CN113272640A - 用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的颗粒传感器 - Google Patents
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Abstract
一种颗粒传感器(16)，所述颗粒传感器用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒(12)或气溶胶。所述颗粒传感包括激光器(18)并且具有设置用于探测热辐射(14)的第一探测器(26)。提出，所述颗粒传感器(16)具有布置在所述激光器(18)的射束路径中的至少一个光学元件(20)，所述光学元件布置和设置用于将从所述激光器(18)发出的激光(10)聚束到光点(22)，并且所述第一探测器(26)如此设置和布置，使得所述第一探测器探测从所述光点(22)发出的热辐射(14)，所述颗粒传感器(16)具有第二探测器(28)，所述第二探测器设置和布置用于探测反向散射的激光(34)。
Description
技术领域
本发明涉及一种在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的颗粒传感器。
背景技术
激光诱导白炽光(“LII”)的原理在探测气体中的、例如空气中的纳米颗粒方面早已为人所知，并且例如也广泛地用于在实验室中表征“玻璃”发动机中的燃烧过程或用于实验室环境中的废气表征。在此，这些颗粒、例如烟尘颗粒借助高功率激光器的纳秒脉冲被加热到几千摄氏度，使得这些颗粒大量发射热量辐射或者说热辐射。颗粒的这种热诱导的光辐射是借助光探测器来测量的。该方法允许探测具有低至几十纳米的直径的非常小的颗粒。
发明内容
本发明所基于的问题通过具有权利要求1的特征的颗粒传感器解决。有利的扩展方案在从属权利要求中说明。
根据本发明的颗粒传感器用于探测流体、例如废气中的颗粒或气溶胶。该颗粒传感器在使用激光诱导白炽光的原理的情况下工作。在此，首先借助激光通过激光的部分吸收来将颗粒加热到几千度，该激光从激光器模块发出并以足够高的强度被聚束在光点中。该热颗粒根据普朗克辐射定律发出特征热辐射(白炽光或热电子辐射)，该热辐射用作测量信号并借助第一探测器来进行接收。这种热发射的光(热辐射)的光谱通常是相对较为宽带的，其最大值在红色范围中(取决于颗粒达到的温度在大约750nm处)。
为此目的，在根据本发明的颗粒传感器中存在布置在激光器的射束路径中的光学元件，该光学元件构造并设置用于将从激光器模块发出的激光聚束到非常小的光点中。在例如10μm的焦点直径的情况下可以假设，如果基于1013/m3的颗粒浓度，则在给定的时刻总是只有一个颗粒飞过该光点(本征的单个颗粒可探测性)。第一探测器在颗粒传感器中如此设置和布置，使得该第一探测器探测从该光点发出的热辐射。可以使用成本有利的半导体激光二极管作为激光源，这降低颗粒传感器的成本。热辐射的探测例如可以借助敏感的光电二极管或多像素光子计数器(MPPC)来进行。
根据本发明，颗粒传感器具有第二探测器，该第二探测器设置和布置用于探测反向散射的激光。借助对反向散射的激光的波长敏感的该附加的探测器，能够控制激光的通过至少一个光学元件直至光点的路径、以及激光返回到第一探测器的反向散射。在此，从光点到第一探测器的光路与从光点到第二探测器的光路相同。因此，可以检查完整光路的功能性并实现颗粒传感器的自诊断。为此，仅需单个第二探测器、例如一个光电二极管作为附加部件，使得能够非常成本有利地实现本发明。
这基于如下知识，即基于激光诱导白炽光的颗粒传感器的一个普遍问题是：光路的唯一明确的自诊断仅仅借助针对实际的传感器功能而安装的元件(尤其是激光器和第一探测器)来实现。如此，当第一探测器针对热辐射测量到(例如恒定的)信号时，不能清楚地分配：该信号是由反向散射的激光、由激光引起的荧光、由来自流体的热辐射还是由第一探测器中的提高的噪声引起的。
通过使用对激光敏感的第二探测器，能够探测和量化反向散射的激光，该反向散射的激光从激光器到达传感器头并部分地散射回到第一探测器并因此也到达第二探测器。由此能够检查、甚至可能定量地检查激光器的功能，以及能够检查到光点的光路和返回第一和第二探测器的光路。因此，借助根据本发明的颗粒传感器来解决迄今为止存在的问题，即难以处理的关于激光功率的自诊断和难以处理的关于光学路径的功能的自诊断。
在本发明的一种扩展方案中设置，颗粒传感器具有光学部件，这些光学部件一方面用于将激光从激光器模块引导至光点，另一方面用于将热辐射引导至第一探测器以及将反向散射的激光引导至第二探测器。由此，颗粒传感器特别紧凑地构造。
在本发明的一种扩展方案中设置，第一探测器和第二探测器彼此光学平行地布置。这在设计方面易于实现。
在本发明的一种扩展方案中设置，在第一探测器前方布置有第一滤波器，该第一滤波器至少近似滤除如下波长范围：激光器在该波长范围中进行发射；并且优选地，在第二探测器前方布置有第二滤波器，该第二滤波器至少近似滤除热辐射的波长范围。以这种方式，基本上仅探测器应探测的那些辐射类型到达相应的探测器。
在本发明的一种扩展方案中设置，颗粒传感器——为了将激光从激光器引导至光点，和/或将热辐射从光点引导至第一探测器，和/或为了反向散射的激光的引导——包括光学部件、尤其是透镜和镜(Spiegel)。这种光学部件相对价格便宜且稳健。
在本发明的一种扩展方案中设置，颗粒传感器——为了将激光从激光器引导至光点和/或将热辐射从光点引导至第一探测器和/或为了对反向散射的激光进行引导——包括至少一个光波导。由此扩展颗粒传感器的设计中的自由度。可以理解，除了光波导之外，还可以设置相应的进行耦合输入和进行耦合输出的光学元件。
在本发明的一种扩展方案中设置，激光器模块包括聚焦的CW激光器并且激光和待测量的气流在光点区域中至少近似平行地延伸。例如，在此处提出的本发明中，为此可以使用在较低功率(～50至500mW，有时直至5000mW)下连续运行的(CW)激光器，该激光器借助相应的光学元件(例如透镜)聚焦到非常小的区域(光点)上。尽管采用CW运行，但是这种焦点形成使得能够足够地增加功率密度，以便达到激光诱导白炽光所需的颗粒温度。
在本发明的一种扩展方案中设置，激光器模块构造为便携式设备。这特别是在现场测量中是有利的。
在本发明的一种扩展方案中设置，颗粒传感器在求取室内空气质量时使用，或者颗粒传感器用于探测燃烧设备或内燃机的废气流中的颗粒、尤其是烟尘颗粒。尤其是在机动车中，用于柴油内燃机的柴油颗粒过滤器的状态或汽油内燃机的汽油颗粒过滤器的状态的车载诊断(“OBD”)由废气法规(Abgasgesetzgebung)决定地而越来越多地使用或纳入计划。在此，根据本发明的颗粒传感器因此具有特别大的优点。该传感器允许测量柴油车辆和汽油车辆的废气中的烟尘颗粒的数量浓度(颗粒/m3或颗粒/mi)和质量浓度(mg/m3或mg/mi)。在此，明确包括在测试体积中进行单个颗粒探测的能力，使得也可以由测量数据确定颗粒尺寸。该传感器可以用作颗粒过滤器的状态的OBD监测。该传感器具有短的响应时间，并且在激活后几乎立即准备就绪。尤其是在汽油车辆中，颗粒数量测量能力以及颗粒传感器直接在车辆启动后立即准备就绪是非常重要的，因为在汽油车辆中典型的非常细小的颗粒(质量小，数量高)中的大部分是在冷启动期间产生的。
在本发明的一种扩展方案中设置，颗粒传感器具有分析处理单元，该分析处理单元编程用于：基于第一探测器和第二探测器的信号执行颗粒传感器的光路的自诊断。因此实现一种智能颗粒传感器，该智能颗粒传感器作为独立的单元进行自我诊断并且因此能够广泛地应用。当确定颗粒传感器的功能失效时，分析处理单元可以输出相应的信号，该信号导致机动车的用户知悉该功能失效。
附图说明
下面参照附图阐述本发明的实施方式。在附图中示出：
图1示出在本发明中使用的、基于激光诱导白炽光的测量原理；
图2示出根据本发明的颗粒传感器的原理性结构；
图3示出用于阐述根据本发明的颗粒传感器的第一实施方式的结构的方框图；
图4示出第二实施方式的、与图3相似的方框图；并且
图5示出根据本发明的颗粒传感器的结构的更详细的图示。
功能等效的元件和区域在以下描述中具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出基于激光诱导白炽光(LII)的测量原理。高强度的激光10照射到颗粒12上，例如内燃机(未示出)的废气流中的烟尘颗粒。激光10的强度如此之高，使得激光10的由颗粒12吸收的能量将颗粒12加热到几千摄氏度。作为加热的结果，颗粒12自发地并且基本上没有优选方向地大量地以热辐射形式发射辐射14，也称为LII光。以热辐射形式发射的辐射14的一部分因此也以与入射激光10的方向相反的方向发射。
图2示意性示出根据本发明的颗粒传感器16的一种实施例的原理性结构。在此，颗粒传感器16具有CW激光器模块18(CW＝continuous wave，即连续波)，借助布置在CW激光器模块18的射束路径中的至少一个光学元件20将所述CW激光器模块的优选平行的激光10聚焦到非常小的光点22上。光学元件20优选是透镜24。仅在光点22的体积中，激光10的强度才达到激光诱导白炽光所需的高值。但是，本发明不限于使用CW激光器。也可以设想使用以脉冲方式运行的激光器。
光点22的尺寸位于几微米的范围内、尤其是位于至多200μm的范围内，使得将穿过光点22的颗粒12激励以发射可分析处理的辐射功率，无论是通过激光诱导白炽光还是通过化学反应(尤其是氧化)。因此，可以假设，始终至多一个颗粒12处于光点22中，并且颗粒传感器16的瞬时测量信号仅源自该至多一个颗粒12。测量信号由第一探测器26产生，该第一探测器如此布置在颗粒传感器16中，使得该第一探测器探测从飞过光点22的颗粒12发出的辐射14、尤其是热辐射。为此，第一探测器26优选地具有至少一个光电二极管26.1，该光电二极管检测热辐射并且能够实现量化(强度作为时间的函数)。因此能够实现单颗粒测量，所述单颗粒测量使得能够提取关于颗粒12的信息，例如尺寸和速度。作为光电二极管26.1例如考虑成本有利的SiPM(silicon photomultiplier，硅光电倍增管)或者SPAD二极管(single-photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)。因此，已经可以探测由特别小的颗粒产生的并且因此极小的光信号，该光信号例如由几十个光子形成。因此，恰好仍然可证实的颗粒尺寸降低到10nm到100nm的下证实极限。
借助第一探测器26的信号能够确定废气速度，并且使得能够计算颗粒尺寸光谱
第一尺寸对于计算颗粒12的数量浓度是重要的。结合第二尺寸，也可以计算质量浓度。这表示与用于颗粒测量的其他测量方法相比的明显优势。
完全可能的是，对激光器模块18的激光器进行调制或者说接通和关断(占空比<100％)。然而仍优选地，激光器模块18的激光器是CW激光器。这使得能够使用成本有利的半导体激光元件(激光二极管)，这使得整个颗粒传感器16变廉价并且极大地简化激光器模块18的操控和测量信号的分析处理。但是，不排除使用脉冲激光器。
与第一探测器26直接相邻地且光学平行地布置有第二探测器28，第二探测器包括光电二极管28.1。第二探测器28对激光10敏感，使得借助该第二探测器28可以检测反向散射的激光。第二探测器28不仅允许检测反向散射的激光，而且允许对其进行量化，由此能够——甚至还在可量化的程度上——检查激光器模块18的功能以及检查从激光器模块18到光点22与到第一探测器26的光学路径。
图3示出颗粒传感器16的第一实施方式的方框图。首先可以看到发射激光10的激光器模块18。激光10通过透镜29首先被成型(formen)为平行射束，该平行射束穿过呈二向色镜(dichroitischen Spiegel)30形式的分束器。该平行射束从那里到达透镜24并且进一步以聚焦的形式到达光点22。
在光点22中由激光10激励的颗粒12的热辐射14(虚线箭头)又通过透镜24返回到二向色镜30，在那里该热辐射偏转90°，穿过聚焦透镜31并且通过滤波器32到达第一探测器26的光电二极管26.1。滤波器32如此构造，使得该滤波器滤除激光10的波长。通过滤波器32降低针对由颗粒12例如以热辐射形式发射的热辐射14脉冲的干扰背景。具有滤波器32的实施例特定地充分利用激光源(例如激光二极管)的窄带宽，其方式为：在第一探测器26前方恰好滤除该窄带宽。也可以设想使用简单的边缘滤波器。由此极大地改善信噪比。
尽管如此，不仅热辐射14而且反向散射的激光34(点划线箭头)到达第一探测器26的光电二极管26.1。这与以下有关：滤波器32始终也允许少量这种反向散射的激光34通过。但同样可能的是，由于通过激光10引起的荧光或热辐射(例如来自内燃机的废气)导致的辐射也能够到达例如第一探测器26的光电二极管26.1。第一探测器26的信号也可能具有提高的噪声。
为了能够检查激光器模块18的功能以及能够检查激光器模块18到光点22与从光点22到第一探测器26之间的光学路径，使用第二探测器28。具体地，从光点22周围的区域和/或透镜24和/或二向色镜30(图3中的点划线箭头)散射的激光34通过包括透镜31在内的相同的光学路径到达第一探测器26。即使例如在光点22周围的区域中散射的激光在二向色镜30处在很大程度上透射，散射光的一小部分(例如0.1％)仍然在探测器26和28的方向上偏转90°。在使用高灵敏度的探测器28(例如SPAD二极管)的情况下，散射激光的这一小部分也足以用于诊断功能。但是，该散射激光34通过滤波器36也到达第二探测器28及其光电二极管28.1。滤波器36如此构造，使得该滤波器滤除热辐射14的波长。以这种方式，基本上仅还有散射激光34到达光电二极管28.1。
图4示出一种替代的变型方案：在此，激光10通过耦合输入光学器件38耦合输入到光波导40中并且通过该光波导被引导至光点22。从那里发射的热辐射14和从那里部分地反向散射的激光34均通过另一光波导42引导回到第一探测器26和第二探测器28。尤其可以考虑使用玻璃纤维作为光波导40和42。
图5示出根据本发明的颗粒传感器16的有利实施例，该颗粒传感器适合用作燃烧过程的废气中的、例如内燃机的废气设备中的烟尘颗粒传感器。
颗粒传感器16具有由外保护管44和内保护管46组成的装置。两个保护管44、46优选地具有一般的柱体形状(Zylinderform)或棱柱形形状。柱体形状的底面优选地是圆形、椭圆形或多边形。柱体优选同轴布置，其中，柱体的轴横向于废气48的流动地取向。内保护管46在轴的方向上超过外保护管44伸入到流动的废气48中。在两个保护管44、46的背离流动的废气48的端部处，外保护管44突出超过内保护管46。外保护管44的内部净宽(lichteWeite)优选地比内保护管46的直径大得多，使得在两个保护管44、46之间产生第一流动横截面。内保护管46的内部净宽形成第二流动横截面。
这种几何形状具有以下结果：废气48通过第一流动横截面进入两个保护管44、46的装置，然后在保护管44、46的背离废气48的端部处改变其方向，进入内保护管46并且从内保护管中由流经的废气48吸出(具有附图标记49的箭头)。在此，在内保护管46中产生层流。保护管44、46的这种装置借助烟尘颗粒传感器16横向于废气流方向地固定在废气管(未绘制出)上或者废气管中。
烟尘颗粒传感器16还具有激光器模块18，如在此所示出的那样，该激光器模块优选地产生平行的激光10。在平行的激光10的射束路径中存在呈已经在上面提到的二向色镜30形式的分束器。激光10的穿过分束器30而没有偏转的一部分通过光学元件20聚焦成内保护管46内部中的非常小的光点22。在该光点22中，光强度足够高以将随废气48输送的颗粒12加热到几千摄氏度，使得经加热的颗粒12大量发射呈热辐射形式的辐射14。辐射14例如位于近红外和可见光谱范围中，而本发明不限于来自该光谱范围的辐射14。
无方向性地以热辐射的形式发射的辐射14(或者说LII光)的一部分由光学元件20检测并通过分束器30被偏转并通过透镜31定向到第一探测器26上。该结构具有特别重要的优点，即仅需一个通向废气48的光学通道，因为使用同一个光学器件、尤其是同一个光学元件20来产生光点22和检测从颗粒12发出的热辐射14。废气48是测量气体的示例。测量气体也可以是其他气体或气体混合物，例如室内空气。
在图5的主题中，激光器模块18具有激光二极管50和透镜52，该透镜使从激光二极管50发出的激光10平行地取向。激光二极管50的使用代表产生激光10的特别成本有利且易于操作的可能性。平行的激光10通过光学元件20聚焦成光点22。
光学颗粒传感器16优选地具有暴露于废气的第一部分16.1和不暴露于废气的第二部分16.2，该第二部分包含颗粒传感器16的光学部件。两个部分通过分隔壁16.3分隔开，该分隔壁在保护管44、46与颗粒传感器的光学元件之间延伸。壁16.3用于将敏感的光学元件与热的、化学侵蚀性的且“脏的”废气48的隔离。在分隔壁16.3中，在激光10的射束路径中安装保护窗54，激光10穿过该保护窗入射到废气48中，并且从光点22发出的热辐射14能够通过该保护窗入射到光学元件20上并且从那里出发通过分束器30和滤波器32入射到第一探测器26上。以同样的方式，反向散射的激光34能够通过保护窗54以一定的比例到达光学元件20、二向色镜30、聚焦透镜31和滤波器36，并入射到第二探测器28上。
光学颗粒传感器16还可以具有分析处理单元56，该分析处理单元编程用于，基于第一探测器26的和第二探测器28的信号执行颗粒传感器16的光路的自诊断或光路中的至少一部分的自诊断。
作为在此示出的实施例的替代，光点22的产生和从光点22中的颗粒发出的热辐射14的检测也可以通过分开的光束路径进行。
也可以设想借助不同于在此仅作为实施例说明的透镜组合来产生光点22。
此外，颗粒传感器16也可以借助与为此以实施例说明的激光二极管50不同的其他激光源来实现。
Claims (10)
1.一种颗粒传感器(16)，其用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒(12)或气溶胶，所述颗粒传感器具有激光器(18)并且具有设置用于探测热辐射(14)的第一探测器(26)，其特征在于，所述颗粒传感器(16)具有布置在所述激光器(18)的射束路径中的至少一个光学元件(20)，所述至少一个光学元件布置和设置用于将从所述激光器(18)发出的激光(10)聚束到光点(22)中，所述第一探测器(26)如此设置和布置，使得所述第一探测器探测从所述光点(22)发出的热辐射(14)，所述颗粒传感器(16)具有第二探测器(28)，所述第二探测器设置和布置用于探测反向散射的激光(34)。
2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述颗粒传感器具有光学部件(20，30)，所述光学部件不仅用于将所述激光(10)从所述激光器(18)引导至所述光点(22)，而且用于将所述热辐射(14)引导至所述第一探测器(26)以及将所述反向散射的激光(34)引导至所述第二探测器(28)。
3.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述第一探测器(26)和所述第二探测器(28)彼此光学平行地布置。
4.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，在所述第一探测器(26)前方布置有第一滤波器(32)，所述第一滤波器至少近似滤除以下波长范围：所述激光器(18)在所述波长范围中进行发射；优选在所述第二探测器(28)前方布置有第二滤波器(36)，所述第二滤波器至少近似滤除所述热辐射(14)的波长范围。
5.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，为了将所述激光(10)从所述激光器(18)引导至所述光点(22)，和/或为了将所述热辐射(14)从所述光点(22)引导至所述第一探测器(26)，和/或为了所述反向散射的激光(34)的引导，所述颗粒传感器包括光学部件、尤其是透镜(20)和镜(30)。
6.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，为了将所述激光(10)从所述激光器(18)引导至所述光点(22)，和/或为了将所述热辐射(14)从所述光点(22)引导至所述第一探测器(26)，和/或为了所述反向散射的激光(34)的引导，所述颗粒传感器包括至少一个光波导(40，42)。
7.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述激光器(18)包括聚焦的CW激光器，所述激光(10)和待测量的气流在所述光点(22)的区域中至少近似平行地延伸。
8.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述颗粒传感器构造为便携式设备。
9.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述颗粒传感器在求取室内空气质量时使用，或者所述颗粒传感器用于探测燃烧设备或内燃机的废气流(48)中的颗粒、尤其是烟尘颗粒。
10.根据以上权利要求中至少一项所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述颗粒传感器具有分析处理单元，所述分析处理单元编程用于，基于所述第一探测器(26)的和所述第二探测器(28)的信号执行所述颗粒传感器(16)的光路的自诊断。
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