CN115667878A - 颗粒数传感器 - Google Patents
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Abstract
提出一种颗粒数传感器(16)，其具有激光器(18)、第一光学元件(20)和第二光学元件(23)并且具有探测设备(26)，其中，所述第一光学元件(20)将从所述激光器(18)入射的激光辐射(10)聚焦到激光光斑(22)中，其中，所述第二光学元件(23)将从所述激光光斑(22)出射的温度辐射(14)聚焦到温度辐射光斑(29)中，所述探测设备被经聚焦的温度辐射(14)照射。颗粒数传感器的特征在于，所述探测设备(26)具有对温度辐射(14)敏感的第二面(26.2)，所述第二面不被从所述激光光斑(22)出射的温度辐射(14)照射。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的颗粒数传感器。这样的颗粒数传感器具有激光器，利用该激光器能发射激光辐射。此外，颗粒数传感器具有第一光学元件、第二光学元件和探测设备。第一光学元件如此布置所述激光辐射的射束路径中，使得它将从所述激光器入射的激光辐射聚焦到激光光斑中。第二光学元件布置成使得它将从所述激光光斑出射的温度辐射聚焦到温度辐射光斑中。探测设备具有对温度辐射敏感的第一面，所述第一面如此布置在经聚焦的温度辐射的射束路径中，使得它被经聚焦的温度辐射照射。
背景技术
目前市场上可购得的用于机动车的烟灰颗粒传感器(Bosch EGS-PM)根据对在较长测量时间段内积聚在传感器元件上的烟灰质量进行阻抗式测量的原理来工作，并且用于诊断安装在柴油车辆中的烟灰颗粒过滤器。
变得更严格的排放立法也越来越多地要求使用用于汽油发动机的颗粒过滤器。与柴油发动机不同地，在这里重要相关的并非是烟灰质量、而是颗粒数，因为汽油发动机尽管排出较低的烟灰质量，但为此排出明显更大的小烟灰颗粒数，所述小烟灰颗粒可以比较大的烟灰颗粒更深地进入肺部。
由于烟灰质量传感器不适用于对烟灰颗粒进行技术，因此需要一种能够完成这个任务的传感器。
开头提到的颗粒数传感器适用于这个任务并且根据激光诱导的白炽灯(LII)进行工作。这样的颗粒数传感器例如从DE102018203301A1中已知。在LII测量原理中，在燃烧时产生的烟灰颗粒被激光强烈加热，并且利用探测设备来测量颗粒的热辐射发射。该方法允许探测具有几十纳米的直径的非常小的颗粒。
利用LII测量原理可能对废气中的各个颗粒进行检测和计数。然而，已知的颗粒数传感器在能检测的最小颗粒大小方面具有分辨率限制，因为LII信号随着颗粒大小减小。此外，成问题的是，背景辐射信号(例如在废气作为测量气体时的废气管的温度辐射或者说颗粒数传感器的保护管的温度辐射)与实际的LII信号叠加并且因而阻止或至少使颗粒的识别及对其大小的分析处理变得困难。
发明内容
根据本发明的颗粒数传感器与已知的颗粒数传感器的区别在于，探测设备具有对温度辐射敏感的第二面，所述第二面布置成使得它不被从激光光斑发出的温度辐射照射。
由于第二面布置成使得它不被从激光光斑出射的温度辐射照射，它不受LII信号的影响。因此，它仅检测背景辐射。同时，辐射敏感的第二面应以与探测设备的辐射敏感的第一面尽可能相同的方式受背景辐射的影响。第一辐射面检测LII辐射和背景辐射的总和。因而，能够实现将背景辐射从实际测量信号中分离。该分离能够以简单的方式实现，其方式是，在使用探测设备的对温度辐射敏感的第二面的情况下单独地确定背景辐射并且从探测设备的对温度辐射敏感的第一面的LII信号中减去该背景辐射。以这样的方式，能够显着改善信噪比，并且作为有利的结果，能够检测到比现有技术中明显更小的颗粒。作为改善的信噪比的结果，还可更精确地确定颗粒大小。与没有辐射敏感的第二面的情况中所可能的相比，背景信号的波动能够被更精确地补偿，所述波动例如由废气管的变化的温度、测量窗的污染以及由于更高的散射辐射强度等引起。辐射敏感的第二面在其功能上相应于第二探测器，该第二探测器即测量背景辐射，而辐射敏感的第一面相应于第一探测器，该第一探测器测量背景辐射和LII有用信号的总和。
一种优选构型的特征在于，第一面具有中心并且布置成使得第一光学元件的和第二光学元件的光轴穿过所述中心。
也优选的是，第一面和第二面布置在一个平面中。这种布置促进了，辐射敏感的第二面接收与辐射敏感的第一面尽可能相同的背景辐射强度。这两个强度越相同，背景辐射就越能更好地从LII有用信号中被分离出来。
进一步优选的是，第一面和第二面彼此直接邻接。另一种优选构型的特征在于，第二面布置在第一面旁边。这两个构型也促进了利用两个辐射敏感的面检测的背景辐射强度的相似性。这里也适用，这些背景辐射强度越相同，背景辐射越能更好地从LII有用信号中被分离出来。
也优选的是，第二面以闭合的环围绕第一面地走向。这种构型允许精确地分离出背景辐射，即使探测器面上的背景辐射取决于极角(Polarwinkel)。极角是以下角，该角的两个边都位于辐射敏感的面中并且该角的顶点位于入射到探测器设备上的辐射的主入射方向上。
进一步优选的是，第二面关于第一面的大小是如此大的，使得入射到第二面上的背景辐射的总和与入射到第一面上的背景辐射的总和一样大。该构型也促进了利用两个辐射敏感的面检测的背景辐射强度的相似性。这里也适用，这些背景辐射强度越相同，背景辐射越能更好地从LII有用信号中被分离出来。
另一种优选构型的特征在于，辐射敏感的第一面是硅光电倍增管的第一部分面，并且辐射敏感的第二面是硅光电倍增管的第二部分面。
这种所谓的硅光电倍增管(SiPM)特别适合于探测LII辐射，因为它们具有高的探测效率和本征放大。
也优选的是，第一部分面具有雪崩光电二极管的第一场，并且第二部分面具有雪崩光电二极管的第二场。
进一步优选的是，第一部分面的第一雪崩光电二极管连接到第一光电流求和节点，并且第二部分面的第二雪崩光电二极管连接到第二光电流求和节点。
以这样的方式，由于入射的辐射而流过第一部分面的雪崩二极管的电流在第一光电流求和节点处被求和。该总和是入射到第一部分面上的、由LII辐射和背景辐射组成的总和的定量度量。
硅光电倍增管的另一个优点在于，两个部分面(所述两个部分面中的每一个都形成两个探测器之一)能够成本非常有利且空间上非常靠近彼此地被制造。此外，诸如尤其温度(探测器的噪声又决定性地取决于温度)的外部影响作用于两个探测器，如果它们位于同一衬底上。由此改善了补偿温度影响的可能性。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明书中更进一步地阐述。在此，不同附图中的相同的附图标记分别表示相同的元件或至少按照功能可比较的元件。分别以示意图的形式示出：
图1本发明中使用的基于激光诱导白炽的测量原理；
图2利用激光诱导白炽工作的颗粒数传感器的原理结构；
图3根据本发明的颗粒数传感器的第一实施例；
图4希望的温度辐射和不希望的背景辐射在颗粒数传感器中的射束路径；
图5探测器的辐射敏感的面的俯视图；
图6入射到探测器上的背景辐射在一个时间间隔内的变化过程；
图7中央探测器的信号在同一时间间隔内的变化过程。
具体实施方式
图1示出基于激光诱导白炽(LII)的测量原理。高强度的激光射束10射到颗粒12上。颗粒12尤其是烟灰颗粒。激光射束10的强度如此高，使得激光射束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先方向地明显地以温度辐射的形式发射辐射14，以下也称为LII辐射14。因此，以温度辐射形式发射的LII辐射14的一部分也以与入射的激光射束10的方向相反的方向进行发射。
图2示意性地示出颗粒数传感器16的原理结构。颗粒数传感器16在这里具有激光器18，所述激光器的优选平行的激光射束10借助布置在激光器18的射束路径中的至少一个第一光学元件20聚焦到非常小的光斑22上。第一光学元件20优选是第一透镜24，但也能够实现为反射器。只有在激光光斑22的体积中，激光射束10的强度才达到对于LII所需的高值。激光器18能够是激光二极管，该激光二极管能够作为连续波激光器(continuous waveLaser)或脉冲式地运行。
激光光斑22的大小处于几微米的范围内、尤其是最高200μm的范围内，使得横穿激光光斑22的颗粒12被激励以发射能分析处理的辐射功率，无论是通过激光诱导白炽或通过化学反应(尤其是氧化)。作为结果可以认为：始终至多一个颗粒12位于激光光斑22中并且颗粒数传感器16的瞬时测量信号仅来自该至多一个颗粒12。测量信号由探测设备26产生，该探测设备在颗粒数传感器16中布置为使得该探测设备探测由飞过第一光斑22的颗粒12发出的辐射14、尤其是温度辐射。为此，探测设备26优选具有对辐射14敏感的至少一个第一面26.1。
完全可能是，对激光器18进行调制或者说接通和关断(占空比<100％)。然而保持优选的是，激光器18是CW激光器。这能够实现成本有利的半导体激光元件(激光二极管)的使用，这使整个颗粒数传感器16变得便宜并且极大地简化了激光器18的操控和测量信号的分析处理。但是不排除脉冲式激光器的使用。
图3示出根据本发明的颗粒数传感器16的有利的实施例，该颗粒数传感器适合作为在燃烧过程的废气32中的烟灰颗粒数传感器使用。
颗粒数传感器16具有第一部分16.1，该第一部分设置为用于暴露给测量气体(这里为废气32)，并且它具有不暴露给测量气体的第二部分16.2，该第二部分包含颗粒数传感器16的光学部件。两个部分由对于测量气体不可穿透的分隔壁16.3分隔开。分隔壁16.3例如是内燃机的废气管的一部分。在分隔壁16.3中，在激光射束10的射束路径中安置窗34，该窗不仅对于激光射束10、而且对于由激光光斑22发出的辐射14来说都是可穿透的。
颗粒数传感器16的第一部分16.1具有由外保护管28和内保护管30构成的组件。这两个保护管28、30优选具有通常的柱体形状或棱柱形状。柱体形状的底面优选是圆形、椭圆形或多边形。柱体优选同轴线地布置，其中，柱体的轴线横向于废气32的流动地取向。内保护管30在柱体的轴线的方向上突出超过外保护管28而伸入到流动的废气32中。在两个保护管28、30的背离流动的废气32的端部处(在图3中：上部)，外保护管28突出超过内保护管30。优选地，外保护管28的净宽度比内保护管30的外直径大得多，使得在两个保护管28、30之间产生第一流动横截面。内保护管30的净宽度形成第二流动横截面。
这种几何形状导致，废气32通过第一流动横截面进入到两个保护管28、30的组件中，然后在保护管28、30的背离废气32的端部处改变其方向、进入到内保护管30中并且被流过的废气32从所述内保护管吸走。在此，在内保护管30中产生层流。保护管28、30的这种布置连同颗粒数传感器16横向于废气流动地固定在废气管上或中。
颗粒数传感器的这样的第一部分16.1是优选实施例的组成部分。然而，其特征不是本发明关键性的特征。本发明关键性的特征是颗粒数传感器16的第二部分16.2的组成部分。
第二部分16.2具有带有会聚透镜19的激光器18、第一光学元件20、第二光学元件23、分束器25、过滤器27和探测设备26。第二光学元件23能够是透镜或反射器。第一光学元件20如此布置在激光射束10的射束路径中，使得它将从激光器18入射的激光射束10聚焦到激光光斑22中，并且第二光学元件23布置成使得它将从激光光斑22发出的辐射14聚焦到温度辐射光斑29中。分束器25在朝向第一光学元件20的方向上反射入射的激光射束并且对于温度辐射14来说是透明的。探测设备26具有对辐射14敏感的第一面26.1，该第一面如此布置在经聚焦的温度辐射14的射束路径中，使得它被经聚焦的温度辐射14照射。此外，探测设备26具有对温度辐射14敏感的第二面16.2，该第二面布置成使得它不被从激光光斑22出射的温度辐射14。
过滤器27在激光射束10的光谱范围内比在其余光谱范围内更不透明，并且以此有助于使探测设备的信号不会由于散射的激光射束10的影响而失真。
图4示出希望的温度辐射14和不希望的背景辐射17在颗粒数传感器中16的射束路径。由于激励路径和探测路径的共焦结构，通过激光辐射10加热、且发射LII辐射(LII辐射14也是温度辐射)的颗粒12位于成像光学元件20、23的焦点中，并且颗粒的LII辐射14成像到探测设备26的辐射敏感的第一面26.1上。探测设备26的辐射敏感的第一面26.1形成探测设备16的中央区域，该结构的光轴穿过该中央区域延伸。
“共焦结构”在这里被理解为：不仅从激光器18出射的激光辐射10(其射束路径形成激励路径)的焦点、而且入射到探测器设备26上的LII辐射14的焦点都位于激光光斑22中。
探测设备26的用于检测背景信号的辐射敏感的第二面26.2有利地如此布置，使得它一方面位于LII辐射成形到其上的区域之外，但另一方面尽可能与辐射敏感的第一面26.1类似地受背景信号影响。在这里示出的示例中，这通过辐射敏感的面26.1、26.2的平行布置给出，其中，这些面彼此紧邻并排地布置在同一个平面中。
图5示出探测设备26的辐射敏感的整个面
的俯视图。作为探测设备26，所谓的硅光电倍增管(SiPM)是特别适合的，因为它具有高的探测效率和本征放大。硅光电倍增管(SiPM)由各个雪崩光电二极管(APD)的场构成，所述各个雪崩光电二极管的输出组合成一个总和信号。
辐射敏感的整个面由第一部分面26.1和第二部分面26.2组成。整个面的中心在第一部分面26.1上。第二部分面26.2以闭合的环围绕第一部分面26.1延伸。两个部分面26.1、26.2中的每个都完全由雪崩光电二极管填充。第一部分面形成辐射敏感的第一面26.1并且由第一雪崩光电二极管31填充。第二部分面形成探测设备26的辐射敏感的第二面26.2并且由第二雪崩光电二极管33填充。第一部分面的第一雪崩光电二极管31的输出端在第一光电流求和节点35处彼此连接。第二部分面的第二雪崩光电二极管33的输出端在第二光电流求和节点37处彼此连接。
图6示出在一个时间间隔中入射到探测设备26的辐射敏感的第二面26.2上的背景辐射17的变化过程。这个变化过程l(t)或者说由该变化过程产生的光电流可以从第二光电流求和节点37处接收(abnehmbar)。
图7示出背景辐射17和LII辐射的总和的变化过程l(t)，该LII辐射在同一时间间隔内入射到探测设备的辐射敏感的第二面上。背景辐射17是温度辐射。这个变化过程或者说由该变化过程产生的光电流可以从第一光电流求和节点35处接收。
图7中呈现的变化过程与图6中呈现的变化过程的区别仅在于附加的尖峰39和41。这些尖峰39、41分别通过各个颗粒12的LII辐射产生，其中，尖峰39、41的高度和宽度随着颗粒12大小的增大而增加。尤其是，第一尖峰39与背景辐射17仅略有不同。
通过将图6和7中呈现的变化过程施加在不同光电流求和节点35、37处并且因而在颗粒数传感器16的各个接口处，所述变化过程能够减去彼此，使得结果仅剩余地保留没有背景辐射的尖峰39、41。由此，颗粒数传感器16在其运行中所连接的控制器能够确定飞过激光光斑22的颗粒12的数量和大小。在认识到测量气体流量以及激光光斑和测量气体体积的大小的情况下，从中能够确定测量气体体积中的颗粒的数量。
Claims (10)
1.一种颗粒数传感器(16)，所述颗粒数传感器具有能发射激光辐射(10)的激光器(18)，具有第一光学元件(20)和第二光学元件(23)，并且具有探测设备(26)，其中，所述第一光学元件(20)在所述激光辐射(10)的射束路径中如此布置，使得所述第一光学元件将从所述激光器(18)入射来的激光辐射(10)聚焦到激光光斑(22)中，其中，所述第二光学元件(23)如此布置，使得所述第二光学元件将从所述激光光斑(22)出射的温度辐射(14)聚焦到温度辐射光斑(29)中，所述探测设备具有对温度辐射(14)敏感的第一面(26.1)，所述第一面如此布置在经聚焦的温度辐射(14)的射束路径中，使得第一面被经聚焦的温度辐射(14)照射，其特征在于，所述探测设备(26)具有对温度辐射(14)敏感的第二面(26.2)，所述第二面如此布置，使得所述第二面不被从所述激光光斑(22)出射的温度辐射(14)照射。
2.根据权利要求1所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第一面(26.1)具有中心并且如此布置，使得共焦布置的光轴穿过所述中心。
3.根据权利要求1或2所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第一面(26.1)和所述第二面(26.2)布置在一个平面中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第一面(26.1)和所述第二面(26.2)彼此直接邻接。
5.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第二面(26.2)布置在所述第一面(26.1)旁边。
6.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第二面(26.2)以闭合的环围绕所述第一面(26.1)地延伸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第二面(26.2)关于所述第一面(26.1)的大小是如此大的，使得入射到所述第二面(26.2)上的背景辐射(17)的总和与入射到所述第一面(26.1)上的背景辐射(17)的总和一样大。
8.根据前述权利要求中任一项所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，辐射敏感的第一面(26.1)是作为探测设备(26)的硅光电倍增管的第一部分面，并且辐射敏感的第二面(26.2)是所述硅光电倍增管的第二部分面。
9.根据权利要求8所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第一部分面具有雪崩光电二极管的第一场，并且所述第二部分面具有雪崩光电二极管的第二场。
10.根据权利要求9所述的颗粒数传感器(16)，其特征在于，所述第一部分面的第一雪崩光电二极管(31)连接到第一光电流求和节点(35)，并且所述第二部分面的第二雪崩光电二极管(33)连接到第二光电流求和节点(37)。
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