发明的第三有利构型设置有两个或更多个、优选是激光源的一个完整阵列，所述阵列看作是空间上分离的点。由此增大监控的体积。
附图说明
图1A至C示出了相对于一个光束的聚焦区域运动的颗粒的示意图。
图2A至C示出了相对于两个光束的聚焦区域运动的颗粒的示意图。
图3A和B示意性地、示例性地示出了根据本发明的具有两个激光多普勒传感器的颗粒传感器的信号。
图4示意性地示出了根据本发明的颗粒传感器。
具体实施方式
图1A至C示出了相对于一个光束的聚焦区域运动的颗粒的示意图。沙漏形的轮廓呈现了相同光强度的线。不同的颗粒和或不同的轨迹会导致散射光测量中的多值性。
在此，图1A示出了在测量散射光脉冲持续时间Δt(≈ν/Δx)时由于较长的传播距离Δx而导致的速度v的多值性。
在此，图1B示出了通过在传输期间的最大射束强度Imax测量脉冲最大值Pmax(∝σImax)时颗粒的散射效率σ的多值性。
图1C示出了图1B的沿着射束方向穿过聚焦区域的透视图。垂直于射束方向示出了颗粒横穿的位置。
图2A至C示出了相对于两个光束的聚焦区域运动的颗粒的示意图。示出的是，如何能够通过本发明消除图1A至C中所描述的速度和散射效率中的多值性。
在此，图2A示出了如何能够使用颗粒在两个射束焦点之间的传播时间代替穿过单个光束的聚焦区域的传播时间来计算速度。
图2B示出了图2A的沿着射束方向穿过两个聚焦区域的透视图。垂直于射束方向示出了颗粒横穿的位置。在此，测量信号中的脉冲高度的关系(比率)允许确定最大射束强度并由此确定散射效率。
图3A和B示意性地、示例性地示出了根据本发明的具有两个激光多普勒传感器的颗粒传感器的信号。示出的是示例性的测量曲线，用于借助于本发明根据图2A和B来说明多值性的分辨率并且用于呈现如何能够导出相应的算法。实线是第一激光多普勒传感器(例如VCSEL)的信号。虚线是第二激光多普勒传感器(例如VCSEL)的信号。
图3A1示出了来自图1A的情况的多值信号。图3A2和3A3示出了在速度确定中的多值性的分辨率。在图3A2中所示的是利用根据图2A的布置所测量的具有速度v的颗粒的信号。在图3A3中所示的是利用根据图2A的布置所测量的具有速度2v的颗粒的信号。
图3B1示出了来自图1B的情况的多值信号。图3B2和3B3示出了在确定散射效率中的多值性的分辨率。在图3B2中所示的是利用根据图2B的布置所测量的具有散射效率σ的颗粒的信号。在图3B3中所示的是利用根据图2B的布置所测量的具有散射效率2σ的颗粒的信号。
图4示意性地示出了根据本发明的颗粒传感器。颗粒传感器具有第一激光多普勒传感器100和至少一个第二激光多普勒传感器200以及控制单元300，该控制单元设置成用于通过第一激光多普勒传感器100并且同时至少通过该第二激光多普勒传感器200执行自干涉测量。
第一激光多普勒传感器100具有带着第一外部焦点120和第一指示体积130的第一光学系统110。第二激光多普勒传感器200具有带着第二外部焦点220和第二指示体积230的第二光学系统210。在图的右侧再次详细示出了所述焦点和所述指示体积。
第一实施例
在第一实施例中，第一激光多普勒传感器和第二激光多普勒传感器的激光射束聚焦到两个在空间中紧密地放置在一起的点上。这已经在图4中的右侧示出。在使用具有小的放射面的半导体源时有利的是，在这里使用共同的光学系统或共同的基底。
为了确定PM 2.5，必须本身已知或者能够由信号测量在一个体积中的具有等效于直径≤2.5μm的球形颗粒的空气动力学直径的所有颗粒的总颗粒质量和该体积的尺寸。为了测量该体积可以有利的是，在给出的射束轮廓中能够测量相对于光束的颗粒速度。然后，由此给出了每时间单位的扫描体积。颗粒质量与散射效率通过颗粒直径非常强烈地相关。因此，有利的是能够测量颗粒的颗粒直径。如图1A至C中所示，如果例如单个激光证明对于具有脉冲高度最大值Pmax的确定的时间段Δt而言存在颗粒，由此能够不清楚地测量出颗粒质量和相对于光束的颗粒速度。如图2A和B中所示，如果现在一个颗粒横穿这些聚焦区域中的一个或多个聚焦区域并在那里产生信号，那么能够非常清楚地确定该颗粒的特性。
除了颗粒特性之外，也能够通过多个激光多普勒传感器的信号的比较来改善信噪比，因为能够更好地区分开噪声(不相关的信号)和实际的颗粒结果(相关的信号)。为了能够尤其在非常小的颗粒直径的情况下以足够的信噪比测量具有非常低的散射效率的颗粒，有利的是将光束聚焦，以便由此在焦点中充分地得到光密度，以便由此充分地得到散射光信号。但是，强聚焦限制了能够在其中探测到颗粒的被照明的体积。为了在充足的体积中既探测非常小的颗粒也探测较大的颗粒，有利的是对不同的激光多普勒传感器进行不同优化。在此，有利的实施方式是，将一个激光多普勒传感器这样定位在光学轴线上，使得产生较小的焦点，并且将第二个激光多普勒传感器与第一个激光多普勒传感器间隔开一定距离地布置。因此，第二激光多普勒传感器不是强聚焦的并且将会照明较大的体积，在那里能够探测到颗粒。
第二实施例
在第二实施例中，将第一激光多普勒传感器和第二激光多普勒传感器的激光射束聚焦到尽可能靠近地放置在一起的点上、理想地聚焦到同一点上。在使用具有小的发射面的半导体激光器时有利的是，在此使用共同的光学系统和或共同的半导体基底。
激光器中的一个激光器(例如第二激光器)设有使放射出的光的偏振平面旋转45°(或45°+n*90°)的元件(例如λ/2小板)。在光(在颗粒上反射之后)返回到激光器中时，该元件必须被再次穿过，这使偏振平面再次旋转相同的量。因此，在返回到激光谐振器之后，保持偏振的反射光垂直于激光模式偏振，并且不再能够激发SMI效应。
因此，利用第一激光器感测到的信号是用于由颗粒反射的、具有平行于原始激光的偏振的光强度IP的光的量度(即保持偏振的反射)，而第二激光器的信号是用于垂直于激光的偏振的反射辐射的量度。因此，(IP-IS)/(IP+IS)是反射辐射的偏振度并且能够用于颗粒的进一步分级。
如EP 1 408 321B1所教导的那样，能够以该方式区分植物花粉和其他细小粉尘，因为由花粉散射的光比由其他粉尘种类散射的光更少地偏振。在这里毫无疑问也有意义的是，由传感器提供的数据与其他传感器或互联网中提供的信息进行比较。这种信息可以支持所测量的颗粒的分级。在互联网中提供的花粉散布日历使花粉探测可信并且补充了品种。由GPS求得的位置允许与地图材料的比较并且限定颗粒种类。在道路附近能够推断出例如汽车尾气和轮胎碎屑，在工业区域推断出煤烟和类似物，在草地或森林附近推断出花粉，在沙漠附近推断出沙尘。借助于压力传感器以气压的方式或通过GPS求得的海拔高度同样限定颗粒种类。第二实施方案与第一实施方案的组合允许确定颗粒尺寸，所述颗粒尺寸能够与花粉数据库进行比较。
第三实施例
多个、优选地许多个激光器允许同时监控多个分离的点。在此尤其在使用VCSEL时能够考虑成本有效的一维或二维的阵列。即使完全取消运动的部件(例如扫描镜)，在这里也能够覆盖较大的空间区域。在扩展的2D阵列中也可以考虑跟踪颗粒轨迹，只要这些颗粒轨迹在聚焦平面上运行，以及考虑非常准确的速度确定。这也将允许例如求得相对于传感器的风速，这在例如汽车应用中会是使人感兴趣的。
所有提及的实施方案能够与射束偏转元件组合，例如与微镜组合。然后能够扫描具有测量点的较大的区域并且能够比通过位置固定的测量点探测到更多的颗粒。
原则上，也能够沿着射束轴线扫描测量体积。能够相应动态地改变其焦距的透镜适用于此。
附图标记列表
100 第一激光多普勒传感器
110 第一光学系统
120 第一外部焦点
130 第一指示体积
140 第一偏振方向
200 第二激光多普勒传感器
210 第二光学系统
220 第二外部焦点
230 第二指示体积
240 第二偏振方向
300 控制单元
400 能运动的射束偏转元件

Claims (10)

1.颗粒传感器，所述颗粒传感器具有第一激光多普勒传感器(100)和至少一个第二激光多普勒传感器(200)以及具有控制单元(300)，所述控制单元设置成用于通过所述第一激光多普勒传感器(100)并且同时至少通过所述第二激光多普勒传感器(200)执行自干涉测量。
2.根据权利要求1所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一激光多普勒传感器(100)具有带着第一外部焦点(120)和第一指示体积(130)的第一光学系统(110)，并且所述第二激光多普勒传感器(200)具有带着第二外部焦点(220)和第二指示体积(230)的第二光学系统(210)。
3.根据权利要求2所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一指示体积(130)和所述第二指示体积(230)彼此重叠。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一激光多普勒传感器(100)具有第一偏振方向(140)，并且所述第二激光多普勒传感器(200)具有与所述第一偏振方向(140)不同的第二偏振方向(240)。
5.根据权利要求2所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一指示体积(130)和所述第二指示体积(230)彼此不重叠。
6.根据权利要求2所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一激光多普勒传感器(100)和/或所述第二激光多普勒传感器(200)具有能移动的射束偏转元件(400)、尤其是微镜，由此所述第一指示体积(130)和/或所述第二指示体积(230)能够位置变化地定位。
7.根据权利要求2所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一光学系统(110)包括位置变化的第一外部焦点(120)和/或所述第二光学系统具有位置变化的第二外部焦点(220)，由此能够位置变化地确定所述第一指示体积(130)和/或所述第二指示体积(230)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的颗粒传感器，其特征在于，所述第一激光多普勒传感器(100)和/或所述第一光系统(110)对于第一颗粒尺寸范围在探测效率方面是优化的，并且所述第二激光多普勒传感器(200)和/或所述第二光学系统(210)对于与所述第一颗粒尺寸范围不同的第二颗粒尺寸范围在探测效率方面是优化的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒传感器，其特征在于，所述控制单元(300)为了所述颗粒传感器的传感器信号的可信性验证而设置成用于，在一个单个颗粒已经在所述第一激光多普勒传感器(100)处和所述第二激光多普勒传感器(200)处相继地或同时地产生信号的概率方面对所述第一激光多普勒传感器(100)和至少所述第二激光多普勒传感器(200)的时间分辨的信号振幅进行检验。
10.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒传感器，该颗粒传感器具有多个激光多普勒传感器(100、200)，所述激光多普勒传感器为了监控面区域或空间区域而以2D阵列或3D阵列布置。
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