CN115053114A - 通过差分双检测器进行温度检测 - Google Patents

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Abstract

一种传感器系统(100)，包括四个互连的电阻器(102、103、104、105)，其中，电阻器中的两个电阻器(104、105)是光导检测器，而光导检测器被至少两种不同波长的光照射，而电阻器中的两个电阻器(102、103)不会由于照射改变它们的电阻，而外部电压应用于传感器系统(100)，而差分电压是可测量的，这取决于照射的光导检测器的电阻变化，而差分电压给出四个相应电阻(102、103、104、105)的数学比率。

Description

通过差分双检测器进行温度检测
技术领域
本发明涉及一种用于对一对光导体的变化电阻进行差分测量的电子读出装置，其也称为光阻检测器。
背景技术
光导体是传感器，其需要外部激励信号才能生成取决于测量的物理量的电输出。在光导体的情况下，该物理量是照射。最常见的是，电压VBias作为激励信号施加到光导体。
与特定的滤波器一起使用，光导体可通过从被测对象发出的一部分热辐射推断温度而用作红外温度计。
允许在不知道测量对象的发射率的情况下确定温度的双波IR测量是一种已知的方法，并且在文献中提到用于各种行业的应用。
论文用于玻璃陶瓷炉灶的传感系统；作者Joseph Paradiso、Lance Borque、Philip Bramson、Mat Laibowitz、Hong Ma、Mat Malinowski由Responsive EnvironmentsGroup麻省理工学院媒体实验室于2003年7月18日编辑(Sensing Systems for GlassCeramic Cooktops；by Joseph Paradiso,Lance Borque,Philip Bramson,MatLaibowitz,Hong Ma,Mat Malinowski edited by Responsive Environments Group MITMedia Lab in July 18,2003)概述了肖特陶瓷玻璃灶具中使用的测量系统。已经执行了许多传感材料、电路和测量策略(https://resenv.media.mit.edu/pubs/papers/Sensing％20Systems％20forC ooktop1.pdf)。
美国消费品安全委员会不得不在2002年讨论玻璃陶瓷炉灶的温度测量。他们的备忘录可以在https://www.cpsc.gov/s3fs-public/pdfs/ceramic.PDF找到。
基于MEMS技术的增强型多波长传感器也可商购。
光学检测器的输出由适当的信号处理电路记录，并且然后借助于模数转换器记录。然后可以使用数字值来计算商，其取决于被测对象的温度。可以使用适当的查找表将商转换为温度。
对于该方法，需要两个读出电子器件，并且借助于微控制器或类似的数字信号处理单元执行商的计算。对于高精度测量，读出电子器件的所需组件很昂贵，并且每个通道(在最简单的方法中，针对双波长的两个通道)成本更高。
此外，检测器的温度相关性应通过测量检测器的温度并再次通过在微控制器上执行数字计算来补偿。可替代地，可以将暗化(darkened)的检测器定位在与彼此处于热平衡的其它检测器相同的基板上，并通过监视暗化的检测器的热漂移。由于暗化的检测器看不到来自被测对象的辐射，它产生的唯一信号变化是由于热漂移。然而，暗化的检测器需要另一个昂贵的读出电子器件。
远程温度测量需要事先了解被测对象的发射率。不同类型的对象由于其相应的发射率不同，在不重复调节测量设置的情况下，就无法正确测量。
通过采用不同波长的多个传感器，并且然后组合它们的值，可以实现与发射率无关的温度测量。该方法增加了测量设置的材料成本。采用该方法，还应通过添加进一步的检测器和读出电子器件来考虑检测器的热漂移。
需要采用单个读出电子器件在模拟基础上计算商和温度漂移的补偿。
本发明解决的问题
因此，本发明解决的问题是指定一种至少基本上避免该类型的已知电路的缺点的装置和方法。特别地，仅采用一个读出电子器件，在无需了解对象的发射率的情况下，测量对象的温度的简化的解决方案是期望的。
发明内容
该问题通过具有独立专利权利要求特征的本发明来解决。在从属权利要求和/或以下说明书和详细实施例中呈现了可以单独或组合实现的本发明的有利发展。
如在此所使用的，表述“具有”、“包括”和“包含”以及它们的语法变体以非排他的方式使用。因此，表述“A具有B”以及表述“A包括B”或“A包含B”都可以指除B之外，A包含一个或多个其它组件和/或组分的事实，以及除B之外，A中不存在其它组件、组分或元件的情况。
在本发明的第一方面，公开了一种传感器系统。传感器系统包括四个互连的电阻器。电阻器中的至少两个电阻器是光导检测器，所述光导检测器被配置为每一个表现出取决于其相应光敏区域的照射的电阻。用至少两个不同波长的光照射光导检测器，其中，光导检测器中的至少两个光导检测器各自响应于不同波长的电磁能。其它两个电阻器被配置为每一个在照射下表现出基本上恒定的电阻。诸如通过使用至少一个电压源将外部电压应用于传感器系统。传感器系统被配置用于测量差分电压。差分电压取决于光导检测器的电阻变化。差分电压给出四个相应电阻的数学比率。
根据本发明的传感器系统基于至少两个光导检测器，而它们被至少两种不同的波长照射。温度漂移补偿需要另外两个温度敏感电阻器，诸如热敏电阻，而它们表现出与光导检测器相同的耐温行为。出于实际原因，代替热敏电阻，可以采用两个附加光导检测器，但它们是暗化的，这意味着它们没有被照射。生成取决于被照射检测器的电阻变化的差分电压，而差分电压给出了四个检测器信号的数学比率。
如在此所使用的，术语“系统”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于形成整体的任意组的相互作用或相互依赖的组成部分。具体地，组件可以相互交互以便实现至少一种共同功能。该至少两个组件可以独立处理或者可以耦合或可连接。如在此所使用的术语“传感器系统”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于包括至少传感器、特别是至少两个光导检测器的系统。
如在此所使用的，也表示为光导体的术语“光导检测器”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于能够表现出取决于光导体的光敏区域的照射的特定电阻Rphoto的光敏元件。具体地，电阻取决于光导检测器材料的照射。光导检测器各自可以包括包含“光导材料”的光敏区域。例如，光导检测器可以应用在光敏检测器电路中。光导检测器中的每一个可以被配置为表现出取决于其光敏区域的照射的电阻。
光导检测器可以布置在特别是彼此相邻的至少一个光导体阵列中。光导检测器可以是阵列的相邻检测器。然而，在光导检测器之间存在附加光导检测器的实施例是可能的。如在此所使用的，术语光导检测器的“阵列”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于以具有多个像素的矩阵布置的多个光导体。如在此进一步使用的，术语“矩阵”通常是指多个元素以预定几何顺序排列的布置。该矩阵具体可以是或者可以包括具有一行或多行和一列或多列的矩形矩阵。行和列具体可以以矩形方式布置。然而，应该概述其它布置是可行的，诸如非矩形布置。作为示例，圆形布置也是可行的，其中元素布置成围绕中心点的同心圆或椭圆。例如，矩阵可以是单行像素。其它布置是可行的。矩阵的光导检测器具体可以在尺寸、灵敏度和其它光学、电学和机械特性中的一项或多项上相等。矩阵的所有光导检测器的光敏区域具体可以位于共同平面中，使得照射阵列的光束可以在共同平面上生成光斑。该阵列可以在同一基板上单片地制造。阵列的光导检测器可以设计成相同的，特别是关于它们的光敏区域的尺寸和/或形状和/或光导材料方面。
如在此所使用的术语“照射”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于可见光谱范围、紫外光谱范围和红外光谱范围中的一种或多种范围中的电磁辐射。其中，部分地根据标准ISO-21348，术语可见光谱范围一般是指380nm至760nm的光谱范围。术语红外(IR)光谱范围一般是指760nm至1000μm范围内的电磁辐射，其中760nm至1.4μm的范围通常称为近红外(NIR)光谱范围，并且15μm至1000μm的范围称为远红外(FIR)光谱范围。术语“紫外光谱范围”通常是指1nm至380nm范围内、优选100nm至380nm范围内的电磁辐射。在下文中，术语“照射”也被表示为“光”。优选地，本发明内使用的照射是可见光，即可见光谱范围内的光，和/或红外光，即红外光谱范围内的光。
如在此所使用的，术语“光敏区域”通常是指光导体对例如入射光束的照射敏感的区域。例如，光敏区域可以是二维或三维区域，其优选但不一定是连续的，并且可以形成连续区域。光导检测器可以具有一个或多个此类光敏区域。如在此所使用的，术语“表现出取决于照射的电阻”通常是指光导检测器的电阻取决于光敏区域的照射、特别是照射的强度而被调节和/或改变和/或变化。特别地，响应于照射，电阻被调节和/或改变和/或变化。当光导检测器被照射时，光导检测器可表现出电阻降低。光导检测器在被照射时可降低其电阻率。具体地，光导体的电阻可随着增加的入射光强度而降低。暗电阻和亮电阻之间的变化是要测量或要读出的量，并且可以表示为光导检测器的输出电流。如在此所使用的，术语“暗电阻”通常是指光导检测器在未点亮状态下(即没有照射)的电阻。如在此进一步使用的，术语“亮电阻”是指光导检测器在照射下的电阻。
光导检测器可以包括至少一种光导材料。由于电阻被定义为电导率的倒数值，因此，可替代地，术语“光阻材料”也可以用于命名相同种类的材料。光敏区域可以包括选自由如下组成的组的至少一种光导材料：硫化铅(PbS)；硒化铅(PbSe)；碲化镉汞(HgCdTe)；硫化镉(CdS)；硒化镉(CdSe)；锑化铟(InSb)；砷化铟(InAs)；砷化铟镓(InGaAs)；非本征半导体，例如掺杂的Ge、Si、GaAs、有机半导体。然而，其它材料可能是可行的。例如，在WO 2016/120392 A1中描述了其它可能的光导材料。例如，光导检测器可以是从德国莱茵河畔路德维希港D-67056的trinamiX GmbH以商标名称Hertz-stueckTM可商购的光导体。
例如，光敏区域可以由至少一个照射源照射。传感器系统可以包括至少一个照射源。照射源例如可以是或包括环境光源和/或可以是或可以包括人工照射源。例如，照射源可以包括至少一个红外发射器和/或至少一个可见光发射器和/或至少一个紫外光发射器。例如，照射源可以包括至少一个发光二极管和/或至少一个激光二极管。照射源特别可以包括以下照射源中的一个或多个：激光器，特别是激光二极管，尽管原则上，可替代地或另外，也可以使用其它类型的激光器；发光二极管；白炽灯；霓虹灯；火焰源；有机光源，特别是有机发光二极管；结构光源。可替代地或另外，也可以使用其它照射源。照射源通常可以适于在以下至少之一中发射光：紫外光谱范围、红外光谱范围。最优选地，至少一个照射源适于发射NIR和IR范围内(优选地在800nm和5000nm的范围内，最优选地在1000nm和4000nm的范围内)的光。
照射源可以包括至少一个非连续光源。可替代地，照射源可包括至少一个连续光源。光源可以是具有与光导体的敏感波长重叠的至少一个辐射波长的任意光源。例如，光源可以被配置用于生成普朗克辐射。例如，光源可以包括至少一个发光二极管(LED)和/或至少一个激光源。例如，光源可以被配置为通过放热反应(如液体或固体材料或气体的氧化)生成照射。例如，光源可以被配置为从荧光效应中生成照射。照射源可以被配置用于生成至少一个调制光束。可替代地，由照射源生成的光束可以是非调制的和/或可以由另外的光学部件调制。照射源可以包括至少一个光学斩波器装置，该光学斩波器装置被配置为调制来自连续光源的光束。光学斩波器装置可以被配置为周期性地中断来自连续光源的光束。例如，光学斩波装置可以是或可以包括至少一个可变频率旋转盘斩波器和/或至少一个固定频率音叉斩波器和/或至少一个光学快门。由于非连续照射，输出电流可以是变化的电流信号，也称为调制电流。与光导检测器的暗电流相比，调制电流可以很小。
光导检测器各自响应于不同波长的电磁能。本发明提出了借助于光导检测器的双波长测量，特别是红外测量，该光导检测器被配置为对至少两个不同波长敏感。特别地，光导检测器各自可以检测电磁光谱中不同波长的电磁吸收。阵列的光导检测器可以设计成使得阵列中的每个像素响应于不同波长的电磁能。光导检测器可以被过滤元件(也称为滤波器)覆盖，用于准备不同波长的照射。例如，可以使用至少一种滤波器布置。然而，其它布置也是可能的。这可以允许将阵列用于光谱仪应用。
传感器系统，特别是光导检测器，更特别是它们的光敏区域，可以布置在要测量的对象的直接视线中。滤波器元件可以布置在处于视线内的电磁辐射的波长范围内。传感器系统和被测对象可以被分离对象(诸如传感器系统包括的分离对象)分隔开。分离对象在两个光导检测器负责的至少两个波长下可以是至少部分透明的。滤波器可以布置在透射通过分离对象的电磁辐射的波长范围内。
传感器系统可以包括至少一个偏置电压源，该偏置电压源被配置用于将至少一个偏置电压施加到光导检测器。光导检测器可以与偏置电压源电连接。如在此所使用的，术语“偏置电压源”是指被配置用于生成偏置电压的至少一个电压源。偏置电压可以是跨光导体材料施加的电压。光导检测器各自可以连接到偏置电压源，使得偏置电压源可以将偏置电压施加到光导检测器。
如在此所使用的术语“在照射下基本上恒定”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于电阻恒定的实施例，其中偏差可能低于5％，优选低于1％，更优选低于0.1％。表现出在照射下基本上恒定电阻的电阻器不响应于光照。例如，表现出在照射下基本上恒定电阻的电阻器可以是被覆盖物(cover)暗化的光导检测器。因此，电阻器可以被覆盖，因此它们看不到任何辐射。它们的输出信号的变化可取决于它们的温度漂移。
在照射下基本上恒定的电阻器可以是温度敏感电阻器。例如，在照射下基本上恒定的电阻器可以是热敏电阻。它们的作为温度的函数的电阻的变化可具有与光导检测器的特性相同的特性。温度敏感电阻器可以表现出与光导检测器相同的耐温行为。因此，温度敏感电阻可用于温度漂移补偿。
传感器系统被配置用于测量差分电压。差分电压取决于光导检测器的电阻变化。如在此所使用的，术语“测量差分电压”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于确定诸如在不同的时间点和/或照射状态处特别是跨光导检测器的电压之间的差异，特别是变化。差分电压给出了四个相应电阻的数学比率。
如在此所使用的，术语“互连电阻器”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于将电阻器中的每个电阻器连接到系统的至少两个其它电阻器的布置。例如，电阻器可以通过桥式电路布置互连。例如，桥式电路布置可以包括至少一个惠斯通电桥。如在此所使用的术语“惠斯通电桥”是广义术语并且将赋予本领域普通技术人员其普通和习惯的含义，并且不限于特殊或定制的含义。该术语具体可以指但不限于被配置为通过平衡桥式电路的两个支路来确定未知电阻的电路，其中，通常，支路之一包括未知电阻。例如，惠斯通电桥可以包括四个互连的电阻器，被配置用于每个表现出取决于其相应光敏区域的照射的电阻的光导检测器Rphoto1和Rphoto2，以及另外两个电阻器R3和R4。
传感器系统可以包括电源电压源，该电源电压源被配置为向惠斯通电桥施加电源电压Vs，诸如直流(DC)电压或交流(AC)电压。因此，惠斯通电桥可以连接到电源电压源。
差分电压VDiff可以借助于惠斯通电桥直接计算，如下面等式所示：
Figure BDA0003781639760000081
由电源电压VS供电的电路具有桥的两个对称支路，其由两个非光敏电阻器R1和R3以及一个光敏电阻器RPhoto1或RPhoto2组成。因此，VDiff的测量可用于计算在模拟基础上在不同波长处测量的值的商。
电阻器R1和R3可以是被覆盖物暗化的光导检测器。特别地，被覆盖物暗化的光导检测器可以类似于未覆盖的光导检测器，诸如具有相同的物理特性，诸如电学、光学、光电和机械特性。特别地，被覆盖物暗化的光导检测器可以类似于诸如来自相同制造商以相同产品编号等可获得的未覆盖的光导检测器。它们的输出信号的变化可取决于它们的温度漂移。未覆盖的光导检测器的温度漂移可以相似或相同。采用所提出的电路，只要暗化的或照射的光导检测器表现出相同的温度行为，则光导检测器的任何温度漂移就可以通过惠斯通电桥自动校正。
传感器系统另外可以包括至少一个评估装置，该评估装置被配置用于确定光导检测器的至少一个输出的输出信号。评估装置可以被配置用于通过评估输出信号来确定照射强度。如在此所使用的，术语“评估装置”通常是指被设计成在电压输出处确定和/或生成至少一个电压输出信号的任意装置。作为示例，评估装置可以是或可以包括一个或多个集成电路，诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)，和/或一个或多个数据处理装置，诸如一个或多个计算机，优选地一个或多个微型计算机和/或微控制器。可以包括附加组件，诸如一个或多个预处理装置和/或数据采集装置，诸如用于电压信号的接收和/或预处理的一个或多个装置，诸如一个或多个AD转换器和/或一个或多个滤波器。此外，评估装置可以包括一个或多个数据存储装置。评估装置可以包括一个或多个接口，诸如一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口。评估装置特别可以包括至少一个数据处理装置，特别是电子数据处理装置，其可以被设计用于确定至少一个输出电压信号。评估装置也可以被设计成完全或部分地控制至少一个照射源和/或控制至少一个电压源和/或调节至少一个负载电阻。评估装置可进一步包括一个或多个附加组件，诸如一个或多个电子硬件组件和/或一个或多个软件组件，诸如一个或多个测量单元和/或一个或多个评估单元和/或一个或多个控制单元。例如，评估装置可以包括适于测量至少一个输出电压信号的至少一个测量装置，例如至少一个电压表。评估装置可以被配置用于执行由以下组成的组的一个或多个操作：至少一个傅里叶变换；频率计数、边缘检测、周期长度的测量等。
取决于设置，直接测量红外辐射可能很困难。例如，出于卫生原因，由陶瓷玻璃制成的灶具将电气或燃料驱动的热源与锅碗瓢盆分开。对于在1到2.7μm之间的波长处的电磁辐射，灶具玻璃至少部分透明。在较低温度下(～80℃–100℃，例如大约水的沸点)，红外辐射在近红外范围(IR-A达1.4um)内非常微弱。由于其光谱灵敏度范围，它使得像扩展的InGaS这样的光伏检测器的使用非常有限。扩展的InGaS检测器的高成本使其无法用作多波长或双波长传感器。
由于被测对象发出的辐射没有被调制，基于热释电效应的温度传感器由于其物理特性不能用于该测量。为此，需要机械或光学斩波器，这增加了测量设置的复杂性和价格，同时缩短了使用寿命。
热电堆以其宽带光谱灵敏度和检测未调制辐射的能力提供了一种廉价的替代方案，但与量子检测器(诸如光伏和光导检测器)相比，它们的检测率非常低。因此，可实现的分辨率相对较低。
光导检测器提供良好的检测能力，并且也可用于未调制的热辐射器。然而，光导体需要外部激励信号来生成取决于测量的物理量的电输出。在光导体的情况下，该物理量是发光强度。最常见的是，电压VBias作为激励信号施加到光导体。
光导体取决于照射改变其电阻。与光导体的总电阻值相比，变化本身相对较小。作为示例，以约1MΩ的电阻为特征的尺寸为2mm×2mm的PbS检测器会由于1550nm处具有16μW/cm2的辐射度的红外辐射而改变其电阻约10kΩ，这对应于1％的变化。因此，激励信号的数量级将大于由于照射引起的电输出变化。在没有任何滤波的情况下，读出电子器件应该能够测量整个信号，但仍能以较好的分辨率解决1％的变化。此类读出电子器件是可商购的，但非常昂贵。
光导体通常借助于分压器测量，该分压器向光导体施加恒定的DC偏置电压。DC电压的任何不稳定性或偏差都会直接影响输出信号并导致测量误差。此外，1/f噪声取决于IDC，即流过检测器的电流的DC部分。因此，作为偏置的恒定DC电压也是不利的。
此外，电源电压的任何变化或波动都会导致测量误差。因此，只有噪声非常低的电源(诸如电池)才能用于高精度测量。
综上所述，在本发明的上下文中，以下实施例被认为是特别优选的：
实施例1.一种传感器系统，包括四个互连的电阻器，其中，电阻器中的两个电阻器是光导检测器，而光导检测器用至少两种不同波长的光照射，而电阻器中的两个电阻器不会由于照射改变它们的电阻，而外部电压应用于传感器系统，而差分电压是可测量的，而差分电压取决于照射的光导检测器的电阻变化，而差分电压给出四个相应电阻的数学比率。
实施例2.根据前述实施例所述的传感器系统，包括不响应照射的所述电阻器，所述电阻器是被覆盖物暗化的光导检测器。
实施例3.根据前述实施例所述的传感器系统，包括所述光导电阻器，所述光导电阻器被滤波器元件覆盖，以用于制备不同波长的光。
实施例4.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统，包括所述光导电阻器，所述光导电阻器通过桥式电路布置互连。
实施例5.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统，其中，传感器系统在被测对象的直接视线中，而滤波器被布置在处于视线内的电磁辐射的波长范围内。
实施例6.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统，其中，传感器系统和被测对象被另一对象分隔开，而分离对象在至少两个波长处是至少部分透明的，而滤波器被布置成在透射通过分离对象的电磁辐射的波长范围内。
实施例7.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统，其中，四个光导电阻器被布置成彼此相邻的阵列。
实施例8.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统的用途，作为用于温度测量的传感器。
实施例9.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统的用途，作为用于气体和/或液体分析的传感器。
实施例10.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统的用途，作为用于一种气体和/或液体或多种气体和/或液体浓度的传感器。
实施例11.根据前述实施例中任一项所述的传感器系统的用途，作为用于在预定义材料类别之间进行材料分类的传感器。
附图说明
本发明的其它可选细节和特征从下面结合从属权利要求的优选示例性实施例的描述中显而易见。在该上下文中，特定特征可以单独实现或与特征组合实现。本发明不限于示例性实施例。示例性实施例在图中示意性地示出。各个图中相同的附图标记表示相同的元件或具有相同功能的元件，或在其功能方面彼此对应的元件。
具体地，在附图中：
图1示出通过惠斯通电桥测量电阻的第一电路；
图2示出通过惠斯通电桥测量电阻的第二电路；
图3示出通过惠斯通电桥测量电阻的第三电路；
图4是两个不同电路的仿真结果。
具体实施方式
本发明提供了一种简化的解决方案来测量对象的温度，而无需任何关于其发射率的知识，只需一个读出电子器件。双波长IR测量是借助于光导检测器在不同波长处执行的。取决于测量对象的温度，应选择合适的光导体和波长。
作为示例，可以采用2mm×2mm PbS检测器测量100℃和250℃之间的温度范围，同时采用一个检测器对2.2和2.4um之间的波长范围进行采样，并且采用另一个检测器对2.6和2.8um之间的范围进行采样。合适的滤光器可以放置在光学检测器的顶部，从而对所选的波长范围进行采样。
图1示出根据本发明的传感器系统100的实施例。传感器系统100包括四个互连的电阻器102、103、104、105。电阻器中的至少两个(在图1中的电阻器104和105)是光导检测器RPhoto1和RPhoto2，它们被配置为每个表现出取决于其相应的光敏区域的照射的电阻。光导检测器中的至少两个光导检测器各自响应于不同波长的电磁能。光导检测器可以特别是彼此相邻地布置在至少一个光导体阵列中。光导检测器可以是阵列的相邻检测器。光导检测器各自响应于不同波长的电磁能。本发明提出了借助于光导检测器的双波长测量，特别是红外测量，该光导检测器被配置为对至少两个不同波长敏感。特别地，光导检测器各自可以检测电磁光谱中不同波长的电磁吸收。阵列的光导检测器可以被设计成使得阵列中的每个像素响应于不同波长的电磁能。光导检测器可以被过滤元件(也称为滤波器)覆盖，以用于制备不同波长的照射。例如，可以使用至少一种滤波器布置。然而，其它布置也是可能的。这可以允许将阵列用于光谱仪应用。
传感器系统100，特别是光导检测器，更特别是它们的光敏区域，可以布置在要测量的对象的直接视线中。滤波器元件可以布置在处于视线内的电磁辐射的波长范围内。传感器系统100和被测对象可以被分离对象分离，诸如传感器系统所包括的分离对象。分离对象在两个光导检测器负责的至少两个波长下可以是至少部分透明的。滤波器可以布置在透射通过分离对象的电磁辐射的波长范围内。
传感器系统100可以包括至少一个偏置电压源，该至少一个偏置电压源被配置为将至少一个偏置电压106和107施加到光导检测器。光导检测器可以与偏置电压源电连接。偏置电压可以是跨光导体材料施加的电压。光导检测器各自可以连接到偏置电压源，使得偏置电压源可以将偏置电压106和107施加到光导检测器。
另外两个电阻器R1和R3(在图1中的电阻器102和103)被配置为表现出在照射下基本上恒定的电阻。表现出在照射下基本上恒定电阻的电阻器不响应于照射。例如，表现出在照射下基本上恒定电阻的电阻器可以是被覆盖物暗化的光导检测器。因此，电阻器可以被覆盖，因此它们看不到任何辐射。它们的输出信号的变化可取决于它们的温度漂移。
外部电压(特别是电源电压)适用于传感器系统100。传感器系统100可以包括被配置为向电阻器施加电源电压Vs(诸如直流(DC)电压或交流(AC)电压)的电源电压源。因此，电阻器可以连接到电源电压源。
传感器系统100被配置用于测量差分电压。差分电压取决于光导检测器的电阻变化。差分电压给出了四个相应电阻的数学比率。
例如，电阻器可以通过桥式电路布置互连。例如，桥式电路布置可以包括至少一个惠斯通电桥。惠斯通电桥可以是或可以包括被配置为通过平衡电桥电路的两个支路来确定未知电阻的电路，其中支路之一包括未知电阻。例如，惠斯通电桥可以包括四个互连的电阻器，被配置用于每个表现出取决于其相应光敏区域的照射的电阻的光导检测器Rphoto1和Rphoto2，以及另外两个电阻器R3和R4。
商(特别是差分电压VDiff)是通过惠斯通电桥直接计算的，如针对图1中所示电路的以下方程中给出，从而产生差分电压VDiff(108)：
Figure BDA0003781639760000141
由电源电压VS(101)供电的电路具有桥的两个对称支路，该桥由两个非光敏电阻器R1和R3(102、103)以及一个光敏电阻器RPhoto1或RPhoto2(104、105)组成。因此，VDiff(108)的测量可用于计算在模拟基础上在不同波长处测量的值的商。
电阻器R1和R3可以是暗化的光导体，这意味着它们被覆盖，因此它们看不到任何辐射。它们输出信号的变化取决于它们的温度漂移。采用所提出的电路，只要暗化或照射的检测器表现出相同的温度行为，则检测器的任何温度漂移就可以通过惠斯通电桥自动校正。
惠斯通电桥也可以用AC电压驱动，这意味着施加在光导体上的偏置电压被调制。调制可以是单极或双极的。调制频率可以自由选择，但建议使用更高的频率以获得低1/f噪声。
图2示出具有1mm×1mm的面积且具有为1的发射率的各向同性辐射器示例的计算，在上述波长范围内具有带通滤波器的检测器RPhoto1和RPhoto2将不同地改变其电阻值。对于所有检测器的1MΩ暗电阻，两个被照射并且两个被暗化，并且在距各向同性辐射器10cm的距离内，可以测量作为温度的函数的差分电压。该计算的VS设定为1V。计算的值可取决于距离、辐射器的发射率、检测器的光谱检测率和响应率、所用滤波器的透射特性和许多其它参数而变化。图1的电路不是唯一可能的解决方案，但应作为示例。
下面的曲线表示图1中表示的电路。参考图3的电路的第二模拟在上面的曲线中表示。
只要光导体的电阻因温度而以相同的因素变化，差分电压曲线就保持不变。可替代地，可以将温度敏感电阻器用作R1和R3，只要它们的耐温行为与光导体的耐温行为相同。众所周知，不仅光导体的电阻而且光导体的响应度都取决于温度。在该情况下(如果差分电压的变化高到无法接受)，可以使用接触式温度传感器，诸如便宜的PT100或PT1000来校正查找表，以将差分电压转换为温度。
图3给出了电路的替代设置，其中电路对辐射度的灵敏度可以通过对角放置暗化和照射的光导检测器来提高。可替代地，可以将温度敏感电阻用作R1和R3。所得的差分电压的比较可以在图2的上面的线中看到。
Figure BDA0003781639760000151
第三替代方案如图4中所示。电路对电阻变化的鲁棒性可以通过将暗化和照射的光导检测器二者分别放置在同一支路上来提高。照射的检测器可以以相同的因子改变它们的电阻，而暗化的检测器或可替代地温度敏感电阻器具有相同的变化因子。所得的差分电压保持相同。
Figure BDA0003781639760000152
由于惠斯通电桥的两个支路连接到相同的电位并且波动相同，因此电源电压的波动被平衡，因此差分电压保持恒定。
通过仅测量差分电压VDiff，可以以高分辨率和用于读出电子器件的最少数量的组件来实现与检测器温度无关、发射率无关的双波长温度测量。然后可以借助于ADC放大差分电压并将其转换为数字值。存在可用于测量DC和AC电源电压VS的差分电压的现成的放大器、模拟前端和模数转换器。
传感器系统100可用于发射率无关的温度测量。传感器系统100可以在被测对象的直接视线中，或者传感器可以通过另一对象测量对象的温度，该另一对象在采样波长下是透明的。对于一些特定红外频率透明的陶瓷灶具，这是可能的。
可替代地，传感器系统100可用于气体分析。根据朗伯-比尔定律，可以通过测量从光源通过气体填充光路的光强度的降低来确定气体的浓度，而要采样的波长应取决于要测量的气体来选择。通常，选择两个波长，使被测气体在一个波长处吸收并在另一个波长处透射而没有吸收损失，因此后者用作参考。两个信号的商取决于测量的气体浓度。以类似的方式，也可以监视液体。
传感器系统100可用于测量来自用光源照射的固体的漫反射。通过对两个波长的漫反射进行采样，可以确定已知材料的浓度，或者可以执行两个预定义类别之间的材料分类，如人类皮肤与否、塑料或玻璃等。此类测量在塑料、玻璃等的回收利用的光学分选任务中很常见。
参考编号列表
100 传感器系统
101 电源电压VS
102 电阻器R1
103 电阻器R3
104 光敏电阻RPhoto1
105 光敏电阻RPhoto2
106 VBias1
107 VBias2
108 VDiff

Claims (12)

1.一种传感器系统，包括四个互连的电阻器(102、103、104、105)，其中，所述电阻器中的至少两个电阻器(104、105)是光导检测器，所述光导检测器被配置为每一个光导检测器表现出取决于其相应的光敏区域的照射的电阻，其中，所述光导检测器中的至少两个光导检测器各自响应于不同波长的电磁能，其中，另外两个电阻器(102、103)被配置为各自表现出在照射下基本上恒定的电阻，其中，外部电压应用于所述传感器系统(110)，其中，所述传感器系统(110)被配置用于测量差分电压，其中，所述差分电压取决于所述光导检测器的所述电阻的变化，其中，所述差分电压给出四个相应的电阻(102、103、104、105)的数学比率。
2.根据前一权利要求所述的传感器系统(110)，其中，表现出在照射下基本上恒定的电阻的所述电阻器是被覆盖物暗化的光导检测器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)，其中，在照射下基本上恒定的所述电阻器是热敏电阻器，其中，作为温度的函数的它们的电阻的变化具有与所述光导检测器相同的特性。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述光导检测器被过滤元件覆盖，以用于制备不同波长的光。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述电阻器通过桥式电路布置互连。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述传感器系统(110)在被测对象的直接视线中，其中，滤波器被布置在处于所述视线内的所述电磁辐射的波长范围内。
7.根据前一权利要求所述的传感器系统(110)，其中，所述传感器系统(110)和所述被测对象被分离对象分隔开，其中，所述分离对象在所述至少两个波长处至少部分透明，其中，所述滤波器被布置在透射通过所述分离对象的所述电磁辐射的所述波长范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)，其中，所述四个光导电阻器(102、103、104、105)彼此相邻地布置在阵列中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)的用途，作为用于温度测量的传感器。
10.根据涉及传感器系统(110)的前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)的用途，作为用于气体和/或液体分析的传感器。
11.根据涉及传感器系统(110)的前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)的用途，作为用于一种气体和/或液体或多种气体和/或液体的浓度的传感器。
12.根据涉及传感器系统(110)的前述权利要求中任一项所述的传感器系统(110)的用途，作为用于在预定义材料类别之间进行材料分类的传感器。
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