DE102021107882A1

DE102021107882A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zur konzentrationsbestimmung eines stoffes

Info

Publication number: DE102021107882A1
Application number: DE102021107882.2A
Authority: DE
Inventors: Farhang Afshar
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2022-09-29
Also published as: WO2022207572A1

Abstract

Eine Sensorvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, umfasst: mindestens eine erste Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist Licht einer ersten Wellenlänge, insbesondere einer Referenzwellenlänge, entlang einer Messstrecke auszusenden; mindestens eine zweite Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist Licht einer zweiten Wellenlänge, insbesondere einer Messwellenlänge, entlang der Messstrecke auszusenden; mindestens ein Detektor, insbesondere Photodetektor, der ausgebildet ist, ein Messsignal korrespondierend zu an einem in der Messstrecke angeordneten Objekt reflektierten Anteil des Lichts der ersten und der zweiten Wellenlänge bereitzustellen; eine Messvorrichtung zum Erfassen einer Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt; und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Länge der Messstrecke aus der erfassten Entfernung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, ein tragbares elektronisches Gerät, insbesondere Smartphone, umfassend eine Sensorvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, sowie ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, entlang einer Messstrecke zwischen einer Sensorvorrichtung und einem Objekt.
Bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere zur Konzentrationsbestimmung eines Gases, durchläuft das von einer Lichtquelle emittierte Licht den Stoff bzw. das Gas, dessen Konzentration bestimmt werden soll, entlang einer Messtrecke, und ein Teil des emittierten Lichts wird von dem Stoff bzw. den Gasmolekülen entlang der Messtrecke absorbiert. Ein Detektor erfasst dann die Intensität des am Ende der Messtrecke angekommen Lichts. Durch den Vergleich der Lichtintensität der Lichtquelle und des detektierten Lichts am Detektor kann berechnet werden, wie viel Licht entlang der Messtrecke absorbiert wird. Mittels diesem Wert kann anschließend auf die Konzentration des Stoffes bzw. des Gases entlang der Messtrecke geschlossen werden.
Um eine Gaskonzentration im ppm-Bereich (englisch: parts per million) messen zu können, benötigt man in der Regel eine Messtrecke von mehreren Zentimetern (z.B. 10 cm).
Die Größe der Messstrecke macht es daher schwierig, derartige Sensorvorrichtungen zu verkleinern und diese insbesondere in tragbare Geräte, wie beispielsweise Tablets oder Smartphones zu integrieren.
Somit besteht das Bedürfnis, eine Sensorvorrichtung, ein tragbares elektronisches Gerät und ein Verfahren bereitzustellen, welches auch in kleine Geräte integrierbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diesem Bedürfnis wird durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1, ein tragbares elektronisches Gerät mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruch 16 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 17 Rechnung getragen. Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, umfasst mindestens eine erste Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist Licht einer ersten Wellenlänge, insbesondere einer Referenzwellenlänge, entlang einer Messstrecke auszusenden, und mindestens eine zweite Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist Licht einer zweiten Wellenlänge, insbesondere einer Messwellenlänge, entlang der Messstrecke auszusenden. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung mindestens einen Detektor, insbesondere Photodetektor, der dazu ausgebildet ist, ein Messsignal korrespondierend zu an einem in der Messstrecke angeordneten Objekt reflektierten Anteil des Lichts der ersten und der zweiten Wellenlänge bereitzustellen. Die Sensorvorrichtung umfasst auch eine Messvorrichtung zum Erfassen einer Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Länge der Messstrecke aus der erfassten Entfernung.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Messtrecke nicht innerhalb der Sensorvorrichtung liegt, sondern unabhängig von der Sensorvorrichtung ist. Richtet man die Sensorvorrichtung beispielsweise auf einen Reflektor, wie beispielsweise eine weiße Wand oder eine andere reflektierende Oberfläche in der Umgebung der Sensorvorrichtung, kann eine Messtrecke zwischen der Sensorvorrichtung und dem Reflektor erzeugt werden, indem ein optischer Pfad zwischen den Lichtquellen der Sensorvorrichtung und dem Detektor der Sensorvorrichtung durch den gegenüber der Sensorvorrichtung angeordneten Reflektor bereitgestellt wird. Die Größe der Sensorvorrichtung kann dadurch reduziert werden, da die Messtrecke nicht länger in die Sensorvorrichtung integriert ist.
In einigen Ausführungsformen unterscheiden sich die erste und die zweite Wellenlänge voneinander. Insbesondere unterscheiden sich die erste und die zweite Wellenlänge derart voneinander, dass das Licht der ersten oder der zweiten Wellenlänge, insbesondere das der Referenzwellenlänge, nicht oder nur kaum von dem zu untersuchenden Stoff bzw. Gas entlang der Messtrecke absorbiert wird, und das Licht der entsprechend anderen Wellenlänge, insbesondere das der Messwellenlänge, hingegen stärker von dem zu untersuchenden Stoff bzw. Gas entlang der Messtrecke absorbiert wird. Bei der Konzentrationsbestimmung des zu untersuchenden Stoffes bzw. Gases kann somit Licht mit einer Referenzwellenlänge bereitgestellt werden, das nicht oder nur kaum von dem zu untersuchenden Stoff bzw. Gas entlang der Messtrecke absorbiert wird, und es kann Licht mit einer Messwellenlänge bereitgestellt werden, das von dem zu untersuchenden Stoff bzw. Gas entlang der Messtrecke absorbiert wird. Das Licht mit der Referenzwellenlänge kann dabei als Referenzwert dienen, um zu bestimmen, wieviel Licht mit der Messwellenlänge von dem zu untersuchenden Stoff bzw. Gas entlang der Messtrecke absorbiert wurde. Durch einen Vergleich der am Detektor detektierten Lichtintensität des Lichts mit der Referenzwellenlänge und des Lichts mit der Messwellenlänge kann berechnet werden, wie viel Licht entlang der Messtrecke absorbiert wird. Mittels diesem Wert kann anschließend auf die Konzentration des Stoffes bzw. des Gases entlang der Messtrecke geschlossen werden.
In einigen Ausführungsformen liegt ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge im Bereich von 100nm bis 1µm, insbesondere im Bereich von 200 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 400 nm bis 800 nm liegen. Insbesondere kann der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge sehr klein sein. Ein kleiner Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge kann den Vorteil haben, dass sich das Reflexionsverhalten des in der Messstrecke angeordneten Objekts für Licht mit der ersten und der zweiten Wellenlänge nicht oder nur kaum unterscheidet. Die Reflektivität des Objektes kann somit für das Licht mit den beiden Wellenlängen im Wesentlichen identisch sein, und somit keinen oder nur einen geringfügigen Einfluss auf die Konzentrationsbestimmung des zu untersuchenden Stoffes bzw. Gases haben.
In einigen Ausführungsformen sind die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Lichtquelle dazu ausgebildet, Licht im infraroten Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen 3 µm und 5,5 µm, zu emittieren. Die mindestens eine erste Lichtquelle kann insbesondere dazu ausgebildet sein, Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 3,8 µm bis 4 µm zu emittieren, und die mindestens eine zweite Lichtquelle kann insbesondere dazu ausgebildet sein, Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 4,2 µm bis 4,4 µm zu emittieren. Ferner kann die mindestens eine erste Lichtquelle jedoch auch dazu ausgebildet sein Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 2,2 µm bis 2,4 µm, und die mindestens eine zweite Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 2,5 µm bis 2,7 µm zu emittieren. Insbesondere kann die mindestens eine erste Lichtquelle dazu ausgebildet sein Licht mit einer Wellenlänge zu emittieren, welches nicht oder nur kaum von dem zu untersuchenden Gas, insbesondere CO₂, absorbiert wird wohingegen die mindestens eine zweite Lichtquelle dazu ausgebildet sein kann, Licht mit einer Wellenlänge zu emittieren, welches von dem zu untersuchenden Gas, insbesondere CO₂, stärker absorbiert wird.
Beispielsweise können die mindestens eine erste und die mindestens eine zweite Lichtquelle dazu ausgebildet sein, Licht in einem Wellenlängenbereich zu emittieren, in dem ein eine Transmission durch den zu untersuchenden Stoff und eine Absorption von dem zu untersuchenden Stoff nahe beieinanderliegen. Im Falle von Wassermolekülen als zu untersuchender Stoff kann die mindestens eine erste Lichtquelle beispielsweise dazu ausgebildet sein Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 5 µm, und die mindestens eine zweite Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 5,5 µm zu emittieren. Dies soll jedoch nicht einschränkend auf CO₂ oder Wassermoleküle verstanden werden, sondern es ist auch denkbar, dass mittels der Sensorvorrichtung die Konzentration anderer Stoffe oder Gase entlang der Messtrecke ermittelt werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist der wenigstens eine Detektor derart ausgebildet, dass er das von der ersten und der zweiten Lichtquelle emittierte der ersten und zweiten Wellenlänge detektieren kann. Insbesondere ist der wenigstens eine Detektor derart ausgebildet, dass er das von dem Objekt reflektierte Licht der ersten und zweiten Wellenlänge detektiert. Der Detektor ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass er zumindest für die erste und zweite Wellenlänge sensitiv ist. Beispielsweise kann der wenigstens eine Detektor einen sensitiven Bereich in einem Wellenlängenbereich zwischen 2 µm bis 5 µm aufweisen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Sensorvorrichtung zusätzlich eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, aus dem bereitgestellten Messsignal und der ermittelten Länge der Messstrecke die Konzentration des Stoffes entlang der Messstrecke zu bestimmen. Durch die Auswertung des Messsignals und somit durch einen Vergleich der am Detektor detektierten Lichtintensität des Lichts mit der ersten Wellenlänge und des Lichts mit der zweiten kann berechnet werden, wie viel Licht entlang der Messtrecke von den Molekülen des zu untersuchenden Stoffes oder Gases absorbiert wurde. Mittels diesem Wert und der ermittelten Länge der Messstrecke kann anschließend die Konzentration des Stoffes bzw. des Gases entlang der Messtrecke berechnet werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal eine erste Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge und eine zweite Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge. Dabei dient insbesondere das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente als Maß des Stoffes oder Gases entlang der Messstrecke.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Lichtquelle jeweils mit einem sinus- oder cosinusförmigen Strom oder Spannung mit jeweils einer unterschiedlichen Frequenz betrieben werden. Das von den beiden Lichtquellen ausgegebene Licht bzw. optische Trägersignal kann entsprechend amplitudenmoduliert sein, wobei sich die Modulationsfrequenz des Lichts der ersten Lichtquelle von der Modulationsfrequenz des Lichts der zweiten Lichtquelle unterscheidet. Insbesondere unterscheiden sich die beiden Modulationsfrequenzen derart, dass sie eine unterschiedliche Amplitude und/oder Frequenz aufweisen sodass sich die die beiden Modulationsfrequenzen nicht überlappen. Das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal kann entsprechend eine erste Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge und der ersten Modulationsfrequenz, und eine zweite Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge und der zweiten Modulationsfrequenz umfassen. Ferner kann das Messsignal eine dritte Komponente korrespondierend zu einem Rauschen und eine vierte Komponente korrespondierend zu einem Gleichspannungswert umfassen. Das Rauschen kann dabei aufgrund von auf den Detektor einfallendes Umgebungslicht resultieren und der Gleichspannungswert kann beispielsweise aus einer Vorspannung des Detektors zur Erhöhung der Sensitivität des Detektors resultieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Auswerteeinheit einen ersten Bandpassfilter, der die erste Komponente passieren lässt, und einen zweiten Bandpassfilter, der die zweite Komponente passieren lässt. Mittels der beiden Bandpassfilter kann das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal beispielsweise bei den Mittenfrequenzen bzw. Modulationsfrequenzen der ersten und der weiten Komponente gefiltert werden. Dadurch können zum einen die erste und die zweite Komponente in zwei einzelne Messsignale aufgeteilt werden und zum anderen kann zumindest ein Teil der dritten Komponente herausgefiltert werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Auswerteeinheit mindestens eine Vorrichtung zur Signalmittelung, um den Einfluss der dritten Komponente, also den Rauschpegel, zu reduzieren. Dadurch können beispielsweise die erste und die zweite Komponente isoliert werden und somit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet jeweils einen RMS-Wert für die erste und die zweite Komponente zu ermitteln. Das Verhältnis dieser beiden RMS-Werte kann beispielsweise als Maß für die Bestimmung der Konzentration des zu untersuchenden Stoffes oder Gases entlang der Messstrecke dienen.
Für den Fall, dass der zu untersuchende Stoff oder das Gas entlang der Messstrecke nicht vorhanden ist kann sich beispielsweise ein Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente von im Wesentlichen 1 ergeben. In solch einem Fall würde entsprechend weder Licht mit der ersten Wellenlänge noch Licht mit der zweiten Wellenlänge absorbiert werden bzw. gleich viel, oder gleich wenig Licht der beiden Wellenlängen absorbiert werden, sodass das Verhältnis der Komponente zueinander im Wesentlichen 1 ergibt. Dies würde im Falle von beispielsweise CO₂ als zu untersuchendes Gas, beispielsweise in einem Vakuum oder einer reinen N₂-Atmosphäre der Fall sein. Für den Fall, dass der zu untersuchende Stoff oder das Gas entlang der Messstrecke jedoch vorhanden ist, kann das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente hingegen einen Wert größer als 1 ergeben. Dies kann unter anderem daran liegen, dass der von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge reduziert ist, da das Licht mit der zweiten Wellenlänge entlang der Messtrecke von den Molekülen des zu untersuchenden Stoffes oder Gases absorbiert wurde. Da die zweite Komponente zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge korrespondieren kann, kann sich entsprechend ein Wert größer als 1 für das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente ergeben.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Lichtquelle gepulst, insbesondere mittels eines PWM-modulierten Signals, betrieben werden. Die erste Lichtquelle kann Licht der ersten Wellenlänge während eines ersten Zeitraums emittieren, und die zweite Lichtquelle Licht der zweiten Wellenlänge während eines zweiten, zum ersten unterschiedlichen, Zeitraums emittieren. Das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal kann entsprechend eine erste Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor während des ersten Zeitraums detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge, und eine zweite Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor während des zweiten Zeitraums detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge umfassen. Ferner kann das Messsignal beispielsweise auch eine dritte Komponente korrespondierend zu einem von dem Detektor während eines dritten Zeitraums detektierten Umgebungslichts umfassen. Während des dritten Zeitraums können beispielsweise die erste und die zweite Lichtquelle deaktiviert sein und kein Licht emittieren sodass der Detektor lediglich Umgebungslicht und gegebenenfalls seinen Dunkelstrom detektiert.
In einigen Ausführungsformen kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein die erste Komponente während dem ersten Zeitraum und die zweite Komponente während dem zweiten Zeitraum aus dem Messsignal zu isolieren. Insbesondere kann die Auswerteeinheit ausgebildet sein, die dritte Komponente während dem dritten Zeitraum von dem bereitgestellten Messsignal abzuziehen, und somit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst der wenigstens eine Detektor wenigstens zwei sensitive Bereiche. Ein erster sensitiver Bereich ist dabei insbesondere ausgebildet, Licht mit der ersten Wellenlänge zu detektieren und ein zweiter sensitiver Bereich ist insbesondere ausgebildet, Licht mit der zweiten Wellenlänge zu detektieren. Der wenigstens eine Detektor kann dazu beispielsweise pixeliert sein und beispielsweise zwei nebeneinander angeordneten Sensorelementen umfassen. Alternativ kann der wenigstens eine Detektor lediglich aus einem Sensorelement bestehen und innerhalb des Sensorelements wenigstens zwei nebeneinander und/oder übereinander angeordnete photosensitive Bereiche, optional auch mit unterschiedlicher Bandlücke aufweisen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der wenigstens eine Detektor einen Wellenlängenfilter, der auf dem Detektor angeordnet ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Detektor zumindest zwei Wellenlängenfilter umfassen, wobei jeweils ein Wellenlängenfilter vor einem ersten und einem zweiten sensitiven Bereich des Detektors angeordnet ist.
Das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal kann entsprechend zwei voneinander isolierte Komponenten umfassen. Eine erste Komponente kann dabei mit dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge korrespondieren, und eine zweite Komponente mit dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge korrespondieren.
In einigen Ausführungsformen ist die Auswerteeinheit ferner dazu ausgebildet, in Abhängigkeit eines zusätzlichen Referenzsignals, welches einer Detektion von Licht der ersten und zweiten Wellenlänge durch den Detektor unter kontrollierten Bedingungen entspricht, die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes entlang der Messstrecke zu bestimmen. Das zusätzliche Referenzsignal kann beispielsweise dem sinus- oder cosinusförmigen Strom oder der Spannung zum Betreiben der wenigstens zwei Lichtquellen entsprechen. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise dazu ausgebildet sein eine Differenz zwischen dem Referenzsignal und dem von dem Detektor bereitgestellten Messsignal zu bilden. Die Differenz kann zumindest einen Anteil der ersten und zumindest einen Anteil der zweiten Komponente umfassen. Diese beiden Anteile können wie bereits für die im obigen beschriebenen Ausführungsbeispiele als Maß für die Bestimmung der Konzentration des zu untersuchenden Stoffes oder Gases entlang der Messstrecke dienen.
In einigen Ausführungsformen liegen die mindestens eine erste Lichtquelle, die mindestens eine zweite Lichtquelle und der mindestens eine Detektor in einer Ebene. Insbesondere kann zusätzlich dazu auch die Messvorrichtung zum Erfassen der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt in derselben Ebene angeordnet sein. Eine solche Anordnung kann beispielsweise vorteilhaft sein, um die Länge der Messstrecke aus der erfassten Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt zu ermitteln. In die Ermittlung der Messtrecke können beispielsweise geometrische Zusammenhänge zwischen der mindestens einen erste Lichtquelle, der mindestens einen zweite Lichtquelle, dem mindestens einen Detektor, und der Messvorrichtung zum Erfassen der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekteinfließen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Messvorrichtung zum Erfassen der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt eine Kamera und optional eine weitere Lichtquelle. Die Kamera kann dabei zu einem Erfassen eines von der weiteren Lichtquelle oder von der mindestens einen ersten oder zweiten Lichtquelle, auf das Zielobjekt projizierten Lichtpunkts ausgeführt sein. Ferner kann die Messvorrichtung ausgeführt sein, auf Basis einer geometrischen Größe des erfassten Lichtpunktes, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt zu bestimmen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung den Durchmesser oder den Radius des erfassten Lichtpunktes bestimmen und darüber die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt ermitteln.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Sensorvorrichtung eine weitere Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist Licht im sichtbaren Bereich zu emittieren. Mittels der Lichtquelle kann es einem Benutzer der Sensorvorrichtung beispielweise möglich sein das Objekt anzuvisieren.
In einigen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung ausgeführt, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt mittels einer Lichtlaufzeitmessung, insbesondere mittels einer LIDAR Entfernungsmessung durchzuführen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung ausgeführt, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt mittels einer 3D- oder 2D Entfernungsmessung durchzuführen. In einigen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung ausgeführt, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt mittels einer Autofokus Funktion einer Kameralinse durchzuführen. Durch die Kameralinse, beispielsweise in Form einer in ein tragbares elektronisches Gerät, insbesondere in ein Smartphone, integrierten Kamera, kann das Objekt anfokussiert werden und dadurch die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt ermittelt werden. In einigen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung ausgeführt, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt entsprechend dem Funktionsprinzip eines konventionellen Distance Meter, insbesondere Laser Distance Meter oder einem Näherungssensor zu ermitteln.
In einigen Ausführungsformen ist die Sensorvorrichtung in ein tragbares elektronisches Gerät, insbesondere ein Smartphone, integriert. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise in dem tragbaren elektronischen Gerät vorhandene Lichtquellen, Detektoren und/oder eine in dem elektronischen Gerät vorhandene Kamera zu Bestimmung der Konzentration des zu untersuchenden Stoffes entlang der Messtrecke verwenden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes, insbesondere von CO2, entlang einer Messstrecke zwischen einer Sensorvorrichtung und einem Objekt umfasst die Schritte:

- Aussenden von Licht einer Referenzwellenlänge entlang der Messstrecke;
- Detektieren eines Lichtanteils der Referenzwellenlänge, der von dem Objekt reflektiert wird;
- Aussenden von Licht einer Messwellenlänge entlang der Messstrecke;
- Detektieren eines Lichtanteils der Messwellenlänge, der von dem Objekt reflektiert wird;
- Bereitstellen eines Messsignals aus den detektierten Lichtanteilen der Referenz- und Messwellenlänge;
- Erfassen einer Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt;
- Ermitteln einer Länge der Messstrecke aus der erfassten Entfernung; und
- Bestimmen der Konzentration des Stoffes in der Messtrecke aus dem Messsignal und der ermittelten Länge.

In einigen Ausführungsformen unterscheiden sich die Referenz- und die Messwellenlänge voneinander. Ein Unterschied zwischen der Referenz- und der Messwellenlänge liegt beispielsweise im Bereich von 200 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 400 nm bis 800 nm.
In einigen Ausführungsformen liegen die Referenz- und die Messwellenlänge im infraroten, insbesondere nahinfraroten, Bereich. Insbesondere liegen die Referenz- und die Messwellenlänge in einem Bereich zwischen 3 µm und 5,5 µm.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messsignals das Erzeugen eines Verhältnisses aus einer ersten Komponente des Messsignals korrespondierend zu dem von dem Objekt reflektierten Lichtanteil mit der Referenzwellenlänge und einer zweiten Komponente des Messsignals korrespondierend zu dem von dem Objekt reflektierten Lichtanteil mit der Messwellenlänge.
In einigen Ausführungsformen ergibt das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente im Wesentlichen 1, wenn der Stoff entlang der Messtrecke nicht vorhanden ist. Wenn der Stoff hingegen entlang der Messtrecke vorhanden ist, kann sich für das das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente beispielsweise ein Wert größer als 1 ergeben.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Bereitstellens eines zusätzlichen Referenzsignals, welches ein von dem Detektor detektiertes Messsignal von Licht der Referenz- und Messwellenlänge unter kontrollierten Bedingungen darstellt. Das Referenzsignal kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Konzentration des Stoffes entlang der Messstrecke zu bestimmen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Bildens einer Differenz aus dem Messsignal und dem zusätzlichen Referenzsignal. Die Differenz kann dabei beispielsweise als Maß zur Bestimmung der Konzentration des Stoffes entlang der Messtrecke dienen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Erfassens der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt ein Bestimmen einer geometrischen Größe eines auf das Objekt projizierten Lichtpunktes. Beispielsweise kann der Lichtpunkt mittels einer Lichtquelle der Sensorvorrichtung auf das Objekt projiziert werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst dem der Schritt des Erfassens der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt ein Bestimmen einer Lichtlaufzeit zwischen der Sensorvorrichtung und dem Objekt. Insbesondere kann eine solche Messung mittels einer LIDAR Entfernungsmessung erfolgen.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Schritt des Bereitstellens des Messsignals ein Filtern der an dem Objekt reflektiert Lichtanteile der Referenz- und Messwellenlänge. Ebenso, oder alternativ dazu können auch die erste und zweite Komponente des Messsignals gefiltert werden, um die beispielsweise voneinander zu trennen.
In einigen Ausführungsformen erfolgt der Schritt des Aussendens von Licht der Referenzwellenlänge während eines ersten Zeitraums und der Schritt des Aussendens von Licht der Messwellenlänge während eines zweiten, zum ersten unterschiedlichen, Zeitraums.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittansicht einer Sensorvorrichtung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
2 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
3 die atmosphärische Transmission als Funktion der Wellenlänge im UV-, sichtbaren und IR-Bereich;
4A eine Seitenansicht eines tragbaren elektronischen Geräts umfassend eine Sensorvorrichtung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
4B eine Darstellung einer möglichen Verwendung eines tragbaren elektronischen Geräts umfassend eine Sensorvorrichtung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips; und
5A und 5B eine Seitenansicht einer Sensorvorrichtung nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips und eine Draufsicht auf ein Objekt auf das die Sensorvorrichtung Licht emittiert.

Detaillierte Beschreibung
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1 zeigt eine Schnittansicht einer Sensorvorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Sensorvorrichtung umfasst eine erste Lichtquelle 3.1, die dazu ausgebildet ist Licht mit einer ersten Wellenlänge L1, insbesondere Referenzwellenlänge, auszusenden, eine zweite Lichtquelle 3.2, die dazu ausgebildet ist Licht mit einer zweiten Wellenlänge L2, insbesondere Messwellenlänge, auszusenden, und einen Detektor 5, der dazu ausgebildet ist zumindest Licht der ersten und der zweiten Wellenlänge zu detektieren.
Im Betrieb der Sensorvorrichtung emittiert diese Licht der ersten Wellenlänge L1 und Licht der zweiten Wellenlänge L2 entlang einer Messtrecke 4 in Richtung eines Objektes 7. Die Messstrecke 4 ergibt sich dabei aus dem von dem Licht der zweiten Wellenlänge L2 zurückgelegten Weg zwischen der zweiten Lichtquelle 3.2 und dem Detektor 5. Ein Teil des Lichts der zweiten Wellenläge L2 wird entlang der Messtrecke 4 von einem Stoff 2, der sich zwischen der Sensorvorrichtung 1 und dem Objekt 7 befindet, absorbiert. Die erste Wellenlänge kann hingegen derart gewählt sein, dass das Licht der ersten Wellenlänge L1 nicht oder nur kaum von dem Stoff 2 absorbiert wird. Das Licht der ersten und der zweiten Wellenlänge wird von dem Objekt 7 in Richtung des Detektors 5 zurückreflektiert und anschließend von diesem detektiert. Das Objekt 7 ist dabei vorteilhafter Weise durch eine weiße Wand oder eine andere reflektierende Oberfläche in der Umgebung der Sensorvorrichtung gebildet. Der Detektor 5 stellt infolge dessen ein Messsignal 6 bereit, welches zumindest zu Teilen zu dem an dem Objekt 7 reflektierten Anteilen des Lichts der ersten und der zweiten Wellenlänge R1, R2 korrespondiert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die erste und die zweite Lichtquelle 3.1, 3.2 jeweils mit einem sinus- oder cosinusförmigen Signal mit jeweils einer unterschiedlichen Frequenz betrieben. Das von den beiden Lichtquellen 3.1, 3.2 ausgegebene Licht, bzw. optisches Trägersignal wird entsprechend amplitudenmoduliert, wobei sich die Modulationsfrequenz des optischen Trägersignals der ersten Lichtquelle 3.1 von der Modulationsfrequenz des optischen Trägersignals der zweiten Lichtquelle 3.2 unterscheidet. Insbesondere unterscheiden sich die beiden Modulationsfrequenzen derart, dass sie eine unterschiedliche Amplitude und/oder Frequenz aufweisen sodass sich die die beiden Modulationsfrequenzen nicht überlappen.
Das von dem Detektor 5 bereitgestellte Messsignal 6 umfasst entsprechend eine erste Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor 5 detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge und der ersten Modulationsfrequenz, und eine zweite Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor 5 detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge und der zweiten Modulationsfrequenz. Ferner kann das Messsignal 6 eine dritte Komponente korrespondierend zu einem Rauschen und eine vierte Komponente korrespondierend zu einem Gleichspannungswert umfassen. Das Rauschen kann dabei durch Effekte des Detektors 5 selbst, beispielsweise in Form eines Dunkelstroms, resultieren und der Gleichspannungswert kann beispielsweise aus einer Vorspannung des Detektors 5 zur Erhöhung der Sensitivität des Detektors 5, oder eines auf den Detektor 5 einfallenden Umgebungslichts resultieren.
Die Sensorvorrichtung 1 umfasst zusätzlich dazu eine Auswerteeinheit 9, die dazu ausgebildet ist aus dem bereitgestellten Messsignal 6 und der Länge der Messstrecke 4 die Konzentration des Stoffes 2 entlang der Messstrecke 4 zu bestimmen. Dazu umfasst die Auswerteeinheit 9 einen ersten Bandpassfilter 11.1, der die erste Komponente passieren lässt, und einen zweiten Bandpassfilter 11.2, der die zweite Komponente passieren lässt. Mittels der beiden Bandpassfilter wird das von dem Detektor 5 bereitgestellte Messsignal 6 beispielsweise bei den Mittenfrequenzen bzw. Modulationsfrequenzen der ersten und der weiten Komponente gefiltert. Dadurch können zum einen die erste und die zweite Komponente in zwei einzelne Messsignale 6.1, 6.2 aufgeteilt werden und zum anderen ein Rauschanteil des Messsignales 6 herausgefiltert werden.
Zur weiteren Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis werden die zwei einzelnen Messsignale 6.1, 6.2 mittels jeweils einer Vorrichtung zur Signalmittelung 12 gemittelt. Dadurch kann der Einfluss der dritten Komponente, also der Rauschpegel, reduziert werden und die erste und die zweite Komponente weiter isoliert werden.
Die Auswerteeinheit 9 umfasst ferner zwei Verstärker 13, die die zwei einzelnen Messsignale 6.1, 6.2 verstärken und jeweils eine Vorrichtung 14, um für die zwei einzelnen Messsignale 6.1, 6.2 jeweils einen RMS-Wert für die erste und die zweite Komponente zu ermitteln. Das Verhältnis dieser von den beiden Vorrichtungen 14 ausgegebenen RMS-Werte 15.1, 15.2 dient dann als Maß für die Bestimmung der Konzentration 16 des zu untersuchenden Stoffes 2 entlang der Messstrecke 4.
Zur Bestimmung der Länge der Messstrecke 4 umfasst die Sensorvorrichtung zusätzlich eine hier nicht dargestellte Messvorrichtung zum Erfassen einer Entfernung D zwischen der Sensorvorrichtung 1 und dem Objekt 7 und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Länge der Messstrecke 4 aus der erfassten Entfernung D.
2 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1, die sich von der Sensorvorrichtung der 1 dadurch unterscheidet, dass die Auswerteeinheit 9 ferner dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines zusätzlichen Referenzsignals 10 die Konzentration des zu untersuchenden Stoffes 2 entlang der Messstrecke 4 zu bestimmen. Das zusätzliche Referenzsignal 10 kann beispielsweise einer Detektion von Licht der ersten und zweiten Wellenlänge L1, L2 durch den Detektor 5 unter kontrollierten Bedingungen entsprechen, bzw. kann das zusätzliche Referenzsignal der Summe des sinus- oder cosinusförmigen Signals zum Betreiben der zwei Lichtquellen 3.1, 3.2 entsprechen. Die Auswerteeinheit 9 ist dazu ausgebildet, die Differenz zwischen den in den Frequenzbereich transformierten Referenzsignal 10 und den von dem Detektor bereitgestellten Messsignal 6 zu bilden. Insofern umfasst die Auswerteeinheit 9 auch ein Modul zur schnellen Fourier Transformation (FFT). Die Differenz umfasst entsprechend zumindest einen ersten Anteil 6.1 der ersten und zumindest einen zweiten Anteil 6.2 der zweiten Komponente. Diese beiden Anteile 6.1, 6.2 können wie bereits für das im obigen beschriebenen Ausführungsbeispiel als Maß für die Bestimmung der Konzentration des zu untersuchenden Stoffes 2 entlang der Messstrecke 4 dienen.
3 zeigt die atmosphärische Transmission in % als Funktion der Wellenlänge in µm im UV-, sichtbaren und IR-Bereich. Unter den dargestellten molekularen Absorbern ist Wasser (H₂O) der dominierende. Aus der Figur lassen sich beispielsweise Wellenlängenbereiche entnehmen, bei denen eine hohe Transmission durch ein bestimmtes Molekül und eine hohe Absorption von demselben Molekül nahe beieinanderliegen. Im Falle von CO₂ Molekülen liegt eine hohe Transmission durch die CO₂ Moleküle und eine hohe Absorption von den CO₂ Molekülen in einem Wellenlängenbereich von 3,8 µm bis 4,4 µm nahe beieinander. Insbesondere tritt eine hohe Transmission in einem Bereich von 3,8 µm bis 4,0 µm auf und eine hohe Absorption in einem Bereich von 4,2 µm bis 4,4 µm. Selbiges tritt im Falle von CO₂ Molekülen in dem Wellenlängenbereich von 2,2 bis 2,7 µm auf. Eine hohe Transmission durch die CO₂ Moleküle tritt dabei in einem Bereich von 2,2 µm bis 2,4 µm auf und eine hohe Absorption tritt in einem Bereich von 2,5 µm bis 2,7 µm auf. Im Falle von Wassermolekülen liegt eine hohe Transmission durch die Wassermoleküle im Bereich von 4,5 µm bis 5 µm bzw. zwischen 8 µm und 9 µm. Eine hohe Absorption von Wassermolekülen liegt hingegen in einem Bereich zwischen 5,5 µm und 7,5 µm.
4A und 4B zeigen ein tragbares elektronisches Gerät 18 umfassend eine Sensorvorrichtung 1. In 4A ist die Messvorrichtung 8 zum Erfassen der Entfernung D zwischen der Sensorvorrichtung 1 und dem Objekt 7 dargestellt. Die Messvorrichtung 8 umfasst eine Kamera 17 und eine weitere Lichtquelle 3.3. Die Komponenten der Sensorvorrichtung 1, insbesondre die Kamera 17, die erste und/oder zweite und oder weitere Lichtquelle, und/oder der Detektor können beispielsweise durch bereits vorhandene Komponenten des tragbaren elektronischen Geräts 18 gebildet werden.
4B zeigt die Verwendung eines tragbare elektronischen Geräts 18 umfassend eine Sensorvorrichtung 1 zur Bestimmung der Konzentration des Stoffes 2 entlang der Messtrecke. Das tragbare elektronische Gerät 18 kann beispielsweise eine Anzeige umfassen, auf der dem Benutzer des tragbaren elektronischen Geräts 18 eine Rückmeldung gegeben wird, ob er das tragbare elektronische Gerät 18 korrekt verwendet, um die Konzentration des Stoffes 2 entlang der Messtrecke zu bestimmen. Beispielsweise kann dem Benutzer eine Rückmeldung über die Anzeige gegeben werden, ob er die Sensorvorrichtung nahe genug, oder zu nahe vor dem Objekt positioniert hat. Ferner kann dem Benutzer eine Rückmeldung über die Anzeige gegeben werden, ob er die Sensorvorrichtung in einem falschen Winkel zu dem Objekt positioniert hat. Dies ist in der Figur exemplarisch durch die beiden Pfeile gekennzeichnet. Zusätzlich dazu kann dem Benutzer über die Anzeige die Konzentration des Stoffes 2 entlang der Messtrecke in Form eines Wertes, beispielsweise in Form eines Wertes mit der Einheit ppm angegeben werden. Exemplarisch ist dies in der Figur durch den Wert 630 ppm auf der Anzeige des tragbaren elektronischen Geräts 18 dargestellt. Der Wert mit der Einheit ppm (englisch: parts per million, abgekürzt ppm, wörtlich übersetzt „Anteile pro Million“) kann den Anteil des Stoffes in der die Sensorvorrichtung umgebende Atmosphäre wiedergeben. 10.000ppm kann dabei insbesondere 1% entsprechen.
5A und 5B zeigen eine Seitenansicht einer Sensorvorrichtung 1 und eines Objekts 7 auf das die Sensorvorrichtung 1 Licht emittiert und eine Draufsicht auf das Objekt 7. Die Sensorvorrichtung der 5A entspricht im Wesentlichen der Sensorvorrichtung der 4A. In der Figur sind die von der ersten Lichtquelle 3.1, der zweiten Lichtquelle 3.2, und der weiteren Lichtquelle 3.3 emittierten Lichtstrahlen L1, L2, L3 auf das Objekt 7 dargestellt. Die von den Lichtquellen emittieren Lichtstrahlen L1, L2, L3 breiten sich Kegelförmig in Richtung des Objektes 7 aus.
Die weitere Lichtquelle 3.3 ist dazu ausgebildet Licht L3 im sichtbaren oder infraroten Bereich auf das Objekt 7 zu emittieren, und die Kamera 17 ist dazu ausgebildet einen von der weiteren Lichtquelle 3.3 auf das Objekt 7 projizierten Lichtpunkt P zu erfassen.
Vor der weiteren Lichtquelle 3.3 kann eine hier nicht dargestellte Blende angeordnet sein, die eine definierte Öffnungsweite aufweist. Dadurch ergibt sich auf dem Objekt der in 5B dargestellte Lichtpunkt P. Mittels der definierten Öffnungsweite und einer geometrischen Größe wie beispielsweise dem Durchmesser oder dem Radius des erfassten Lichtpunktes P kann die Entfernung D zwischen der Sensorvorrichtung 1 und dem Objekt 7 ermittelt werden. Mittels der Entfernung D und den geometrischen Zusammenhängen zwischen der Kamera, den Lichtquellen und dem Detektor kann dann die Länge der Messtrecke ermittelt werden. Eine weitere Methode zur Entfernungsmessung basiert beispielsweise auf der Triangulation eines strukturierten Lichts (englisch: Triangulation based structured light ranging).
Bezugszeichenliste

1: Sensorvorrichtung
2: zu bestimmender Stoff
3.1: erste Lichtquelle
3.2: zweite Lichtquelle
3.3: weitere Lichtquelle
4: Messtrecke
5: Detektor
6: Messsignal
6.1, 6.2: einzelnen Messsignale
7: Objekt
8: Messvorrichtung
9: Auswerteeinheit
10: Referenzsignal
11.1: erster Bandpassfilter
11.2: zweiter Bandpassfilter
12: Vorrichtung zur Signalmittelung
13: Verstärker
14: Vorrichtung
15.1, 15.2: RMS-Werte
16: Konzentrationswert
17: Kamera
18: tragbare elektronisches Gerät
L1: Licht mit erster Wellenlänge
L2: Licht mit zweiter Wellenlänge
L3: Licht der weiteren Lichtquelle
R1: reflektierter Anteil des Licht mit erster Wellenlänge
R2: reflektierter Anteil des Licht mit zweiter Wellenlänge
D: Entfernung
P: Lichtpunkt

Claims

Eine Sensorvorrichtung (1) zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes (2), insbesondere von CO2, umfassend: - mindestens eine erste Lichtquelle (3.1), die dazu ausgebildet ist Licht einer ersten Wellenlänge (L1), insbesondere einer Referenzwellenlänge, entlang einer Messstrecke (4) auszusenden; - mindestens eine zweite Lichtquelle (3.2), die dazu ausgebildet ist Licht einer zweiten Wellenlänge (L2), insbesondere einer Messwellenlänge, entlang der Messstrecke (4) auszusenden; - mindestens ein Detektor (5), insbesondere Photodetektor, der ausgebildet ist, ein Messsignal (6) korrespondierend zu an einem in der Messstrecke angeordneten Objekt (7) reflektierten Anteil des Lichts der ersten und der zweiten Wellenlänge (R1, R2) bereitzustellen; - eine Messvorrichtung (8) zum Erfassen einer Entfernung (D) zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7); und - eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Länge der Messstrecke (4) aus der erfassten Entfernung.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die erste und die zweite Wellenlänge voneinander unterscheiden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Wellenlänge im Bereich von 100nm bis 1µm, insbesondere im Bereich von 200 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 400 nm bis 800 nm liegt.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Lichtquelle (3.1) und die mindestens eine zweite Lichtquelle (3.2) dazu ausgebildet sind Licht im infraroten Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge in einem Bereich zwischen 3 µm und 5,5 µm, zu emittieren, wobei die mindestens eine erste Lichtquelle (3.1) insbesondere dazu ausgebildet ist Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 3,8 µm bis 4 µm zu emittieren, und die mindestens eine zweite Lichtquelle (3.2) insbesondere dazu ausgebildet ist Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 4,2 µm bis 4,4 µm zu emittieren.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Auswerteeinheit (9), die ausgebildet ist, aus dem bereitgestellten Messsignal (6) und der ermittelten Länge der Messstrecke (4) die Konzentration des Stoffes (2) entlang der Messstrecke (4) zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Auswerteeinheit (9) ferner ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines zusätzlichen Referenzsignals (10), welches einer Detektion von Licht der ersten und zweiten Wellenlänge durch den Detektor (5) unter kontrollierten Bedingungen entspricht, die Konzentration des Stoffes (2) entlang der Messstrecke (4) zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von dem Detektor bereitgestellte Messsignal (6) eine erste Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der ersten Wellenlänge (R1) und eine zweite Komponente korrespondierend zu dem von dem Detektor detektierten Lichtanteil mit der zweiten Wellenlänge (R2) umfasst, und wobei insbesondere das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente als Maß des Stoffes (2) entlang der Messstrecke (4) dient.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente im Wesentlichen 1 ergibt, wenn der Stoff (2) entlang der Messstrecke (4) nicht vorhanden ist, und wobei das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente einen Wert größer als 1 ergibt, wenn der Stoff (2) entlang der Messstrecke (4) vorhanden ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Auswerteeinheit einen ersten Bandpassfilter (11.1), der die erste Komponente passieren lässt, und einen zweiten Bandpassfilter (11.2), der die zweite Komponente passieren lässt, umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine Detektor (5) wenigstens zwei sensitive Bereiche umfasst, und wobei ein erster sensitiver Bereich ausgebildet ist Licht mit der ersten Wellenlänge (L1) zu detektieren und ein zweiter sensitiver Bereich ausgebildet ist Licht mit der zweiten Wellenlänge (L2) zu detektieren.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, wobei jeweils ein Wellenlängenfilter vor dem ersten und dem zweiten sensitiven Bereich angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine erste Lichtquelle (3.1), die mindestens eine zweite Lichtquelle (3.2) und der mindestens eine Detektor (5) in einer Ebene liegen, und insbesondere die Messvorrichtung (8) zum Erfassen der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) in derselben Ebene angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (8) zum Erfassen der Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) eine Kamera (17) und eine weitere Lichtquelle (3.3) umfasst, wobei die Kamera (17) zu einem Erfassen eines von der weiteren Lichtquelle (3.3) auf das Objekt (7) projizierten Lichtpunkts (P) ausgeführt ist, und die Messvorrichtung (8) ausgeführt ist, auf Basis einer geometrischen Größe des erfassten Lichtpunktes (P), die Entfernung (D) zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Messvorrichtung (8) ausgeführt ist, die Entfernung zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) mittels einer Lichtlaufzeitmessung, insbesondere mittels einer LIDAR Entfernungsmessung durchzuführen.
Tragbares elektronisches Gerät (18), insbesondere Smartphone, umfassend eine Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Konzentrationsbestimmung eines Stoffes (2), insbesondere von CO2, entlang einer Messstrecke (4) zwischen einer Sensorvorrichtung (1) und einem Objekt (7) umfassend die Schritte: Aussenden von Licht einer Referenzwellenlänge (L1) entlang der Messstrecke (4); Detektieren eines Lichtanteils der Referenzwellenlänge (R1), der von dem Objekt (7) reflektiert wird; Aussenden von Licht einer Messwellenlänge (L2) entlang der Messstrecke (4); Detektieren eines Lichtanteils der Messwellenlänge (R2), der von dem Objekt reflektiert wird; Bereitstellen eines Messsignals (6) aus den detektierten Lichtanteilen der Referenz- und Messwellenlänge (R1, R2); Erfassen einer Entfernung (D) zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7); Ermitteln einer Länge der Messstrecke (4) aus der erfassten Entfernung (D); und Bestimmen der Konzentration des Stoffes (2) in der Messtrecke (4) aus dem Messsignal (6) und der ermittelten Länge.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Licht der Referenzwellenlänge (L1) und das Licht der Messwellenlänge (L2) amplitudenmoduliert sind, und sich optional die jeweiligen Modulationsfrequenzen entweder in der Frequenz oder Phase unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei sich die Referenz- und die Messwellenlänge voneinander unterscheiden, und wobei ein Unterschied zwischen der Referenz- und der Messwellenlänge im Bereich von 200 nm bis 500 nm, insbesondere im Bereich von 400 nm bis 800 nm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Referenz- und die Messwellenlänge im infraroten, insbesondere nahinfraroten, Bereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 3 µm und 5,5 µm liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messsignals (6) umfasst: Erzeugen eines Verhältnisses aus einer ersten Komponente des Messsignals (6) korrespondierend zu dem von dem Objekt reflektierten Lichtanteil mit der Referenzwellenlänge (R1) und einer zweiten Komponente des Messsignals korrespondierend zu dem von dem Objekt reflektierten Lichtanteil mit der Messwellenlänge (R2).
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente im Wesentlichen 1 ergibt, wenn der Stoff (2) entlang der Messtrecke (4) nicht vorhanden ist, und wobei das Verhältnis der zweiten Komponente zur ersten Komponente einen Wert größer als 1 ergibt, wenn der Stoff (2) entlang der Messtrecke (4) vorhanden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, weiter umfassend: Bereitstellen eines zusätzlichen Referenzsignals (10), welches ein von dem Detektor (5) detektiertes Messsignal von Licht der Referenz- und Messwellenlänge unter kontrollierten Bedingungen darstellt, um die Konzentration des Stoffes (2) entlang der Messstrecke (4) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 22, weiter umfassend: Bilden einer Differenz aus dem Messsignal (6) und dem zusätzlichen Referenzsignal (10), wobei die Differenz als Maß zur Bestimmung der Konzentration des Stoffes (2) entlang der Messtrecke (4) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem der Schritt des Erfassens der Entfernung (D) zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) umfasst: Bestimmen einer geometrischen Größe eines Lichtpunktes (P) auf dem Objekt (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, bei dem der Schritt des Erfassens der Entfernung (D) zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7) umfasst: Bestimmen einer Lichtlaufzeit zwischen der Sensorvorrichtung (1) und dem Objekt (7), insbesondere mittels einer LIDAR Entfernungsmessung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Messsignals (6) umfasst: Filtern der an dem Objekt (7) reflektiert Lichtanteile der Referenz- und Messwellenlänge (R1, R2), und/oder Filtern der ersten und zweiten Komponente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, bei dem der Schritt des Aussendens von Licht der Referenzwellenlänge (L1) während eines ersten Zeitraums erfolgt und der Schritt des Aussendens von Licht der Messwellenlänge (L2) während eines zweiten, zum ersten unterschiedlichen, Zeitraums erfolgt.