DE102016207995A1

DE102016207995A1 - Optischer Resonator für eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids, Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids und Verfahren zum Detektieren eines Fluids

Info

Publication number: DE102016207995A1
Application number: DE102016207995.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Huber; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: FR3051250A1; FR3051250B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator (102) für eine Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren eines Fluids. Der optische Resonator (102) umfasst einen Fluidkanal (108) zum Leiten des Fluids. Der Fluidkanal (108) ist zumindest abschnittsweise durch ein teildurchlässiges erstes Spiegelelement (104) und ein teildurchlässiges zweites Spiegelelement (106) gebildet. Hierbei sind das erste Spiegelelement (104) und das zweite Spiegelelement (106) einander gegenüberliegend angeordnet, um beim Aussenden von Lichtstrahlen (112) auf das erste Spiegelelement (104) eine Mehrfachreflexion der Lichtstrahlen (112) innerhalb des Fluidkanals (108) zu ermöglichen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Ein Gassensor kann beispielsweise als nichtdispersiver Infrarotsensor, kurz NDIR-Sensor, realisiert sein. Die Funktionsweise eines solchen NDIR-Sensors beruht auf der Absorption elektromagnetischer Strahlung, typischerweise im Spektralbereich mittleren Infrarots, in dem die vibronischen Anregungszustände bestimmter Gasmoleküle liegen. Hierbei steht die Stärke der optischen Absorption über das Lambert-Beer’sche Gesetz in einem wohldefinierten Zusammenhang mit der Konzentration des zu detektierenden Gases. Ein Vorteil einer solchen Messung gegenüber anderen Sensorprinzipien wie Leitfähigkeitsmessungen an beheizten Metalloxiden besteht in der geringen Kreuzsensitivität mit anderen Gasen, da sich die zu detektierenden Spezies durch charakteristische Absorptionsbanden im mittleren Infrarotbereich auszeichnen.
Aufgrund der niedrigen auftretenden Absorptionskoeffizienten der zu detektierenden Gase kann eine Miniaturisierung solcher NDIR-Sensoren, etwa für den Einsatz in Smartphones, technisch sehr aufwendig sein, da für geringe Lichtlaufwege im absorbierenden Gasgemisch sehr geringe Signaländerungen auftreten können, die messtechnisch schwer zu detektieren sein können.
Typische Absorptionslängen wie auch typische Ausmaße solcher NDIR-Sensoren können im Bereich weniger Zentimeter liegen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein optischer Resonator für eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids, eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids, ein Verfahren zum Detektieren eines Fluids, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird ein optischer Resonator für eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids vorgestellt, wobei der optische Resonator folgendes Merkmal aufweist:
einen Fluidkanal zum Leiten des Fluids, wobei der Fluidkanal zumindest abschnittsweise durch ein teildurchlässiges erstes Spiegelelement und ein teildurchlässiges zweites Spiegelelement gebildet ist, wobei das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement einander gegenüberliegend angeordnet sind, um beim Aussenden von Lichtstrahlen auf das erste Spiegelelement eine Mehrfachreflexion der Lichtstrahlen innerhalb des Fluidkanals zu ermöglichen.
Unter einem optischen Resonator kann eine Anordnung aus Spiegelelementen verstanden werden, die dazu dient, Lichtstrahlen möglichst oft zwischen den Spiegelelementen zu reflektieren. Hierbei kann sich aufgrund von Interferenz im Resonator eine stehende Welle ausbilden, wenn eine optische Weglänge des Resonators ein Vielfaches einer halben Wellenlänge der eingestrahlten Lichtstrahlen beträgt. Der optische Resonator kann beispielsweise als Fabry-Pérot-Resonator realisiert sein, bei dem die zwei Spiegelelemente in einem bestimmten, veränderbaren Abstand im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Unter einem Fluid kann insbesondere ein Gas oder Gasgemisch oder eine Flüssigkeit verstanden werden. Die beiden Spiegelelemente können ausgebildet sein, um einfallende Lichtstrahlen teils zu reflektieren, teils zu transmittieren. Beispielsweise können die erforderlichen Reflektivitäten sehr hoch sein, sodass die einzelnen Spiegelelemente die Lichtstrahlen vielmehr reflektieren als transmittieren. Je nach Ausführungsform können die beiden Spiegelelemente eben oder gekrümmt sein. Die beiden Spiegelelemente können beispielsweise ein dielektrisches Schichtensystem auf einer ersten Seite und optional eine reflexionsvermindernde Beschichtung auf einer zweiten Seite aufweisen. Statt des dielektrischen Schichtensystems können die beiden Spiegelelemente auch mit einer dünnen Metallbeschichtung realisiert sein. Beispielsweise können die beiden Spiegelelemente als Bragg-Spiegel realisiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Abstand zwischen zwei Spiegeln eines Fabry-Pérot-Interferometers als Kavität zum Leiten eines Fluids durch das Fabry-Pérot-Interferometer verwendet werden kann. Durch den Wegfall einer separaten Kavität kann das Fabry-Pérot-Interferometer als stark miniaturisierter Gassensor mit breitem Akzeptanzwinkel und periodischer Kavitätslängenmodulation realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform basiert der beschriebene Ansatz auf einem periodischen Antrieb zusammen mit Korrelationstechniken (Lock-In) sowie auf einer Verwendung eines breiten Akzeptanzwinkelbereichs.
Gemäß einer Ausführungsform können das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet sein. Dadurch kann der optische Resonator als Fabry-Pérot-Resonator fungieren.
Es ist vorteilhaft, wenn das erste Spiegelelement und, zusätzlich oder alternativ, das zweite Spiegelelement entlang einer Verschiebeachse verschiebbar gelagert ist. Dadurch kann der Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen verändert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der optische Resonator mit einer Antriebseinrichtung zum Verschieben des ersten Spiegelelements und, zusätzlich oder alternativ, des zweiten Spiegelelements entlang der Verschiebeachse realisiert sein. Dadurch kann der Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen kontrolliert verändert werden.
Hierbei kann die Antriebseinrichtung ausgebildet sein, um den Abstand zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch zu ändern. Dadurch kann eine Zentralwellenlänge des optischen Resonators periodisch moduliert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn zumindest eines der beiden Spiegelelemente als Bragg-Spiegel ausgeführt ist. Unter einem Bragg-Spiegel, auch Distributed Bragg Reflector oder kurz DBR genannt, kann ein Spiegelelement aus alternierenden, dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes verstanden werden. Die Schichten können aus Dielektrika gefertigt sein. Dadurch können die beiden Spiegelelemente als hochqualitative Reflektoren realisiert werden.
Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem eine Sensorvorrichtung zum Detektieren eines Fluids, wobei die Sensorvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen optischen Resonator gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen;
eine Lichtquelle zum Aussenden von Lichtstrahlen auf das erste Spiegelelement des optischen Resonators; und
eine Detektionseinrichtung zum Detektieren eines von dem optischen Resonator durchgelassenen Lichtstrahlenanteils.
Unter einer Lichtquelle kann beispielsweise eine divergent abstrahlende Lichtquelle, etwa in Form zumindest einer Leucht- oder Laserdiode oder eines MEMS-Emitters oder, allgemein, eines thermischen Emitters oder einer Leuchtdiode mit Frequenzkonversion, etwa durch einen Phosphor, verstanden werden. Bei der Detektionseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Fotodiode, etwa auf Basis von PbSe, InSb oder HgCdTe, oder einen Fototransistor handeln.
Gemäß einer Ausführungsform können das erste Spiegelelement und das zweite Spiegelelement zwischen der Lichtquelle und der Detektionseinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann ein Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Detektionseinrichtung möglichst kurz gehalten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Sensorvorrichtung zumindest ein Filterelement zum Filtern der Lichtstrahlen aufweisen. Das Filterelement kann zwischen der Lichtquelle und der Detektionseinrichtung, beispielsweise zwischen der Lichtquelle und dem ersten Spiegelelement oder auch an einer beliebigen anderen Position vor der Detektionseinrichtung, angeordnet sein. Bei dem Filterelement kann es sich beispielsweise um einen Bandpass-Vorfilter handeln. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorvorrichtung zumindest eine Blende zum Einschränken und Definieren eines Einfallswinkelbereichs der Lichtstrahlen für die Transmission durch den optischen Resonator aufweisen. Unter einer Blende kann eine Öffnung mit variablem Durchmesser, auch Apertur genannt, verstanden werden. Mittels der Blende kann eine Fläche, durch die Licht auf den optischen Resonator fällt, definiert werden. Zusammen mit einer Detektorfläche der Detektionseinrichtung kann dadurch ein Akzeptanzwinkelbereich des optischen Resonators definiert werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Detektieren eines Fluids unter Verwendung eines optischen Resonators gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen eines Messsignals, das eine von einer Detektionseinrichtung detektierte Intensität des von dem optischen Resonator durchgelassenen Lichtstrahlenanteils repräsentiert; und
Auswerten des Messsignals, um das Fluid zu detektieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Ansteuerns einer Antriebseinrichtung zum Verschieben des ersten Spiegelelements und/oder des zweiten Spiegelelements umfassen, um einen Abstand zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch zwischen einem ersten Abstand und einem zweiten Abstand zu ändern. Hierbei kann in einem Schritt des Messens ansprechend auf das Ansteuern ein Differenzsignal, das eine Differenz zwischen einer dem ersten Abstand zugeordneten transmittierten Intensität der Lichtstrahlen und einer dem zweiten Abstand zugeordneten transmittierten Intensität der Lichtstrahlen repräsentiert, von der Detektionseinrichtung gemessen werden. Im Schritt des Einlesens kann das Differenzsignal eingelesen werden. Schließlich kann im Schritt des Auswertens das Differenzsignal ausgewertet werden, um das Fluid zu detektieren. Durch diese Ausführungsform wird eine präzise Detektion auch kleiner Signalunterschiede ermöglicht. Insbesondere kann hierbei ein dynamischer Bereich eines zu detektierenden Signals reduziert werden. Ferner können dadurch Rauschanteile auf anderen Frequenzen unterdrückt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Einstellens eines Referenzabstands zwischen dem ersten Spiegelelement und dem zweiten Spiegelelement durch Ansteuern der Antriebseinrichtung umfassen. Hierbei kann in einem Schritt des Erzeugens ein Referenzsignal durch Messen einer Referenzintensität im Referenzabstand von der Detektionseinrichtung erzeugt werden. In einem Schritt des Normierens kann das Differenzsignal unter Verwendung des Referenzsignals normiert werden, um ein normiertes Signal zu erhalten. Im Schritt des Auswertens kann das normierte Signal ausgewertet werden. Dadurch kann die Messgenauigkeit des Verfahrens erhöht werden.
Mit anderen Worten wird der Abstand der Spiegelelemente mit einer geeigneten Frequenz zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand dynamisch variiert. Das Differenzsignal zwischen dem Messsignal des ersten Abstands und dem Messsignal des zweiten Abstands tritt mit der gleichen Frequenz an der Detektionseinrichtung auf und wird mittels Korrelationstechniken gemessen. Das Referenzsignal wird statisch in einem der beiden Abstände aufgenommen. Es dient als Referenz z.B. für eine Intensitätsänderung durch Alterungseffekte der Lichtquelle. Das auf das Referenzsignal normierte Differenzsignal dient als Indikator für die Fluidkonzentration.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 ein Diagramm zur Darstellung eines Referenzsignals und eines Messsignals zur Verarbeitung durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Diagramm zur Darstellung eines Differenzsignals zur Verarbeitung durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Sensorvorrichtung 100 umfasst einen optischen Resonator 102, der ein teildurchlässiges erstes Spiegelelement 104 und ein teildurchlässiges zweites Spiegelelement 106 aufweist. Die beiden Spiegelelemente 104, 106 sind einander gegenüberliegend in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Hierbei begrenzen die beiden Spiegelelemente 104, 106 eine Kavität in Form eines Fluidkanals 108 mit einem Fluideinlass 109 zum Einleiten eines Fluids in den Fluidkanal 108, etwa eines Gases oder Gasgemischs. Eine Fließrichtung des Fluids ist mit einem horizontalen Pfeil gekennzeichnet.
Die Sensorvorrichtung 100 weist ferner eine Lichtquelle 110 auf, hier eine divergent abstrahlende Lichtquelle, wobei das erste Spiegelelement 104 zwischen der Lichtquelle 110 und dem zweiten Spiegelelement 106 angeordnet ist. Die Lichtquelle 110 ist ausgebildet, um eine von dem zweiten Spiegelelement 106 abgewandte Seite des ersten Spiegelelements 104 mit Lichtstrahlen 112 zu bestrahlen. Die Lichtstrahlen 112 werden von dem ersten Spiegelelement 104 teils reflektiert, teils in den Fluidkanal 108 durchgelassen. Innerhalb des Fluidkanals 108 wird ein von dem ersten Spiegelelement 104 durchgelassener Anteil der Lichtstrahlen 112 von dem zweiten Spiegelelement 106 teils in Richtung des ersten Spiegelelements 104 zurückgelenkt, teils durchgelassen. Insbesondere wird der in den Fluidkanal 108 durchgelassene Anteil der Lichtstrahlen 112 mittels der beiden Spiegelelemente 104, 106 mehrfach innerhalb des Fluidkanals 108 reflektiert. Hierbei kann eine Intensität der Lichtstrahlen 112 zumindest teilweise durch das durch den Fluidkanal 108 strömende Fluid absorbiert werden, sodass ein von dem zweiten Spiegelelement 106 durchgelassener Anteil der Lichtstrahlen 112 eine geringere Intensität als in Abwesenheit des Fluids aufweisen kann. Dies ist so zu verstehen, dass durch die Funktion des Fabry-Pérot-Interferometers als Bandpassfilter an sich die Lichtstrahlen, die an einem entsprechenden Detektor ankommen, eine geringere Intensität aufweisen als die Lichtstrahlen, die auf das Fabry-Pérot-Interferometer fallen. Hierbei sind die beiden Spiegelelemente 104, 106 aufgrund ihres geringen Abstands bezüglich ihrer Transmissivität nicht separat als einzelne Elemente, sondern als Gesamtsystem zu verstehen, da sie zusammen als Kavität mit einem definierten Transmissionsverhalten wirken.
Die beiden Spiegelelemente 104, 106 sind, wie in 1 dargestellt, optional als planare Spiegel, beispielsweise als Bragg-Spiegel, ausgeführt und im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Spiegelelement 104 entlang einer Verschiebeachse 114, die hier im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des Fluids ausgerichtet ist, verschiebbar gelagert. Eine optionale Antriebseinrichtung 116 ist ausgebildet, um das erste Spiegelelement 104 entlang der Verschiebeachse 114 zu bewegen. Beispielsweise ist die Antriebseinrichtung 116 ausgebildet, um das erste Spiegelelement 104 mit einer vorgegebenen Frequenz f periodisch zwischen einer ersten Position, die einen ersten Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen 104, 106 repräsentiert, und einer zweiten Position, die einen zweiten Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen 104, 106 repräsentiert, zu bewegen. Beispielsweise findet in der ersten Position keine oder lediglich eine sehr geringe Absorption der Lichtstrahlen 112 durch das Fluid statt, während umgekehrt in der zweiten Position eine sehr hohe Absorption der Lichtstrahlen 112 durch das Fluid stattfindet. Das erste Spiegelelement 104 ist somit als oszillierender hochreflektiver Spiegel realisiert, während das zweite Spiegelelement 106 als statischer hochreflektiver Spiegel realisiert ist.
Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Spiegelelement 106 entlang der Verschiebeachse 114 verschiebbar gelagert sein und durch die Antriebseinrichtung 116 analog zum ersten Spiegelelement 104 ansteuerbar sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Lichtquelle 110 und dem ersten Spiegelelement 104 ein Filterelement 118, etwa ein Vorselektionsfilter, angeordnet, der ausgebildet ist, um die von der Lichtquelle 110 ausgesandten Lichtstrahlen 112 zu filtern, bevor diese auf das erste Spiegelelement 104 treffen. Optional ist zwischen dem Filterelement 118 und dem ersten Spiegelelement 104 eine Blende 120 mit einer Blendenöffnung 122, auch Apertur genannt, positioniert. Die Blende 120 ist ausgebildet, um einen Lichtdurchlass durch den optischen Resonator 102 oder, anders ausgedrückt, einen Einfallswinkelbereich der Lichtstrahlen 112 am ersten Spiegelelement 104 zu ändern. Hierbei treffen die von dem Filterelement 118 gefilterten Lichtstrahlen 112 durch die Blendenöffnung 122 auf das erste Spiegelelement 104.
Auf einer von dem ersten Spiegelelement 104 abgewandten Seite des zweiten Spiegelelements 106 ist eine Detektionseinrichtung 124 angeordnet, die ausgebildet ist, um eine Intensität des von dem optischen Resonator 102 durchgelassenen Anteils der Lichtstrahlen 112 zu detektieren. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Spiegelelemente 104, 106 zwischen der Lichtquelle 110 und der Detektionseinrichtung 124 angeordnet.
Die Position des Filterelements 118 kann variabel sein, solange es vor der Detektionseinrichtung 124 angeordnet ist.
An die Detektionseinrichtung 124 ist eine Vorrichtung 126 zur Signalanalyse und Bestimmung einer Konzentration des Fluids angeschlossen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 126 ausgebildet, um von der Detektionseinrichtung 124 sowohl ein Messsignal 128, das während der Bewegung des ersten Spiegelelements 104 von der Detektionseinrichtung 124 detektierte Intensitäten der Lichtstrahlen 112 repräsentiert, als auch ein Referenzsignal 130, das eine von der Detektionseinrichtung 124 in einem Referenzabstand der beiden Spiegelelemente 104, 106 detektierte Referenzintensität repräsentiert, einzulesen. Das Messsignal 128 und das Referenzsignal 130 werden von der Vorrichtung 126 verwendet, um in Abhängigkeit von einer Abweichung zwischen der Intensität und der Referenzintensität stoffliche Eigenschaften des Fluids, etwa eine Kohlenstoffdioxidkonzentration, zu bestimmen.
Die Vorrichtung 126 ist optional ausgebildet, um die Antriebseinrichtung 116 durch Ausgeben eines entsprechenden Ansteuersignals 132 anzusteuern. Hierbei gibt die Vorrichtung 126 eine Ansteuerfrequenz vor, mit der die Antriebseinrichtung 116 eine Längenänderung der durch die beiden Spiegelelemente 104, 106 gebildeten Kavität antreibt. Dadurch wird an der Detektionseinrichtung 124 ein Signal erzeugt, das die gleiche Frequenzkomponente enthält.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 126 einen Frequenzgenerator 140, auch Referenzoszillator genannt, der für die Frequenzansteuerung der Antriebseinrichtung 116 verantwortlich ist und seine Referenzfrequenz in den Lock-in-Verstärker 136 einspeist. Somit gibt nicht der Lock-in-Verstärker 136 die Referenzfrequenz vor. Im Allgemeinen sind die Funktionen Frequenzvorgabe und Frequenzerhalt jedoch getrennt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 126 ferner die Detektionseinrichtung 124.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 126 mit einem Multimeter 134 und einem Lock-in-Verstärker 136 realisiert. Das Multimeter 134 und der Lock-in-Verstärker 136 sind jeweils mit der Detektionseinrichtung 124 gekoppelt. Allgemein sind hier Korrelationsverfahren, darunter beispielsweise Lock-in-Techniken, möglich. Der Lock-in-Verstärker 136 ist optional ferner mit der Antriebseinrichtung 116 gekoppelt. Das Multimeter 134 dient zur Aufnahme von Referenzwerten. Der Lock-in-Verstärker 136 kann zudem ein Treibersignal als Eingangssignal empfangen.
Bei dem optischen Resonator 102 kann es sich um einen durchstimmbaren spektralen Filter mit der Möglichkeit einer starken Miniaturisierung handeln. Der optische Resonator 102 lässt sich beispielsweise mittels MEMS-Technologie als Fabry-Pérot-Interferometer realisieren. Dabei wird ausgenutzt, dass die Kavität bestehend aus den beiden planparallelen, hochreflektierenden Spiegelelementen 104, 106, die in einem Abstand im Bereich optischer Wellenlängen zueinander angeordnet sind, eine starke Transmission für Wellenlängen zeigt, die einem ganzzahligen Vielfachen des doppelten Abstands entsprechen. Der Abstand, auch Kavitätslänge genannt, lässt sich beispielsweise mittels elektrostatischer oder piezoelektrischer Aktuierung durch die Antriebseinrichtung 116 verändern, wodurch ein spektral durchstimmbarer Filter realisiert werden kann.
Der optische Resonator 102 kann beispielsweise im Bereich mittleren Infrarots von 4,2 μm zur Detektion der feinen Absorptionslinien von Kohlenstoffdioxid verwendet werden.
Nachfolgend wird das der Sensorvorrichtung 100 zugrunde liegende Sensorprinzip beispielhaft anhand von Kohlenstoffdioxid erläutert. Die Sensorvorrichtung 100 kann jedoch auch im Zusammenhang mit beliebigen anderen Gasen mit wohldefinierten optischen Absorptionsbanden verwendet werden.
Die Sensorvorrichtung 100 ermöglicht die Realisierung eines miniaturisierten Gassensors auf Basis eines periodisch getriebenen Fabry-Pérot-Interferometers hoher Finesse mit variabler Kavitätslänge in Form des optischen Resonators 102. Durch gleichzeitige Nutzung des optischen Resonators 102 als Filterelement und optische Absorptionsstrecke wird eine deutliche Miniaturisierung der Sensorvorrichtung 100 ermöglicht. Durch die optionale Verwendung von Korrelationstechniken wie etwa Lock-in-Techniken bei der Detektion wird ferner eine Kleinsignaldetektion ermöglicht.
Durch die Verwendung eines hochreflektiven Fabry-Pérot-Interferometers als optischer Resonator 102 kann die optische Absorptionsstrecke durch Mehrfachreflexion erhöht werden. Dies ermöglicht wiederum eine Miniaturisierung der Sensorvorrichtung 100.
Die Sensorvorrichtung 100 basiert auf der Nutzung eines breiten Akzeptanzwinkels zur Verbreiterung der Transmissionspeaks und zur Erhöhung eines detektierten Signals. Mit anderen Worten ist die Sensorvorrichtung 100 explizit so gebaut, dass der breite Akzeptanzwinkel verwendet wird.
Optional wird durch eine periodische Modulation einer Zentralwellenlänge des optischen Resonators 102 eine Detektion über Korrelationsverfahren ermöglicht. Dadurch können auch kleine Signalunterschiede präzise detektiert werden, da zum einen Rauschanteile auf anderen Frequenzen unterdrückt werden können, zum anderen der dynamische Bereich des zu detektierenden Signals reduziert werden kann.
In 1 ist ein möglicher Aufbau der Sensorvorrichtung 100 schematisch gezeigt. Eine divergent abstrahlende Lichtquelle 110 emittiert Licht über einen breiten Wellenlängenbereich, der mithilfe eines optischen Vorselektionsfilters als Filterelement 118 auf einen schmaleren Bereich reduziert wird. Eine Apertur in Form der Blendenöffnung 122 dient dazu, einen definierten Akzeptanzwinkel in Bezug auf den optischen Resonator 102 zu erreichen. Das vorgefilterte Licht trifft in einem definierten Winkelbereich auf den optischen Resonator 102, der die beiden hochreflektiven Spiegelelemente 104, 106 sowie einen durch die beiden Spiegelelemente 104, 106 begrenzten gasgefüllten Raum in Form des Fluidkanals 108 umfasst. Das erste Spiegelelement 104 ist hierbei schwingend gelagert und kann elektrostatisch sowohl periodisch mit einer Frequenz f angetrieben werden als auch quasi statisch auf eine feste Kavitätslänge aktuiert werden. Die Kavität ist mit der Umwelt verbunden, sodass ein Gasaustausch über die Seiten des optischen Resonators 102 möglich ist. Die Intensität des transmittierten Lichts wird mit einem Fotodetektor als Detektionseinrichtung 124 gemessen. Diese ist mit dem Multimeter 134 und dem Lock-in-Verstärker 136 verbunden.
Nachfolgend wird zunächst die Funktion des optischen Resonators 102 beschrieben. Anschließend wird der Ablauf einer Detektion eines modulierten Signals erläutert.
Die Sensorvorrichtung 100 ist ausgebildet, um in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen zu detektieren: erstens im Bereich direkt unterhalb von 4 μm, in dem Luft transparent ist, d. h., in dem keine Absorption stattfindet, zweitens im Bereich direkt oberhalb von 4,2 μm, in dem eine breite Absorptionsbande von Kohlenstoffdioxid liegt. Eine breite Absorptionsbande von Kohlenstoffdioxid besteht aus mehreren scharfen Absorptionspeaks.
Ein Fabry-Pérot-Interferometer zeigt eine Transmission bei allen Wellenlängen, für die die Interferenzbedingung erfüllt ist, d. h., sofern die Kavitätslänge gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge ist. Für die Zentralwellenlänge eines solchen Peaks gilt bei senkrechtem Einfall und einem Brechungsindex von 1 in der Kavität: λ₀ = 2d / m
Hierbei bezeichnet m die Ordnung des Peaks und d die Kavitätslänge. Die Breite eines Peaks, auch Full Width at Half Maximum oder kurz FWHM genannt, eines idealen Fabry-Pérot-Interferometers liegt bei
wobei der reflektive Finesse-Koeffizient
nur von der Reflektivität der Spiegelelemente abhängt. Ein spektraler Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Peaks mit den Ordnungen m und m + 1 wird als Free Spectral Range bezeichnet und ist durch
gegeben.
Um nur einen einzelnen Transmissionspeak, der im gewünschten Bereich zwischen ungefähr 3,95 μm und 4,25 μm liegt, zu erhalten, kann ein Bandpass-Vorfilter als Filterelement 118 verwendet werden, der nur in diesem Bereich transmittiert. Des Weiteren sollte die FSR größer als der gewünschte durchzustimmende Bereich sein.
Um einen merklichen Anteil der Absorption von Kohlenstoffdioxid im transmittierten Signal zu erhalten, sollte die Kavitätslänge möglichst groß gewählt sein. Aufgrund der oben genannten Einschränkung bezüglich der FSR werden somit die maximal nutzbare Ordnung und die Länge der Kavität nach oben hin beschränkt.
Um auch geringe Änderungen der Kohlenstoffdioxidkonzentration messen zu können, sollten die Absorptionsverluste durch das Kohlenstoffdioxid bei der Transmission durch den optischen Resonator 102 genügend groß sein, um von der Detektionseinrichtung 124 detektiert werden zu können. Da der Absorptionskoeffizient von Kohlenstoffdioxid in Luft gering ist, wird dieser Faktor in konventionellen optischen Kohlenstoffdioxiddetektoren durch einen langen Laufweg des Lichts im absorbierenden Medium kompensiert. Um auch in der kurzen Kavität eines Fabry-Pérot-Interferometers eine genügend hohe Absorption zu erreichen, sollte sichergestellt werden, dass das Licht oft genug in der Kavität hin und her reflektiert. Dazu können hochreflektierende Spiegelschichten als Spiegelelemente 104, 106 verwendet werden. Solche Spiegelschichten lassen sich etwa als dielektrische Schichtsysteme, auch Distributed Bragg Reflector genannt, realisieren.
Da die FWHM der Transmissionspeaks für hochreflektierende Schichten und hohe Transmissionsordnungen sehr gering ist, führt dieser Aufbau jedoch dazu, dass die gesamte transmittierte Intensität gering ist, wodurch wiederum das Problem der Detektierbarkeit auftaucht.
Für einen schrägen Lichteinfall unter einem Winkel θ zur Oberflächennormalen werden die Gleichungen für λ₀, FSR und FWHM mit cosθ multipliziert. Mit zunehmendem Winkel verschiebt sich die Zentralwellenlänge also hin zu kürzeren Wellenlängen. Für unkollimiert einfallendes Licht, das aus allen Richtungen in einem Intervall [0, θ_max] einfällt, was beispielsweise über die Blende 120 einstellbar ist, sofern die Lichtquelle divergent abstrahlt, ergibt sich die gesamte Transmission aus dem Integral über Transmissionpeaks mit Zentralwellenlängen zwischen λ₀ = 2d / m und
Dies entspricht der Detektion der Transmission über einen breiteren Wellenlängenbereich.
Für Anwendungen, bei denen spektral sehr schmale Peaks aufgelöst werden sollen, kann dieser Effekt störend sein. Deshalb können kleine Aperturen verwendet werden, um den Einfallswinkelbereich zu begrenzen, wodurch die transmittierte Intensität abnimmt. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch ein breiter Transmissionspeak im Bereich von 4,2 μm gewünscht, da keine einzelnen Absorptionslinien aufgelöst werden sollen, sondern die gesamte Absorption in diesem spektralen Bereich gemessen werden soll. Durch die Verwendung eines breiten Einfallswinkelbereichs mittels einer größeren Apertur lässt sich also erreichen, dass trotz der hochreflektierenden Spiegelelemente 104, 106 und der hohen Interferenzordnung des optischen Resonators 102 ein breiter spektraler Bereich und somit auch eine hohe Intensität transmittiert wird. Die Größe der Apertur bzw. optionaler Optiken nach der Lichtquelle kann zudem so gewählt sein, dass die Verbreiterung der Transmissionspeaks gerade der Breite des interessierenden spektralen Bereichs um 4,2 µm entspricht.
Neben der Absorption durch das Kohlenstoffdioxid wird das detektierte Signal an der Detektionseinrichtung 124 auch durch die spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle, etwa eines thermischen Emitters, und der spektralen Sensitivität der Detektionseinrichtung 124 bestimmt. Zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxidkonzentration kann deshalb eine Referenzmessung direkt unterhalb von 4 μm durchgeführt werden, da die Luft in diesem Bereich transparent ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Kavitätslänge beispielsweise elektrostatisch durchgestimmt, sodass die Endpunkte der Bewegung durch die Kavitätslänge für eine Transmission bei 3,98 μm und 4,23 μm gegeben sind. Die transmittierte Intensität, die zu diesen Zeitpunkten von der Detektionseinrichtung 124 gemessen wird, ist dann jeweils durch das Integral über die beiden Transmissionspeaks, wie sie beispielhaft in 2 gezeigt sind, gegeben.
Trotz des Aufbaus mit hochreflektierenden Spiegeln und trotz der Nutzung eines größeren Einfallswinkelbereichs kann die Signaländerung zwischen dem Referenzsignal 130 bei 3,98 μm und dem Messsignal 128 bei 4,23 μm gering sein. Solche kleinen Signaländerungen können jedoch mittels Korrelationstechniken präzise gemessen werden.
Dazu wird die Änderung der Kavitätslänge periodisch mit der vorgegebenen Frequenz f getrieben, etwa mittels elektrostatischer Aktuierung durch eine Wechselspannung unter Verwendung der Antriebseinrichtung 116. Das Signal an der Detektionseinrichtung 124 ändert sich dann ebenfalls mit der Frequenz f. Die Detektionseinrichtung 124, die hier als Lock-in-Verstärker realisiert ist, kann dann ein Differenzsignal zwischen den zu den beiden Endpunkten der Bewegung des ersten Spiegelelements 104 gehörenden transmittierten Intensitäten messen. Zusätzlich kann dadurch ein Rauschen auf anderen Frequenzen unterdrückt werden.
Da sich das Referenzsignal 130 und das Messsignal 128 nur geringfügig voneinander unterscheiden, bringt die Messung einer Differenz zwischen den beiden Signalen den Vorteil, dass bei gegebener Auflösung eines AD-Wandlers ein geringerer dynamischer Bereich abgedeckt werden muss und somit kleinere Signaländerungen detektiert werden können.
Zu Beginn der Messung wird die Kavität auf eine für die Referenzmessung vorgesehene Länge gefahren. Mittels eines Spannungsmessgerätes wird hierbei das Referenzsignal 130 gemessen. Anschließend wird die Kavität durch die Antriebseinrichtung 116 in Schwingung versetzt. Hierbei wird das Differenzsignal gemessen und auf das Referenzsignal 130 normiert. Nach einer bestimmten Zeit wird wieder statisch referenziert.
Für eine genaue und zuverlässige Bestimmung der Kohlenstoffdioxidkonzentration sollte die Sensorvorrichtung 100 nach der Herstellung bei bekannten Kohlenstoffdioxidkonzentrationen kalibriert werden.
2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Referenzsignals 130 und eines Messsignals 128 zur Verarbeitung durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa durch eine Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand von 1 beschrieben ist. Auf der Abszisse des Diagramms ist eine Wellenlänge in Nanometern aufgetragen. Die Ordinate repräsentiert eine Transmission. Gezeigt sind simulierte Transmissionspeaks bei zwei verschiedenen Kavitätslängen, d. h. bei zwei verschiedenen Abständen zwischen den beiden Spiegelelementen des optischen Resonators, und bei zwei verschiedenen Kohlenstoffdioxidkonzentrationen. Das durch eine Referenzmessung beim Referenzabstand erzeugte Referenzsignal 130 ist durch einen Referenzpeak bei einer Wellenlänge unterhalb von 4 µm repräsentiert. Der Referenzpeak ist unabhängig von der Kohlenstoffdioxidkonzentration, da Luft in diesem Bereich transparent ist. Eine von der Kohlenstoffdioxidkonzentration abhängige Peakhöhe eines dem Messsignal 128 zugeordneten Peaks liegt hingegen bei 4,2 µm. Hierbei repräsentiert das Messsignal 128 eine Messung innerhalb einer Absorptionsbande von Kohlenstoffdioxid.
Beispielsweise beträgt der Referenzabstand bei der Referenzmessung 19,9 µm und der Messabstand bei der Messung innerhalb der Absorptionsbande 21,25 µm. Gezeigt sind die Peaks für Kohlenstoffdioxidkonzentrationen von 400 ppm und 4400 ppm in Luft. Hierbei weist das Messsignal 128 bei 400 ppm einen höheren Peak als bei 4400 ppm auf. Der in 2 gezeigte Peak des Referenzsignals 130 entspricht einer Referenzmessung bei 4400 ppm, wobei die Kohlenstoffdioxidkonzentration für den Referenzpeak unerheblich ist. Es ist ersichtlich, dass die transmittierte Intensität bei 4,23 μm mit steigender Kohlenstoffdioxidkonzentration abnimmt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 126 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 126, etwa eine Vorrichtung, wie sie vorangehend anhand der beiden 1 und 2 beschrieben ist, umfasst eine Einleseeinheit 310 zum Einlesen des Messsignals 128 und des Referenzsignals 130. Ferner kann die Einleseeinheit 310 zum Einlesen des Ansteuer- oder Frequenzsignals 132 für die Lock-in-Detektion dienen. Die Referenzintensität kann etwa der durchgelassenen Intensität entsprechen, die sich für einen Abstand, den Referenzabstand, ergibt, für den der Transmissionspeak im Bereich der Transparenz des Fluids liegt. Beispielsweise kann die durch das Messsignal 128 repräsentierte Intensität detektiert worden sein, während die beiden Spiegelelemente im Messabstand zueinander angeordnet waren. Die Unterscheidung zwischen Referenz- und Messabstand ist so zu verstehen, dass die Messungen nicht in einem festen Abstand vorgenommen werden, sondern stattdessen während einer Messung periodisch zwischen einem Abstand mit Absorption und dem Referenzabstand moduliert wird.
Anders ausgedrückt gibt es für die Messung im Betrieb mit periodischer Aktuierung keinen definierten Messabstand im eigentlichen Sinne, sondern der Abstand wird zwischen den beiden Endpositionen, nämlich dem Referenzabstand der Referenzmessung sowie dem Abstand, für den der Transmissionspeak im absorbierenden Spektralbereich liegt, variiert. In diesem Sinne kann der Referenzabstand als statischer Referenzmodus und der Messabstand als Messmodus bezeichnet werden. Der Referenzmodus ist beispielsweise nur für eine spätere Normierung des Signals erforderlich. Während des Messmodus wird periodisch aktuiert und das Differenzsignal gemessen, etwa mittels Lock-in-Technik.
Umgekehrt kann die Referenzintensität detektiert worden sein, während die beiden Spiegelelemente im Referenzabstand zueinander angeordnet waren. Die Einleseeinheit 310 leitet die beiden Signale 128, 130 an eine Auswerteeinheit 320 weiter, die ausgebildet ist, um das Messsignal 128 unter Verwendung des Referenzsignals 130 auszuwerten. Als Ergebnis des Auswertens des Messsignals 128 erzeugt die Auswerteeinheit 320 einen Detektionswert 325, der beispielsweise eine Konzentration eines Stoffes in dem Fluid repräsentiert.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 126 eine optionale Messeinheit 330, die die im Ansteuersignal 132 enthaltene Frequenzinformation empfängt und ausgebildet ist, um ansprechend auf ein Ansteuern der Antriebseinrichtung zum periodischen Ändern eines Abstands zwischen den beiden Spiegelelementen zwischen dem Referenzabstand und dem Messabstand das Messsignal 128 und das Referenzsignal 130 von der Einleseeinheit 310 zu empfangen und unter Verwendung der beiden Signale 128, 130 ein Differenzsignal 335 zu erzeugen, das eine Differenz zwischen dem Referenzsignal 130 und dem Messsignal 128 repräsentiert. Hierbei ist die Auswerteeinheit 320 ausgebildet, um das Differenzsignal 335 von der Messeinheit 330 zu empfangen und den Detektionswert 325 unter Verwendung des Differenzsignals 335 zu erzeugen.
4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung eines Differenzsignals 335, auch Lock-in-Signal genannt, zur Verarbeitung durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, beispielsweise durch eine vorangehend anhand der 1 bis 3 beschriebene Vorrichtung. Gezeigt ist ein simuliertes Differenzsignal 335 für verschiedene Kohlenstoffdioxidkonzentrationen in ppm. Das Differenzsignal 335 ist in einer beliebigen Einheit auf einer Ordinate des Diagramms aufgetragen. Die Kohlenstoffdioxidkonzentration in ppm ist auf einer Abszisse des Diagramms aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass das Differenzsignal 335 mit zunehmender Kohlenstoffdioxidkonzentration stetig abnimmt.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 500 zum Detektieren eines Fluids kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 510 das Messsignal eingelesen. In einem weiteren Schritt 520 wird das Messsignal ausgewertet, um das Fluid zu detektieren.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 5 umfasst das Verfahren 500 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 610, in dem der Referenzabstand zwischen den beiden Spiegelelementen des optischen Resonators durch entsprechendes Ansteuern der Antriebseinrichtung eingestellt wird. Ansprechend auf das Einstellen des Referenzabstands wird in einem Schritt 620 die Referenzintensität durch die Detektionseinrichtung gemessen. Hierbei erzeugt die Detektionseinrichtung das die Referenzintensität repräsentierende Referenzsignal. Ansprechend auf das Erzeugen des Referenzsignals wird in einem weiteren Schritt 630 die Antriebseinrichtung erneut angesteuert, um den Abstand zwischen den beiden Spiegelelementen periodisch mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen dem Referenzabstand und dem Messabstand zu ändern. Ansprechend auf das periodische Ändern des Abstands wird in einem weiteren Schritt 640 das Differenzsignal von der Detektionseinrichtung gemessen, wobei das Differenzsignal eine Differenz zwischen der Referenzintensität und einer im Messabstand von der Detektionseinrichtung detektierten Intensität repräsentiert. Im Schritt 510 wird nun das Differenzsignal eingelesen. Schließlich wird im Schritt 520 das Differenzsignal ausgewertet, um das Fluid zu detektieren. Hierbei kann das Differenzsignal etwa unter Verwendung des Referenzsignals ausgewertet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Differenzsignal in einem in 6 nicht dargestellten optionalen Schritt vorangehend auf das Auswerten 520 unter Verwendung des Referenzsignals normiert, um ein normiertes Signal zu erhalten. Hierbei wird im Schritt 520 das normierte Signal ausgewertet, um das Fluid zu detektieren.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Optischer Resonator (102) für eine Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren eines Fluids, wobei der optische Resonator (102) folgendes Merkmal aufweist: einen Fluidkanal (108) zum Leiten des Fluids, wobei der Fluidkanal (108) zumindest abschnittsweise durch ein teildurchlässiges erstes Spiegelelement (104) und ein teildurchlässiges zweites Spiegelelement (106) gebildet ist, wobei das erste Spiegelelement (104) und das zweite Spiegelelement (106) einander gegenüberliegend angeordnet sind, um beim Aussenden von Lichtstrahlen (112) auf das erste Spiegelelement (104) eine Mehrfachreflexion der Lichtstrahlen (112) innerhalb des Fluidkanals (108) zu ermöglichen.
Optischer Resonator (102) gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Spiegelelement (104) und das zweite Spiegelelement (106) im Wesentlichen planparallel zueinander ausgerichtet sind.
Optischer Resonator (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Spiegelelement (104) und/oder das zweite Spiegelelement (106) entlang einer Verschiebeachse (114) verschiebbar gelagert ist.
Optischer Resonator (102) gemäß Anspruch 3, mit einer Antriebseinrichtung (116) zum Verschieben des ersten Spiegelelements (104) und/oder des zweiten Spiegelelements (106) entlang der Verschiebeachse (114).
Optischer Resonator (102) gemäß Anspruch 4, bei dem die Antriebseinrichtung (116) ausgebildet ist, um einen Abstand zwischen dem ersten Spiegelelement (104) und dem zweiten Spiegelelement (106) mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch zu ändern.
Optischer Resonator (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das erste Spiegelelement (104) und/oder das zweite Spiegelelement (106) als Bragg-Spiegel ausgeführt ist.
Sensorvorrichtung (100) zum Detektieren eines Fluids, wobei die Sensorvorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: einen optischen Resonator (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; eine Lichtquelle (110) zum Aussenden von Lichtstrahlen (112) auf das erste Spiegelelement (104) des optischen Resonators (102); und eine Detektionseinrichtung (124) zum Detektieren eines von dem optischen Resonator (102) durchgelassenen Lichtstrahlenanteils.
Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, bei der das erste Spiegelelement (104) und das zweite Spiegelelement (106) zwischen der Lichtquelle (110) und der Detektionseinrichtung (124) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7 oder 8, mit zumindest einem Filterelement (118) zum Filtern der Lichtstrahlen (112), wobei das Filterelement (118) zwischen der Lichtquelle (110) und der Detektionseinrichtung (124) angeordnet ist, und/oder zumindest einer Blende (120) zum Einschränken und Definieren eines Einfallswinkelbereichs der Lichtstrahlen (112) an dem ersten Spiegelelement (104).
Verfahren (500) zum Detektieren eines Fluids unter Verwendung eines optischen Resonators (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte umfasst: Einlesen (510) eines Messsignals (128; 335), das eine von einer Detektionseinrichtung (124) detektierte Intensität des von dem optischen Resonator (102) durchgelassenen Lichtstrahlenanteils repräsentiert; und Auswerten (520) des Messsignals (128; 335), um das Fluid zu detektieren.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt des Ansteuerns (630) einer Antriebseinrichtung (116) zum Verschieben des ersten Spiegelelements (104) und/oder des zweiten Spiegelelements (106), um einen Abstand zwischen dem ersten Spiegelelement (104) und dem zweiten Spiegelelement (106) mit einer vorgegebenen Frequenz periodisch zwischen einem ersten Abstand und einem zweiten Abstand zu ändern, wobei in einem Schritt des Messens (640) ansprechend auf das Ansteuern (630) ein Differenzsignal (335), das eine Differenz zwischen einer dem ersten Abstand zugeordneten transmittierten Intensität der Lichtstrahlen (112) und einer dem zweiten Abstand zugeordneten transmittierten Intensität der Lichtstrahlen (112) repräsentiert, von der Detektionseinrichtung (124) gemessen wird, wobei im Schritt des Einlesens (510) das Differenzsignal (335) eingelesen wird und wobei im Schritt des Auswertens (520) das Differenzsignal (335) ausgewertet wird, um das Fluid zu detektieren.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 11, mit einem Schritt des Einstellens (610) eines Referenzabstands zwischen dem ersten Spiegelelement (104) und dem zweiten Spiegelelement (106) durch Ansteuern der Antriebseinrichtung (116), wobei in einem Schritt des Erzeugens (620) ein Referenzsignal (130) durch Messen einer Referenzintensität im Referenzabstand von der Detektionseinrichtung (124) erzeugt wird, wobei in einem Schritt des Normierens das Differenzsignal (335) unter Verwendung des Referenzsignals (130) normiert wird, um ein normiertes Signal zu erhalten, wobei im Schritt des Auswertens (520) das normierte Signal ausgewertet wird.
Vorrichtung (126) mit Einheiten (134, 136; 310, 320, 330), die ausgebildet sind, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 auszuführen und/oder anzusteuern.
Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 auszuführen und/oder anzusteuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 14 gespeichert ist.