CN110873687A - 便携式光学颗粒传感器装置和相应的颗粒测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式光学颗粒传感器装置和相应的颗粒测量方法。所述便携式光学颗粒传感器装置配备有光学颗粒浓度捕获设备(10)和事件捕获设备(50；50’；50”)，所述光学颗粒浓度捕获设备(10)被设置为在受事件控制的测量模式下确定预定颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值，所述事件捕获设备(50；50’；50”)用于捕获与所述光学颗粒传感器装置(10)的环境相关的至少一个预定本地事件，并且用于响应于所述至少一个预定本地事件的捕获来激活所述受事件控制的测量模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式光学颗粒传感器装置和相应的颗粒测量方法。
虽然可应用于任何期望的光学颗粒传感器装置，但是关于集成在移动装置中的光学颗粒传感器装置描述了本发明及其所基于的问题。
背景技术
许多区域，特别是人口密集的区域，受到由气载粉尘或气载颗粒引起的显著污染。这种颗粒污染至少部分地由人类引起，特别是主要由工业、道路交通或空中交通、船运交通和铁路运输以及私人家庭燃烧碳化合物引起。由于各个气载粉尘产生对象的地理分布，可以观察到本地颗粒污染的巨大差异。这适用于室外和封闭空间内。
已知气载粉尘取决于量和组成会导致不利的健康影响，在这种情况下，气载粉尘的可吸入部分是主要原因。个体健康风险基本上取决于个体暴露于哪种类型的颗粒污染的程度和时间长度。因此，需要量化本地和各自当前的颗粒污染。
使用美国颗粒物(PM)“国家空气质量”标准对PMx级分的气载粉尘进行分类，该分类考虑了粉尘颗粒的尺寸或直径x，并因此考虑了这些粉尘颗粒进入气道和进入个人身体的穿透深度。在这种情况下，特别是在粗粉尘PM10、细粉尘PM2.5、以及超细粉尘PM1之间进行了区分，粗粉尘PM10包括直径高达10μm的颗粒，细粉尘PM2.5具有直径高达2.5μm的颗粒，并且超细粉尘PM1具有直径高达1μm的颗粒。
经常使用该PM标准来量化气载粉尘或颗粒污染。为此目的，对于上述几种PMx中的至少一种，将会给出在一段时间内捕获的每单位体积的粉尘颗粒质量。
这里所讨论的颗粒污染的量化是基于捕获体积内的粉尘颗粒的数量。因此，以PM分类和粉尘颗粒的尺寸和质量分布的已知模型为基础，可以确定以每体积的粉尘颗粒质量为单位的颗粒污染的非常好的估计值。然而，变量“每体积的颗粒数量”也使得可以使用其他方法来量化颗粒污染。
PM2.5细粉尘尤其是全球最严重的健康威胁之一。PM2.5细粉尘颗粒可深入肺部并可在肺部造成严重的健康损害。WHO(世界卫生组织)估计，每年有数百万人过早死亡是由细粉尘造成的。WHO建议PM2.5细粉尘的限值为10μg/m3，不得超过该限值。近年来，对与细粉尘相关的健康风险的观察在全球范围内大大增加。同时，可以通过互联网获取全球许多地方的PM2.5污染值。然而，可用的PM2.5污染值仅涉及各个室外测量站的附近。
然而，许多人在一天中经常改变他们的行踪，并且因此在一天的过程中暴露于可变的PM2.5污染值，这些可变的PM2.5污染值通常不同于可公开获得的污染值。这尤其适用于在封闭空间内的行踪。因此，迄今为止，人们不可能在较长的时间内，例如在一天24小时内，获得可靠的PM2.5污染数值。
近年来颗粒传感器的逐步小型化为将这样的颗粒传感器集成在移动设备(例如智能电话等)中开辟了新的可能性。结果，现在基本上可以确定针对持续携带这种颗粒传感器的人的平均PM2.5污染值。
DE 10 2015 207 289 A1公开了一种具有集成光电二极管的VCSEL激光二极管的光学颗粒传感器装置。VCSEL激光二极管(VCSEL＝垂直腔面发射激光器)是其中垂直于半导体芯片的平面发射光的发光二极管。自混合干涉技术使得已知的光学颗粒传感器装置能够获得与颗粒的存在有关的信息，特别是颗粒计数和颗粒速度。
图4是用于解释从DE 10 2015 207 289 A1已知的光学颗粒传感器装置的框图。
在图4中，附图标记50a表示光学发射器设备，50b表示光学检测器设备，其中光学发射器设备50a是VCSEL激光器，并且光学检测器设备50b是光电二极管。光学发射器设备50a和光学检测器设备50b集成在VCSEL传感器芯片66中，在该VCSEL传感器芯片66中集成有自混合干涉分析功能。光学发射器设备50a发射光学测量光束52。透镜设备58用于将光学测量光束52聚焦在聚焦区域60中，在聚焦区域60中要捕获颗粒56。
被颗粒散射的测量光束62被透镜设备58聚焦到VCSEL传感器芯片66的检测表面64上。可选的镜面设备74使得可以在聚焦区域60内以一维或二维方式使聚焦区域60偏移。
光学检测器设备50b被设计成输出与发生在检测表面64上的散射的电测量光束62的强度和/或强度分布有关的信息信号68。评估设备70提供与颗粒56的存在、颗粒56的颗粒计数和/或其他性质有关的信息信号72。特别地，颗粒速度也是令人感兴趣的。
US 2016/0025628 A1公开了一种具有集成光学颗粒传感器装置的智能电话。
发明内容
本发明提供了根据独立权利要求1的便携式光学颗粒传感器装置和根据独立权利要求19的相应的颗粒测量方法。
各从属权利要求涉及优选改进。
本发明的优点
本发明所基于的思想是在受事件控制的测量模式中确定瞬时颗粒浓度的测量值。响应于捕获与光学颗粒传感器装置的环境相关的预定本地事件，来激活受事件控制的测量模式。在发生引起颗粒浓度的预期变化的预定本地事件的情况下，这使得可以借助于受事件控制的测量模式立即作出反应。
根据一个优选实施方式，光学颗粒浓度捕获设备被设置为在受时间控制的测量模式下确定预定颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值，在受时间控制的测量模式上叠加有受事件控制的测量模式。这种组合一方面可以使受时间控制的测量模式中的测量间隔节省电池，另一方面，借助于受事件控制的测量模式，在发生引起颗粒浓度的预期变化的本地时间的情况下立即作出反应。
根据另一优选实施方式，提供了用于基于测量值确定预定时间段内的平均颗粒浓度的评估设备。因此，可以捕获预定时间段(例如24小时)内预定颗粒的平均颗粒浓度。
根据另一优选实施方式，事件捕获设备具有用于捕获预定地理位置变化作为预定本地事件的位置变化捕获设备。因此，可以预先定义位置变化，该位置变化以很高的概率引起颗粒浓度的预期变化。
根据另一优选实施方式，预定地理位置变化包括进入或离开建筑物或建筑物区域。
根据另一优选实施方式，位置变化捕获设备连接到传感器设备，该传感器设备用于捕获WiFi信号强度和/或GPS信号和/或蓝牙信号和/或GSM信号强度和/或EM信号强度，特别是光强度或地面磁场强度。因此，能够高精度地捕获位置变化。
根据另一优选实施方式，事件捕获设备连接到用于捕获本地声级的声音捕获设备，并且包括用于将预定声音模式确定为预定本地事件的声音确定设备。因此，可以预先定义声音模式，该声音模式以很高的概率引起颗粒浓度的预期变化。
根据另一优选实施方式，预定声音模式由设备的驱动产生。这种设备的示例特别是真空吸尘器、吹风机、工具、空调系统、烹饪用具等。这种设备通常对封闭空间内的颗粒浓度有很大影响。
根据另一优选实施方式，事件捕获设备包括用于捕获至少一个本地环境参数的环境参数捕获设备和用于将环境参数的变化确定为预定本地事件的环境参数变化确定设备。因此，可以预先定义环境参数，该环境参数以很高的概率引起颗粒浓度的预期变化。
根据另一优选实施方式，本地环境参数包括本地温度、本地湿度或本地气体气氛。这样的环境参数通常对颗粒浓度有很大影响。
根据另一优选实施方式，提供第一警告设备，并且该第一警告设备被设置为如果测量模式不能被激活，则输出声学和/或光学和/或振动警告。因此，用户可以采取相应的预防措施，以便启用测量模式。
根据另一优选实施方式，提供第二警告设备，并且该第二警告设备被设置为如果预定时间段内的平均颗粒浓度或瞬时颗粒浓度超过相应的预定极限值，则输出声学和/或光学和/或振动警告。这样的警告使得用户可以将位置改变为污染较少的位置或者佩戴防护装备，例如呼吸面罩。
根据另一优选实施方式，颗粒浓度捕获设备具有光学发射器设备和光学检测器设备，光学发射器设备用于将光学测量光束引导通过光学出射区域到达壳体外部进入在其内能够捕获颗粒的聚焦区域，光学检测器设备布置在壳体中并且用于捕获被颗粒散射的测量光束并输出与颗粒浓度有关的信息。这种颗粒浓度捕获设备可以特别紧凑。
根据另一优选实施方式，光学发射器设备具有激光二极管，特别是VCSEL二极管，并且光学检测器设备具有集成在激光二极管中的光电二极管。
根据另一优选实施方式，可以通过使用自混合干涉方法的算法来分析测量光束和被散射的测量光束。
根据另一优选实施方式，光学颗粒传感器装置布置在便携式装置中，特别是在智能电话中。这极大地简化了用户的操作。
根据另一优选实施方式，提供了用于将预定时间段内的平均颗粒浓度或瞬时颗粒浓度传输到数据云设备的传输设备。因此，该区域中没有携带例如颗粒传感器装置的其他人可以从测量值中受益。
根据另一优选实施方式，颗粒浓度是PM2.5细粉尘浓度。因此，可以将测量值与公共标准(例如WHO标准)进行比较。
附图说明
在附图中：
图1示出了用于解释根据本发明第一实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图；
图2示出了用于解释根据本发明第二实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图；
图3示出了用于解释根据本发明第三实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图；以及
图4示出了用于解释从DE 10 2015 207 289 A1已知的光学颗粒传感器装置的框图。
在附图中，相同或功能相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1是用于解释根据本发明第一实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图。
在图1中，附图标记100表示壳体，例如智能手机的壳体，在该壳体中设置有光学颗粒浓度捕获设备10，该光学颗粒浓度捕获设备10被设置为在受时间控制的测量模式下和叠加的受事件控制的测量模式下确定预定颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值。在本实施方式中，颗粒是PM2.5细粉尘颗粒。
颗粒浓度捕获设备10具有光学发射器设备LD，该光学发射器设备LD用于将光学测量光束OB引导通过光学出射区域OF到达壳体100的外部进入聚焦区域FA。可以在聚焦区域FA内捕获颗粒P。用于捕获被颗粒P散射的测量束OB’并用于输出与颗粒浓度有关的信息的光学检测器设备DD同样被布置在壳体100中。
在本实施方式中，光学发射器设备LD是激光二极管，特别是VCSEL二极管，并且光学检测器设备DD是集成在激光二极管中的光电二极管。为了确定颗粒浓度，通过使用自混合干涉方法的算法来分析测量光束OB和被散射的测量光束OB’。
由光学颗粒浓度捕获设备10确定的PM2.5细粉尘颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值被传输到评估设备20，评估设备20基于所传输的测量值确定预定时间段(例如一天24小时的过程)内的平均颗粒浓度。
受时间控制的测量模式的时间间隔或者是预设的或者可以由用户设置，并且应当使得以同时精确的测量结果实现尽可能低的能量消耗。连接到评估设备20的显示设备30使得能够可视地向用户呈现瞬时颗粒浓度或平均颗粒浓度。
平均颗粒浓度和/或瞬时颗粒浓度可以通过传输设备40传输到数据云设备(未示出)。
附图标记50表示事件捕获设备，用于捕获与光学颗粒传感器装置的环境相关的预定本地事件，并且用于响应于预定本地事件的捕获而激活叠加的受事件控制的测量模式。
在第一实施方式中，事件捕获设备50是位置变化捕获设备50的形式。该位置变化捕获设备50被设计为捕获预定地理位置变化作为预定本地事件。预定地理位置变化涉及进入或离开建筑物或建筑物区域。
为了能够捕获预定地理位置变化，位置变化捕获设备50连接到传感器设备55，该传感器设备55用于捕获WiFi信号强度和/或GPS信号和/或蓝牙信号和/或GSM信号强度和/或电磁EM信号强度。位置变化捕获设备50借助于所提及的传感器信号中的单个传感器信号或者借助于多个传感器信号的组合来确定预定地理位置变化，这可以提高精度。
每次捕获到这样的本地事件时，位置变化捕获设备50经由相应生成的事件信号E激活颗粒浓度捕获设备10以执行叠加的受事件控制的测量模式。
图2是用于解释根据本发明第二实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图。
第二实施方式的结构与第一实施方式的结构的不同之处在于事件捕获设备50’。在第二实施方式中，事件捕获设备50’连接到用于捕获本地声级的声音捕获设备55’。
事件捕获设备50’是用于将预定声音模式确定为预定本地事件的声音确定设备50’的形式。
例如，预定声音模式包括设备的驱动，特别是真空吸尘器、吹风机、工具、空调系统、运动器材等。
特别地，在封闭空间内，这种设备的驱动影响可以由事件捕获设备50’瞬时捕获的本地颗粒浓度，并且可以启动受事件控制的测量模式。
图3是用于解释根据本发明第三实施方式的便携式光学颗粒传感器装置的框图。
第三实施方式的结构与第二实施方式的结构的不同之处同样在于事件捕获设备50”。在第三实施方式中，事件捕获设备50”包括用于捕获至少一个本地环境参数的环境参数捕获设备55”和用于将环境参数的变化确定为预定本地事件的环境参数变化确定设备50”。
本地环境参数例如是可以使用相应的环境参数传感器设备55”捕获的本地温度、本地湿度或本地气体气氛。
颗粒传感器装置还具有第一警告设备21，该第一警告设备21被设置为如果测量模式不能被激活，则输出声学和/或光学和/或振动警告。这使得用户可以例如通过改变颗粒传感器装置的位置来立即重新激活测量模式。
颗粒传感器装置还具有第二警告设备22，第二警告设备22被设置为如果预定时间段(例如24小时)内的平均颗粒浓度或瞬时颗粒浓度超过相应的预定极限值，则输出声学和/或光学和/或振动警告。然后可以将这样的警告显示在显示设备30上或者可以经由扬声器设备(未示出)声学地输出。
Claims (22)
1.一种便携式光学颗粒传感器装置，其包括：
光学颗粒浓度捕获设备(10)，该光学颗粒浓度捕获设备(10)被设置成在受事件控制的测量模式下确定预定颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值；以及
事件捕获设备(50；50’；50”)，该事件捕获设备(50；50’；50”)用于捕获与所述光学颗粒传感器装置(10)的环境相关的至少一个预定本地事件，并且用于响应于所述至少一个预定本地事件的捕获来激活所述受事件控制的测量模式。
2.根据权利要求1所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述光学颗粒浓度捕获设备(10)被设置为在受时间控制的测量模式下确定预定颗粒的所述瞬时颗粒浓度的测量值，在该受时间控制的测量模式上叠加有所述受事件控制的测量模式。
3.根据权利要求1或2所述的便携式光学颗粒传感器装置，所述便携式光学颗粒传感器装置包括评估设备(20)，该评估设备(20)用于基于所述测量值来确定预定时间段内的平均颗粒浓度。
4.根据权利要求1或2或3所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述事件捕获设备(50)具有用于捕获预定地理位置变化作为所述预定本地事件的位置变化捕获设备(50)。
5.根据权利要求4所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述预定地理位置变化包括进入或离开建筑物或建筑物区域。
6.根据权利要求4或5所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述位置变化捕获设备(50)连接到传感器设备(55)，该传感器设备(55)用于捕获WiFi信号强度和/或GPS信号和/或蓝牙信号和/或GSM信号强度和/或EM信号强度，特别是光强度或地面磁场强度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述事件捕获设备(50’)连接到用于捕获本地声级的声音捕获设备(55’)，并且包括用于将预定声音模式确定为所述预定本地事件的声音确定设备(50’)。
8.根据权利要求7所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述预定声音模式由设备的驱动产生。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述事件捕获设备(50”)包括用于捕获至少一个本地环境参数的环境参数捕获设备(50”)和用于将环境参数的变化确定为所述预定本地事件的环境参数变化确定设备(50”)。
10.根据权利要求9所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述本地环境参数包括本地温度、本地湿度或本地气体气氛。
11.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，提供第一警告设备(21)，并且该第一警告设备(21)被设置为如果测量模式不能被激活，则输出声学和/或光学和/或振动警告。
12.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，提供第二警告设备(22)，并且该第二警告设备(22)被设置为如果预定时间段内的平均颗粒浓度或瞬时颗粒浓度超过相应的预定极限值，则输出声学和/或光学和/或振动警告。
13.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述颗粒浓度捕获设备(10)具有光学发射器设备(LD)和光学检测器设备(DD)，所述光学发射器设备(LD)用于将光学测量光束(OB)引导通过光学出射区域(OF)到达壳体(10)外部进入在其内能够捕获颗粒的聚焦区域(FA)，所述光学检测器设备(DD)布置在所述壳体(100)中并且用于捕获被颗粒(P)散射的测量光束(OB’)并输出与所述颗粒浓度有关的信息。
14.根据权利要求13所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述光学发射器设备(LD)是激光二极管，特别是VCSEL二极管，并且所述光学检测器设备(DD)具有集成在所述激光二极管中的光电二极管。
15.根据权利要求13或14所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，能够通过使用自混合干涉方法的算法来分析所述测量光束(OB)和被散射的测量光束(OB’)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，所述便携式光学颗粒传感器装置布置在便携式装置中，特别是在智能电话中。
17.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，所述便携式光学颗粒传感器装置具有传输设备(40)，该传输设备(40)用于将预定时间段内的平均颗粒浓度或所述瞬时颗粒浓度传输到数据云设备。
18.根据前述权利要求中任一项所述的便携式光学颗粒传感器装置，其中，所述颗粒浓度是PM2.5细粉尘浓度。
19.一种颗粒测量方法，其具有以下步骤：
在受事件控制的测量模式下确定预定颗粒的瞬时颗粒浓度的测量值；以及
捕获与光学颗粒传感器装置的环境相关的至少一个预定本地事件；以及
响应于所述至少一个预定本地事件的捕获来激活所述受事件控制的测量模式。
20.根据权利要求19所述的颗粒测量方法，其中，所述预定本地事件包括进入或离开建筑物或建筑物区域。
21.根据权利要求19或20所述的颗粒测量方法，其中，所述预定本地事件由设备的驱动产生。
22.根据权利要求19、20或21所述的颗粒测量方法，其中，所述预定本地事件包括环境参数的变化。
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