CN116754512A - 传感器系统 - Google Patents

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CN116754512A
CN116754512A CN202310236785.1A CN202310236785A CN116754512A CN 116754512 A CN116754512 A CN 116754512A CN 202310236785 A CN202310236785 A CN 202310236785A CN 116754512 A CN116754512 A CN 116754512A
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小川智彦
小泉佳彦
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Asahi Kasei Microdevices Corp
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Abstract

提供一种使SNR提高的传感器系统。传感器系统(1)具备：传感器(气体传感器(10))，其具有发光元件(11)和检测元件(受光元件(12))，该检测元件检测基于从发光元件射出的光的信号；以及运算装置(20)，其将发光元件射出光的区间设为打开区间且将发光元件不射出光的区间设为关闭区间，使用在打开区间中检测出的信号和在多个关闭区间中检测出的信号来运算一个测定值。

Description

传感器系统
技术领域
本公开涉及一种传感器系统。
背景技术
近年，推进有非分散红外线吸收(NDIR：Non-Dispersive Infrared)方式气体传感器的开发，NDIR方式气体传感器包括发射红外线的发光部和接收透过了检测对象气体(例如，酒精或二氧化碳)的红外线的受光部，利用该气体的红外线的吸收特性来检测该气体的浓度(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2004-271518号公报
发明内容
发明要解决的问题
在此，在使用包括NDIR方式气体传感器在内的传感器的系统中，追求SNR(信噪比)的进一步提高。
鉴于这样的情况而完成的本公开的目的在于提供一种使SNR提高的传感器系统。
用于解决问题的方案
[1]本公开的一个实施方式所涉及的传感器系统具备：
传感器，其具有发光元件和检测元件，所述检测元件检测基于从所述发光元件射出的光的信号；以及
运算装置，其将所述发光元件射出光的区间设为打开区间且将所述发光元件不射出光的区间设为关闭区间，使用在所述打开区间中检测出的所述信号和在多个所述关闭区间中检测出的所述信号来运算一个测定值。
[2]作为本公开的一个实施方式，在[1]中，
所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比为50％以上。
[3]作为本公开的一个实施方式，在[1]或[2]中，
所述运算装置使用在所述打开区间的前后的多个所述关闭区间中检测出的所述信号来运算所述测定值。
[4]作为本公开的一个实施方式，在[3]中，
所述打开区间之前的所述关闭区间的数量与所述打开区间之后的所述关闭区间的数量相同。
[5]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[4]中的任一项中，
所述运算装置对在所述打开区间中检测出的所述信号和在所述关闭区间中检测出的所述信号分别进行加权来运算所述测定值。
[6]作为本公开的一个实施方式，在[5]中，
所述运算装置进行所述加权，使得测定的对象物的变动对所述信号的影响被抵消。
[7]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[6]中的任一项中，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是NDIR方式的气体传感器，所述测定值是被检测气体的气体浓度。
[8]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[6]中的任一项中，
所述检测元件是麦克风，所述传感器是光声方式的气体传感器，所述测定值是被检测气体的气体浓度。
[9]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[6]中的任一项中，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是光学脉搏传感器，所述测定值是脉搏。
[10]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[6]中的任一项中，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是测距传感器，所述测定值是到对象物的距离。
[11]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[10]中的任一项中，
所述打开区间与所述关闭区间的重复的周期为1秒以下。
[12]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[11]中的任一项中，
设多个所述关闭区间的数量为k，所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比D在下面的式(a)所表示的范围内。
【数1】
[13]作为本公开的一个实施方式，在[1]至[11]中的任一项中，
设多个所述关闭区间的数量为k，所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比D在下面的式(b)所表示的范围内。
【数2】
发明的效果
根据本公开，能够提供一种使SNR提高的传感器系统。
附图说明
图1是示出本公开的一个实施方式所涉及的传感器系统的结构例的图。
图2是示出图1的传感器系统所具备的气体传感器的结构例的图。
图3是例示驱动信号和检测信号的时刻的图。
图4是例示根据关闭区间数据数量使用的打开区间和关闭区间的图。
图5是例示表示SNR的改善的参数的变化的图。
图6是用于对加权进行说明的图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本公开的一个实施方式所涉及的传感器系统。各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记。在本实施方式的说明中，对相同或相当的部分适当省略或简化说明。
<传感器系统>
图1是示出本实施方式所涉及的传感器系统1的结构例的图。传感器系统1具备：传感器，其具有发光元件11和检测元件，该检测元件检测基于从发光元件11射出的光的信号；以及运算装置20，其运算测定值。在此，不对传感器系统1中的检测元件和测定值进行限定。在本实施方式中，设为检测元件是受光元件12、传感器是NDIR方式的气体传感器10、且测定值是被检测气体的气体浓度来进行说明。关于NDIR方式，利用被吸收的红外线的波长根据气体的种类而不同这一情况，通过检测其吸收量来测定气体浓度。作为测定对象的气体例如是酒精、二氧化碳等，但是不限定于此。在本实施方式中，由被检测气体吸收之后的红外线与基于从发光元件11射出的光的信号对应。
在此，传感器系统1可以是下面那样的结构。传感器系统1例如可以为：检测元件是麦克风，传感器是光声方式的气体传感器，测定值是被检测气体的气体浓度。关于光声方式，通过高性能的麦克风将吸收了光的气体分子的振动拾取为声音来测定气体浓度。此时，吸收了光的气体分子的振动与基于从发光元件11射出的光的信号对应。另外，传感器系统1例如可以为：检测元件是受光元件12，传感器是光学脉搏传感器，测定值是脉搏。脉搏是伴随着心脏送出血液而产生的、表示血管的容积变化的波形。另外，传感器系统1可以为：检测元件是受光元件12，传感器是测距传感器，测定值是到对象物的距离。测距传感器基于直到从发光元件11射出的光发生反射并被接收为止的时间等来测定距离。在此，作为测距传感器，可以使用检测对象物的靠近的接近传感器。像这样，传感器系统1的结构不被限定，但在下面，设为传感器是NDIR方式的气体传感器10来进行说明。
<气体传感器>
在本实施方式中，气体传感器10具有发光元件11和受光元件12。气体传感器10可以还具有发光元件驱动部13和存储部15。
(发光元件)
发光元件11输出包括会被作为测定对象的气体吸收的波长的光。作为具体的例子，发光元件11可以是LED(light emitting diode：发光二极管)或MEMS(micro electromechanical systems：微机电系统)光源。在本实施方式中，发光元件11是红外线LED。
在此，红外线的波长可以是2μm～12μm。2μm～12μm的范围内存在大量的各种气体特有的吸收范围，是特别适合用于气体传感器10的波长范围。例如在3.3μm波长处存在甲烷的吸收范围，在4.3μm波长处存在二氧化碳的吸收范围，在9.5μm波长处存在酒精(乙醇)的吸收范围。在本实施方式中，被检测气体含有酒精而使用包括9.5μm的波长范围的红外线。
(受光元件)
受光元件12对包括会被作为测定对象的气体吸收的波长在内的光的范围具有灵敏度。作为具体的例子，受光元件12可以是拥有PIN构造的光电二极管那样的量子型传感器。在本实施方式中，受光元件12是量子型红外线传感器。
(发光元件驱动部)
发光元件驱动部13向发光元件11输出驱动信号，使发光元件11以规定的亮度发光。发光元件驱动部13例如可以通过恒定电流驱动使发光元件11发光。另外，发光元件驱动部13可以基于从存储部15获取的校正参数来生成与环境温度相应地进行了调整的驱动信号(驱动电压)，并向发光元件11输出温度校正后的驱动信号。在此，可以基于公知的温度校正的手法来生成校正参数。
(存储部)
在通过软件来实现发光元件驱动部13的功能的情况下，存储部15可以存储使气体传感器10具备的处理器作为发光元件驱动部13发挥功能的程序。另外，存储部15可以存储用于发光元件驱动部13生成驱动信号的校正参数等。存储部15可以由一个以上的存储器构成。存储器例如是半导体存储器、磁存储器或光存储器等，但不限于这些，能够设为任意的存储器。
(模制树脂)
气体传感器10可以是如图2所示那样上述的结构构件与光学构件一起被封装的结构。气体传感器10的发光元件11和受光元件12中的至少一者被模制树脂密封。在图2的例子中，发光元件11及受光元件12与存储部15及IC(Integrated Circuit：集成电路)30一起被模制树脂密封。在此，IC 30具备一个以上的处理器，在本实施方式中实现发光元件驱动部13的功能。
(导光部)
另外，以使从发光元件11射出的光18反射而入射到受光元件12的方式设置有反射部17。也就是说，在本实施方式中，气体传感器10具备作为将光18从发光元件11引导到受光元件12的导光部而发挥功能的反射部17。在图2的例子中，反射部17是凹面鏡，反射部17的反射面例如可以由铝和金等具有高反射率的金属构成。
(滤波器)
如图2所示，在本实施方式中，在发光元件11、受光元件12以及导光部中的至少一者中设置有气体传感器10，该气体传感器10具备限制光18的波长的滤波器16。例如，在作为测定对象的气体是酒精(乙醇)的情况下，滤波器16可以是使由乙醇进行的红外线吸收发生得多的波长范围(代表性的是9.5μm附近)的红外线通过的带通滤波器。
(二极管构造)
在本实施方式中，发光元件11是红外线LED。另外，在本实施方式中，受光元件12是量子型红外线传感器。发光元件11和受光元件12中的至少一者可以含有铟和镓中的至少一者、以及砷和锑中的至少一者作为材料，且具有至少由P型半导体和N型半导体这两个类型的层构成的二极管构造。
<运算装置>
在本实施方式中，运算装置20具有信号获取部21和运算部22。运算装置20可以是具备用于执行运算的处理器的装置等，例如可以通过计算机来实现。在运算装置20是计算机的情况下，可以通过计算机所具备的通信装置来获取来自气体传感器10的信号，并通过计算机所具有的CPU(central processing unit：中央处理器)等来运算气体浓度。作为别的例子，运算装置20可以通过气体传感器10的IC 30来实现。此时，气体传感器10能够是将运算装置20一体化的装置从而单独地构成传感器系统1。
信号获取部21和运算部22的功能可以通过软件来实现。例如可以在能够通过运算装置20所具备的处理器访问的存储装置中存储一个以上的程序。可以是，存储于存储装置的程序当被运算装置20所具备的处理器读取时，使运算装置20作为信号获取部21和运算部22而发挥功能。
(信号获取部)
信号获取部21至少获取发光元件11的驱动信号和从受光元件12输出的检测信号。信号获取部21向运算部22输出所获取到的信号。
(运算部)
运算部22基于信号获取部21获取到的信号来运算气体浓度。运算部22例如能够根据受光元件12的检测信号来运算会被作为测定对象的气体吸收的波长的光的受光量，并通过与不存在作为测定对象的气体的情况下的受光量进行比较来运算气体浓度。另外，运算部22执行下面说明的用于提高SNR的运算处理。
(运算处理)
在此，发光元件11按照来自发光元件驱动部13的驱动信号，以规定时间射出光，经过不射出光的期间后，再次以规定时间射出光。图3是例示从发光元件驱动部13输出的驱动信号和从受光元件12输出的检测信号的时刻的图。如图3所示，按照驱动信号来决定了打开区间和关闭区间。打开区间是发光元件11射出光的区间。另外，关闭区间是发光元件11不射出光的区间。在本实施方式中，在发光元件11的动作过程中，以周期T重复打开区间和关闭区间。在图3的例子中，周期T是200ms，但是周期T不限定于特定的值。另外，打开区间和关闭区间可以是图3的例子那样不同的期间，也可以是相同的期间(例如分别为100ms)。打开区间、关闭区间在图中有时仅记载为打开、关闭。另外，在图3的例子中，驱动信号和检测信号将最大值设为1来归一化地表示。对于检测信号，以0.5为基准决定了积分区间ION和积分区间IOFF。在积分区间ION中对检测信号进行积分来运算发光元件11发光的情况下的受光量。另外，在积分区间IOFF中对检测信号进行积分来运算发光元件11没有发光的情况下的受光量。关于由于检测信号的过度响应引起的误差R在后面记述。
在此，能够通过使传感器系统1中的噪声降低来使SNR提高。作为噪声，例如能够列举暗电流。由于暗电流的影响，在关闭区间中受光量也不会变为零。以往，为了消除暗电流的影响，存在在周期T中、将关闭区间中的受光量设为基准信号且将打开区间中的受光量设为数据信号来进行运算数据信号与基准信号之差的相关双采样(CDS：correlated doublesampling)的情况。但是，还存在暗电流的瞬间变化，在现有方法中，SNR的提高存在限度。本实施方式所涉及的传感器系统1通过使用在打开区间中检测出的信号和在多个关闭区间中检测出的信号运算一个测定值，能够与现有技术相比使SNR提高。
图4是例示根据关闭区间数据数量使用的打开区间和关闭区间的图。关闭区间数据数量是1的情况与现有的相关双采样对应。在本实施方式中，运算装置20将关闭区间数据数量设为2个以上，针对这些关闭区间中的受光量运算移动平均，并运算打开区间的受光量与运算出的移动平均的值之差。例如在NDIR方式的气体传感器10被搭载于车辆并测定酒精那样的情况下，需要在用户吹气时进行测定，因此对打开区间要求快速的响应性。另一方面，关闭区间是不执行测定的期间，因此不要求快速的响应性，能够对时刻不同的多个关闭区间进行平均化来消除噪声的瞬间变化的影响。
在此，关于图4中被赋予周期T的数值，以在运算中使用打开区间中的受光量的周期T为基准(0)，将比基准靠前表示为负，将比基准靠后表示为正。在图4的例子中，运算装置20使用在打开区间的前后的多个关闭区间中检测出的信号来运算测定值。但是，运算装置20可以使用打开区间之前的多个关闭区间或打开区间之后的多个关闭区间来进行运算。另外，在图4的例子中，打开区间之前的关闭区间的数量与打开区间之后的关闭区间的数量是相同的。暗电流等噪声也多数情况下在打开区间的前后大致线性地变化。因此，通过使用打开区间的前后的多个关闭区间，能够抵消噪声的大致线性地变化的部分来更准确地运算在打开区间的时间点的噪声。进一步地，通过在打开区间的前后将关闭区间设为相同数量，能够提高上述的抵消线性变化部分的效果。
像上述那样，打开区间和关闭区间是任意地决定的，但打开区间相对于打开区间与关闭区间的总和(周期T)的比即占空比(duty)影响SNR的提高。另外，运算装置20运算一个测定值所使用的关闭区间的数量(关闭区间数据数量)影响SNR的提高。首先，通过下述的式(1)来表示占空比。
【数3】
在此，“m”是打开区间的期间。另外，“n”是关闭区间的期间。例如如果打开区间和关闭区间分别是100ms，则占空比是50％。
另外，通过下述的式(2)来表示用于相对地比较SNR的参数即PSNR。PSNR的值越大，表示SNR提高得越多。
【数4】
在此，“k”是关闭区间的数量。例如在关闭区间数据数量是10的情况下(参照图4)，“k”变为10。另外，通过下述的式(3)来表示周期T。
【数5】
T＝n+m…(3)根据式(1)、式(2)以及式(3)，还能够通过下述的式(4)来表示PSNR。
【数6】
在此，在周期T是常数的情况下，设k≥2，通过下述的式(5)来表示使PSNR最大的占空比。
【数7】
此时，通过下述的式(6)来表示PSNR的最大值PSNR_MAX。在此，周期T是常数。
【数8】
另外，k＝1时的使PSNR最大的占空比是1/2即50％。此时，PSNR的最大值是通过将关闭区间数据数量设为2个以上，与关闭区间数为1的情况相比更影响SNR的提高。在通过式(4)来表示SNR的情况下，与/>(关闭区间数据数量是1时的SNR的最大值)相比提高的占空比为通过下述的式(7)表示的范围。
【数9】
图5按每个占空比示出相对于关闭区间数据数量而言的PSNR的值的变化。如图5所示，例如在关闭区间数据数量是10的情况下，即使占空比超过50％，与占空比是50％的情况相比SNR也得到提高。当从一个周期T的角度来观察时，占空比超过50％会导致关闭区间中的检测时间变得比打开区间短而关闭区间的数据的精度相对地降低。但是，在本实施方式中，关闭区间的数据是作为多个关闭区间的平均而被赋予的，因此能够确保足够的数据精度。而且，在关闭区间数据数量是10的情况下，在一个周期T中，即使关闭区间中的检测时间比打开区间短，与占空比是50％的情况相比SNR也得到提高。
在此，如图5所示，即使关闭区间数据数量小于10，通过设为适当的占空比也能够与占空比是50％的情况相比使SNR得到提高。例如在关闭区间数据数量是4的情况下，通过将占空比设为60％或70％，能够使SNR提高。例如在运算装置20使用打开区间的前后的关闭区间来运算测定值的情况下，若关闭区间数据数量变多，则获取从打开区间的数据到运算完成为止会花费时间。也就是说，会产生等待要在打开区间之后获得的关闭区间的数据的时间。因此，优选的是，传感器系统1以基于到所要求的测定值输出为止的时间、所要求的SNR提高等来调整占空比等。
在关闭区间数据数量为2以上、且通过式(4)来表示SNR的情况下，通过下述的式(8)来表示与占空比是50％的情况相比SNR得到提高的占空比范围。从SNR提高的观点出发，占空比优选为式(8)的范围。
【数10】
在此，运算装置20可以对在打开区间中检测出的信号和在关闭区间中检测出的信号分别进行加权来运算测定值。如图3所示，积分区间ION与打开区间不一致而产生偏移。另外，积分区间IOFF与关闭区间不一致而产生偏移。偏移是由检测信号的过度响应产生的，受测定的对象物(在本实施方式中为被检测气体)的变动所影响。图3所示的误差R表示测定的对象物的变动对检测信号的影响。误差R是打开区间的检测信号由于测定的对象物的变动的影响而向关闭区间移位所产生的。也就是说，误差R的部分的受光量不应计算在关闭区间中，而应计算在打开区间中。优选的是，运算装置20以抵消这样的误差R的方式进行加权来运算测定值。
作为一例，设为占空比是70％且关闭区间数据数量是8。图6的上图表示运算装置20执行的初始的加权。需要通过加权使得暗电流被抵消，因此在打开区间中使用正的值且在关闭区间中使用负的值。运算装置20将对在一个打开区间中检测出的信号的加权设为﹢1。另外，运算装置20将对在8个关闭区间中检测出的信号中的每个信号的加权设为在占空比是70％的情况下的加权70/30(2.333)的负的值除以8而得到的﹣0.292。在此，设为图3所示的误差R相对于打开区间与关闭区间的受光量的积分值是9.6％。运算装置20进一步进行对误差R的调整。运算装置20像图6的下图那样，以使打开区间中的加权从初始的状态起总计增加9.6％的方式进行调整。具体地说，运算装置20对8个打开区间的信号中的每个信号附加﹢0.012的加权。另外，对于8个关闭区间，每一个关闭区间的误差R是1.2％。运算装置20对8个关闭区间分别附加﹣2.333的1.2％即﹣0.028的加权来进行调整。也就是说，针对8个关闭区间的信号中的每个信号，对﹣0.292进行﹣0.028的加权的调整而设为﹣0.320。像这样，运算装置20以测定的对象物的变动的影响(误差R)总和变为零的方式调整打开区间的加权以及关闭区间的加权，由此能够使SNR进一步提高。
如上所述，本实施方式所涉及的传感器系统1能够通过上述的结构来使SNR提高。
基于各附图和实施例对本公开的实施方式进行了说明，但希望注意的是，只要是本领域技术人员，基于本公开进行各种变形或修改都是很容易的。因而，希望留意的是，这些变形或修改也包括在本公开的范围内。例如，各结构部等中包括的功能等能够以不发生逻辑矛盾的方式重新配置，能够将多个结构部等组合为一个或者进行分割。本公开所涉及的实施方式还能够作为由装置所具备的处理器执行的程序或记录了程序的存储介质来实现。希望理解为它们也包含在本公开的范围内。
附图标记说明
1：传感器系统；10：气体传感器；11：发光元件；12：受光元件；13：发光元件驱动部；15：存储部；16：滤波器；17：反射部；18：光；20：运算装置；21：信号获取部；22：运算部；30：IC。

Claims (13)

1.一种传感器系统，其特征在于，具备：
传感器，其具有发光元件和检测元件，所述检测元件检测基于从所述发光元件射出的光的信号；以及
运算装置，其将所述发光元件射出光的区间设为打开区间且将所述发光元件不射出光的区间设为关闭区间，使用在所述打开区间中检测出的所述信号和在多个所述关闭区间中检测出的所述信号来运算一个测定值。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其特征在于，
所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比为50％以上。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述运算装置使用在所述打开区间的前后的多个所述关闭区间中检测出的所述信号来运算所述测定值。
4.根据权利要求3所述的传感器系统，其特征在于，
所述打开区间之前的所述关闭区间的数量与所述打开区间之后的所述关闭区间的数量相同。
5.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述运算装置对在所述打开区间中检测出的所述信号和在所述关闭区间中检测出的所述信号分别进行加权来运算所述测定值。
6.根据权利要求5所述的传感器系统，其特征在于，
所述运算装置进行所述加权，使得测定的对象物的变动对所述信号的影响被抵消。
7.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是非分散红外线吸收方式的气体传感器，所述测定值是被检测气体的气体浓度。
8.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述检测元件是麦克风，所述传感器是光声方式的气体传感器，所述测定值是被检测气体的气体浓度。
9.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是光学脉搏传感器，所述测定值是脉搏。
10.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述检测元件是受光元件，所述传感器是测距传感器，所述测定值是到对象物的距离。
11.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
所述打开区间与所述关闭区间的重复的周期为1秒以下。
12.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
设多个所述关闭区间的数量为k，所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比D在下面的式(a)所表示的范围内，
13.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其特征在于，
设多个所述关闭区间的数量为k，所述打开区间相对于所述打开区间与所述关闭区间的总和的比即占空比D在下面的式(b)所表示的范围内，
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