JP2012002757A - Infrared ray-absorbing type sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、赤外線吸収式センサに関する。特に、内燃機関のEGRガスの流量制御に適した赤外線吸収式センサに関する。 The present invention relates to an infrared absorption sensor. In particular, the present invention relates to an infrared absorption sensor suitable for controlling the flow rate of EGR gas in an internal combustion engine.
内燃機関のNOx発生量を低減したり燃費性能を向上したりするために、排気の一部をEGRガスとして吸気に還流する技術が知られている。ここで、EGRガスの流量の制御では、排気中のCO2濃度を検出するCO2センサが用いられる場合がある。 In order to reduce the amount of NOx generated in an internal combustion engine or improve fuel efficiency, a technique for recirculating a part of the exhaust gas to the intake air as EGR gas is known. Here, in the control of the flow rate of the EGR gas, a CO 2 sensor that detects the CO 2 concentration in the exhaust gas may be used.
図11は、従来の赤外線吸収式のCO2センサ100の構成を示す模式図である。
所謂赤外線吸収式のCO2センサ100では、赤外線光を対象ガスに照射するとともに、CO2分子の振動モードである4.2μm帯の吸収スペクトルを測定することにより、対象ガス中のCO2濃度を測定する。より具体的には、赤外線吸収式のCO2センサ100では、変調周波数fmで強度変調した赤外線光を、光源101から光学フィルタ102を介して対象ガスGへ照射し、この対象ガスを通過した赤外線光を検出装置103で検出する。検出装置103から出力された微小な検出信号は、増幅器104で増幅し、同期検波装置105で同期検波された後に、所望の出力信号として取り出される。
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional infrared absorption CO 2 sensor 100.
The so-called infrared absorption CO 2 sensor 100 irradiates the target gas with infrared light and measures the absorption spectrum in the 4.2 μm band, which is the vibration mode of the CO 2 molecule, to thereby reduce the CO 2 concentration in the target gas. taking measurement. More specifically, in the infrared absorption CO 2 sensor 100, infrared light that has been intensity-modulated at a modulation frequency fm is irradiated from the
光源101から照射され、対象ガスGを通過した4.2μm帯の赤外線光の光量は、対象ガスG中のCO2濃度に応じて変化する。検出装置103では、対象ガスGの透過光をボロメータB1,B2で受光することで、対象ガス中のCO2濃度に応じた赤外線光の光量の変化を、ボロメータB1,B2の抵抗値の変化として検出する。このように、対象ガスG中のCO2濃度をボロメータB1,B2の抵抗値の変化として検出する検出装置103としては、図11に示すように、ボロメータB1,B2と固定抵抗R1,R2とを要素としたブリッジ回路で構成される(特許文献1参照)。
The amount of infrared light in the 4.2 μm band irradiated from the
また、同期検波装置105としては、図11に示すように、増幅信号から交流成分を取り出すハイパスフィルタ106と、ハイパスフィルタ106を通過した信号に変調周波数fmと等しい周波数の参照信号を乗算する乗算器107と、参照信号が乗算された信号から不要な交流成分を取り除くローパスフィルタ108と、を組み合わせて構成される。この、ローパスフィルタ108には、バターワースフィルタ、ベッセルフィルタ、チェビシェフフィルタおよびFIRフィルタ、又はこれらを組み合わせたフィルタ(特許文献2参照)等が用いられる。
As shown in FIG. 11, the
ところで、上述のような赤外線吸収式CO2センサの出力に基づいてEGRガスの流量を制御するには、CO2センサには高い応答性が要求される。ここで、CO2センサの応答性と上記ローパスフィルタ108の特性との関係について、図12を参照して検討する。
By the way, in order to control the flow rate of the EGR gas based on the output of the infrared absorption CO 2 sensor as described above, the CO 2 sensor is required to have high responsiveness. Here, the relationship between the responsiveness of the CO 2 sensor and the characteristics of the low-
図12は、出力信号のステップ応答、すなわち増幅器の出力を時刻t=0においてステップ状に与えたときにおける出力信号の挙動を示す図である。なお、図12には、ローパスフィルタとして3次のバターワースフィルタを用いた例を示す。また、図12には、変調周波数fmを30[Hz]に固定しながら、カットオフ周波数fcを、0.2/0.5/1.0/2.0/5.0[Hz]に変化させた場合を示す。
図12に示すように、カットオフ周波数fcを高くすると、出力電圧が整定するまでにかかる時間、すなわち整定時間が短くなる。この整定時間は、上記センサに要求される応答性を示す目安となるものである。したがって、センサの応答性を向上するべく、この整定時間を短くするためには、一般的にはローパスフィルタのカットオフ周波数fcを十分に高くする必要がある。
FIG. 12 is a diagram showing the step response of the output signal, that is, the behavior of the output signal when the output of the amplifier is given in a step shape at time t = 0. FIG. 12 shows an example in which a third-order Butterworth filter is used as the low-pass filter. In FIG. 12, the cutoff frequency fc is changed to 0.2 / 0.5 / 1.0 / 2.0 / 5.0 [Hz] while the modulation frequency fm is fixed to 30 [Hz]. The case where it was made to show.
As shown in FIG. 12, when the cut-off frequency fc is increased, the time required for the output voltage to settle, that is, the settling time is shortened. This settling time serves as a standard indicating the response required for the sensor. Therefore, in order to shorten the settling time in order to improve the response of the sensor, it is generally necessary to sufficiently increase the cut-off frequency fc of the low-pass filter.
しかしながら、EGRガスの流量制御において実際にセンサに要求される応答性(例えば、整定時間で約100ms以下)が達成されるように、カットオフ周波数を例えば5.0[Hz]にすると、図12に示すように、変調に伴う変調周波数fmおよびその整数倍の周波数のリプルが除去しきれずに出力信号に重畳してしまう。このような課題を解決するためには、カットオフ周波数fcとともに変調周波数fmも高くすることが考えられるが、上述のようにボロメータを検出素子とした場合、十分な感度を確保するためには変調周波数fmを、約10〜30[Hz]程度に留めておかねばならない。このため、カットオフ周波数fcも上記変調周波数fmの制限内に応じた値より小さくしておかねばならず、したがって単にカットオフ周波数fcを調整するだけで応答性を向上するには限界がある。 However, when the cutoff frequency is set to 5.0 [Hz], for example, in order to achieve the response required for the sensor in the EGR gas flow rate control (for example, about 100 ms or less in the settling time), FIG. As shown in FIG. 4, the modulation frequency fm accompanying the modulation and the ripple having a frequency that is an integral multiple of the modulation frequency fm cannot be removed and are superimposed on the output signal. In order to solve such a problem, it is conceivable to increase the modulation frequency fm as well as the cut-off frequency fc. However, in the case where the bolometer is used as a detection element as described above, the modulation is required to ensure sufficient sensitivity. It is necessary to keep the frequency fm at about 10 to 30 [Hz]. For this reason, the cut-off frequency fc must also be smaller than a value corresponding to the limit of the modulation frequency fm. Therefore, there is a limit to improving the response by simply adjusting the cut-off frequency fc.
なお、単に応答性を向上するためだけであれば、上述のようなボロメータを検出素子とした赤外線吸収式のセンサではなく、高速検出可能な半導体式のセンサを用いることも考えられるが、この場合、車載のセンサとしてはコストが大きく増加するおそれがある。 For the purpose of simply improving responsiveness, it is possible to use a semiconductor sensor capable of high-speed detection instead of an infrared absorption sensor using the bolometer as described above as a detection element. As a vehicle-mounted sensor, the cost may increase significantly.
本発明は、応答性の高い赤外線吸収式センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an infrared absorption sensor with high responsiveness.
上記目的を達成するため本発明は、変調周波数fmで強度変調された赤外線光を対象ガス(例えば、後述の対象ガスG)に照射する照射手段(例えば、後述の光源10および光源駆動装置20)と、対象ガスを透過した赤外線光をボロメータ(例えば、後述のボロメータB1,B2)で受光するとともに当該ボロメータの抵抗値の変化を検出する検出手段(例えば、後述の検出装置40)と、を備え、前記検出手段から出力された信号に基づいて対象ガス中の特定成分(例えば、後述のCO2)の濃度を測定する赤外線吸収式センサ(例えば、後述の赤外線吸収式CO2センサ1)を提供する。前記赤外線吸収式センサは、前記検出手段から出力された信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅手段(例えば、後述の差動増幅器50)と、前記増幅信号を同期検波する同期検波手段(例えば、後述の同期検波装置60)と、を備える。前記同期検波手段は、前記増幅信号に前記変調周波数fmと等しい周波数の参照信号を乗算し検波信号を出力する乗算手段(例えば、後述の乗算器62C,62S)と、前記検波信号から高周波数成分を減衰させるベッセルフィルタ(例えば、後述のLPF64C,64S)と、サンプリング周波数fsの下でサンプリングされた信号を処理する次数nのFIRフィルタ(例えば、後述の同期FIRフィルタ67)と、を備える。前記FIRフィルタの次数nと、前記変調周波数fmと、前記サンプリング周波数fsとの間には、次式、n/fs=1/fm、が成立する。
In order to achieve the above object, the present invention provides an irradiation means (for example, a
この発明によれば、検出手段から出力され、増幅手段により増幅された信号は、乗算手段により変調周波数fmの参照信号が乗算された後、ベッセルフィルタと次数nのFIRフィルタにより不要な交流成分が除去される。ここで、サンプリング周波数fsの下でサンプリングされた信号に対する次数nのFIRフィルタには、fs/nの周波数ごとに周期的にゲインがゼロに落ち込む特性があり、一方、検波信号には、変調周波数fmおよびその整数倍のリプルが含まれている。したがって、FIRフィルタの次数nと、変調周波数fmと、サンプリング周波数fsとの間に、次式、n/fs=1/fm、が成立する場合、FIRフィルタにより検波信号に含まれるリプルを効率的に除去することができる。また、このようにFIRフィルタでリプルを除去することにより、ベッセルフィルタでは過剰にリプルを除去するように設定する必要がなくなるので、そのカットオフ周波数を高くし、応答性を向上することができる。また、以上のように、ベッセルフィルタとFIRフィルタとを組み合わせることにより、変調周波数fmよりも小さなドリフト成分を残しながらリプルを十分に除去することができるので、対象ガス中の実際の濃度の変化に追従して測定することができる。 According to this invention, the signal output from the detecting means and amplified by the amplifying means is multiplied by the reference signal having the modulation frequency fm by the multiplying means, and then an unnecessary AC component is generated by the Bessel filter and the FIR filter of order n. Removed. Here, the FIR filter of order n with respect to the signal sampled under the sampling frequency fs has a characteristic that the gain periodically drops to zero for each frequency of fs / n, while the detection signal has a modulation frequency. The ripple of fm and its integral multiple is included. Therefore, when the following equation, n / fs = 1 / fm, holds between the order n of the FIR filter, the modulation frequency fm, and the sampling frequency fs, the ripple contained in the detection signal is efficiently processed by the FIR filter. Can be removed. Further, by removing ripples with the FIR filter in this way, it is not necessary to set the Bessel filter so as to remove ripples excessively, so that the cutoff frequency can be increased and the responsiveness can be improved. In addition, as described above, by combining the Bessel filter and the FIR filter, ripples can be sufficiently removed while leaving a drift component smaller than the modulation frequency fm, so that the actual concentration in the target gas can be changed. It can follow and measure.
ところで、上述のような赤外線吸収式センサを車両に搭載した場合、このセンサと車両に搭載した他の機器との間で協調する必要が生じるため、上記サンプリング周波数fsの設定の自由度が低くなる。本発明によれば、サンプリング周波数fsが予め定められている場合であっても、次式、n/fs=1/fm、が成立するように、FIRフィルタの次数nおよび変調周波数fmを調整することにより、上記効果を損なうことなく、車両に搭載することができる。 By the way, when an infrared absorption sensor as described above is mounted on a vehicle, it is necessary to cooperate between this sensor and another device mounted on the vehicle, so the degree of freedom in setting the sampling frequency fs is reduced. . According to the present invention, even when the sampling frequency fs is determined in advance, the order n of the FIR filter and the modulation frequency fm are adjusted so that the following expression, n / fs = 1 / fm is established. Thus, it can be mounted on a vehicle without impairing the above effect.
この場合、前記照射手段の光源から前記ボロメータに至る光路には、4.2μm帯の赤外線光を通過させる光学フィルタ(例えば、後述の光学フィルタ30)が設けられていることが好ましい。
In this case, it is preferable that an optical filter (for example, an
この発明によれば、CO2分子の振動モードである4.2μm帯の赤外線光を通過させる光学フィルタを光源からボロメータに至る光路に設けたので、対象ガス中のCO2の濃度を効率的に検出することができる。 According to the present invention, since the optical filter that passes infrared light in the 4.2 μm band, which is the vibration mode of the CO 2 molecule, is provided in the optical path from the light source to the bolometer, the concentration of CO 2 in the target gas can be efficiently reduced. Can be detected.
この場合、前記ベッセルフィルタのカットオフ周波数fcと、前記変調周波数fmとの間には、次式、fc=fm/2が成立することが好ましい。 In this case, it is preferable that the following expression, fc = fm / 2, holds between the cutoff frequency fc of the Bessel filter and the modulation frequency fm.
この発明によれば、ベッセルフィルタにおけるカットオフ周波数fcを変調周波数fmの半分の値に設定することにより、高い応答性を確保しながら、変調に伴って発生する不要なリプルを効率的に低減することができる。 According to the present invention, by setting the cut-off frequency fc in the Bessel filter to a half value of the modulation frequency fm, it is possible to efficiently reduce unnecessary ripples accompanying modulation while ensuring high response. be able to.
この場合、前記ベッセルフィルタの次数は3であることが好ましい。 In this case, the order of the Bessel filter is preferably 3.
この発明では、検波信号の高周波数成分を3次のベッセルフィルタと、上記FIRフィルタとを組み合わせて用いることにより、より効率的にリプルを除去しながら、その応答性を向上することができる。 In the present invention, by using the high-frequency component of the detection signal in combination with the third-order Bessel filter and the FIR filter, the response can be improved while removing the ripple more efficiently.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る赤外線吸収式CO2センサ1の構成を示す模式図である。
赤外線吸収式CO2センサ1は、対象ガスGに赤外線光を放射する光源10と、この光源10を駆動する光源駆動装置20と、対象ガスGの透過光を検出する検出装置40と、検出信号を増幅する差動増幅器50と、増幅信号を同期検波する同期検波装置60と、を含んで構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of an infrared absorption CO 2 sensor 1 according to the present embodiment.
The infrared absorption CO 2 sensor 1 includes a
光源10は、4.2μm付近を中心としたスペクトル分布を有する赤外線光を放射する赤外線光源である。光源駆動装置20は、この光源10をパルス駆動し、変調周波数fmで強度変調した赤外線光を、検出対象となる対象ガスGに照射する。赤外光源10から検出装置40の後述のボロメータB1,B2に至る光路のうち、赤外光源10と対象ガスGとの間には、CO2分子の振動モードに対応する4.2μm付近に窓を有する光学フィルタ30が設けられている。なお、上記変調周波数fmは、ボロメータB1,B2の感度に応じた値に設定される。本実施形態では、ボロメータB1,B2の感度上限に応じた値として、変調周波数fmを30[Hz]に設定するが、これに限るものではない。
The
検出装置40は、2つのボロメータB1,B2並びに2つの固定抵抗R1,R2のそれぞれを抵抗要素としてブリッジ回路を組むことにより構成される。すなわち、検出装置40は、対象ガスGを透過した赤外線光をボロメータB1,B2で受光するとともに、これらボロメータB1,B2の抵抗値を、出力端o1,o2間の電位差の変化として検出する。差動増幅器50は、検出装置40により検出された微小な検出信号を、例えば千倍程度に増幅する。
The
すなわち、対象ガスG中のCO2濃度が低い場合、ボロメータB1,B2に到達する光量が大きくなるためボロメータB1,B2の抵抗値の上昇は大きくなる。これに対し、CO2濃度が高い場合、ボロメータB1,B2に到達する光量が小さくなるためボロメータB1,B2の抵抗値の上昇は小さくなる。赤外線吸収式CO2センサ1では、検出装置40によりボロメータB1,B2の抵抗値の変化を検出し、この検出信号に基づいて対象ガスG中のCO2の濃度を測定する。
That is, when the CO 2 concentration in the target gas G is low, the amount of light reaching the bolometers B1 and B2 increases, so that the resistance value of the bolometers B1 and B2 increases. On the other hand, when the CO 2 concentration is high, the amount of light reaching the bolometers B1 and B2 is small, so that the increase in resistance values of the bolometers B1 and B2 is small. In the infrared absorption CO 2 sensor 1, the
図2は、同期検波装置60の構成を示すブロック図である。
同期検波装置60は、ハイパスフィルタ(以下、「HPF」という)61と、乗算器62C,62Sと、cos発振器63Cと、sin発振器63Sと、ローパスフィルタ(以下、「LPF」という)64C,64Sと、ベクトル演算部65と、A/D変換器66と、同期FIRフィルタ67と、を備える。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the
The
HPF61は、差動増幅器50により増幅された信号から交流成分を取り出す。cos発振器63Cは、変調周波数fmと等しい周波数の参照信号を出力し、sin発振器63Sは、cos発振器63Cが出力する参照信号に対しπ/2位相が異なる参照信号を出力する。乗算器62Cは、HPF61を通過した信号に、cos発振器63Cから出力された参照信号を乗算し、検波信号のcos成分VC´をLPF64Cに出力する。乗算器62Sは、HPF61を通過した信号に、sin発振器63Sから出力された参照信号を乗算し、検波信号のsin成分VS´をLPF64Sに出力する。
The
LPF64C,64Sは、それぞれ、検波信号の各成分VC´,VS´の高周波数成分を減衰する。これらLPF64C,64Sには、ベッセルフィルタが用いられる。中でも、3次のベッセルフィルタが特に好ましい。また、LPF64C,64Sとして3次のベッセルフィルタを用いた場合、そのカットオフ周波数fcは、変調周波数fmに対し、下記式(1)が成立するように設定することが好ましい。
fc=fm/2 (1)
The
fc = fm / 2 (1)
図3は、LPFとして3次のベッセルフィルタを用いた場合における、LPFの出力信号のステップ応答を示す図である。図3には、カットオフ周波数fcを、0.6/1.5/3.0/6.0/15.0[Hz]に変化させた場合を示す。図3に示すように、カットオフ周波数fcを変調周波数fm(=30[Hz])に近づけると、出力信号の整定時間が短くなる。また、上述の図12と比較しても分かるように、LPFとして3次のベッセルフィルタを用いることにより、3次のバターワースフィルタを用いた場合と比較して、出力信号の整定時間を短くしながらオーバーシュートも抑制できる。 FIG. 3 is a diagram showing a step response of the output signal of the LPF when a third-order Bessel filter is used as the LPF. FIG. 3 shows a case where the cutoff frequency fc is changed to 0.6 / 1.5 / 3.0 / 6.0 / 15.0 [Hz]. As shown in FIG. 3, when the cutoff frequency fc is brought close to the modulation frequency fm (= 30 [Hz]), the settling time of the output signal is shortened. Further, as can be seen from comparison with FIG. 12 described above, by using a third-order Bessel filter as the LPF, the settling time of the output signal is shortened compared to the case where a third-order Butterworth filter is used. Overshoot can also be suppressed.
図4は、LPFの出力信号の整定時間とカットオフ周波数fcとの関係を示す図である。図5は、LPFの出力信号のリプルの振幅とカットオフ周波数fcとの関係を示す図である。
図4に示すように、3次のベッセルフィルタの方が、2、3次のバターワースフィルタよりも、同じカットオフ周波数fcに対する整定時間が短い。また、図5に示すように、3次のベッセルフィルタの方が、2、3次のバターワースフィルタよりも同じカットオフ周波数に対するリプルの振幅は小さい。したがって以上より、LPFとして3次のベッセルフィルタを用いることにより、整定時間を短くしながらオーバーシュートも抑制し、さらに変調に伴って生じるリプルを効率的に抑制できる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the settling time of the output signal of the LPF and the cutoff frequency fc. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the ripple amplitude of the output signal of the LPF and the cutoff frequency fc.
As shown in FIG. 4, the third-order Bessel filter has a shorter settling time for the same cutoff frequency fc than the second- and third-order Butterworth filters. Also, as shown in FIG. 5, the third-order Bessel filter has a smaller ripple amplitude for the same cutoff frequency than the second- and third-order Butterworth filters. Therefore, by using a third-order Bessel filter as the LPF, overshoot can be suppressed while shortening the settling time, and further ripples caused by modulation can be efficiently suppressed.
なお、図3および図5に示すように、3次のベッセルフィルタを用いた場合であっても、そのカットオフ周波数fcを、15[Hz](fm/2に相当)まで高くすると、整定時間を短くできるのに反して、LPFの出力信号には無視できない大きさのリプルが現れ始める。しかしながら、後に詳述するように、このリプルは、後段の同期FIRフィルタにより効率的に除去することができる。したがって、このリプルは後段の同期FIRフィルタにより除去されることを見越して、上段のベッセルフィルタでは、リプルの除去よりも整定時間の短縮を優先して、上記式(1)が成立するように、そのカットオフ周波数fcを変調周波数fmに近い値に設定することができる。 As shown in FIGS. 3 and 5, even when a third-order Bessel filter is used, if the cut-off frequency fc is increased to 15 [Hz] (corresponding to fm / 2), the settling time is increased. On the other hand, ripples of a magnitude that cannot be ignored begin to appear in the output signal of the LPF. However, as will be described later in detail, this ripple can be efficiently removed by a subsequent synchronous FIR filter. Therefore, in anticipation that this ripple is removed by the subsequent-stage synchronous FIR filter, in the upper-stage Bessel filter, the above equation (1) is established in favor of shortening the settling time over the ripple removal. The cutoff frequency fc can be set to a value close to the modulation frequency fm.
図2に戻って、ベクトル演算部65は、以上のようなLPF64C,64Sを通過した検波信号の各成分VC,VSの2乗和の平方根V=(VC 2+VS 2)1/2を算出する。A/D変換器66は、ベクトル演算部65により算出された検波信号Vを周期fsでサンプリングする。
Returning to FIG. 2, the
同期FIRフィルタ67は、このA/D変換器66によりサンプリング周波数fsの下でサンプリングされた信号を処理し、最終的な信号を出力する。
図6は、n次の同期FIRフィルタ67の構成を示す図である。図6に示すように、n次の同期FIRフィルタ67は、A/D変換器66によりサンプリング周波数fsの下でサンプリングされた信号を、n個の遅延演算子によりサンプリング周期1/fsごとの遅延要素を発生させ、さらにn個の加算器により各遅延要素を重みA0,A1,…Anー1,Anの下で足し合わせたものを出力する。
The
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the nth-order
図7は、同期FIRフィルタのゲイン特性を示す図である。なお図7では、重みA0=A1=…=An=“1”とした場合を示す。図7に示すように、同期FIRフィルタには、fs/nごとにゲインがゼロに落ち込む特性がある。
そこで本実施形態では、同期FIRフィルタのこのようなゲイン特性を利用して、上述のように変調周波数fmおよびその整数倍のリプルを除去するべく、同期FIRフィルタの次数nと、変調周波数fmと、サンプリング周波数fsとの間に、下記式(2)が成立するように、同期FIRフィルタ67の次数nおよびサンプリング周波数fsを、変調周波数fmに同期させる。
n/fs=1/fm (2)
FIG. 7 is a diagram illustrating gain characteristics of the synchronous FIR filter. FIG. 7 shows a case where the weights A 0 = A 1 =... = A n = “1”. As shown in FIG. 7, the synchronous FIR filter has a characteristic that the gain drops to zero every fs / n.
Therefore, in the present embodiment, using the gain characteristic of the synchronous FIR filter, the order n of the synchronous FIR filter, the modulation frequency fm, and the modulation frequency fm are set in order to remove the modulation frequency fm and its integral multiple ripple as described above. The order n and the sampling frequency fs of the
n / fs = 1 / fm (2)
図8は、出力信号のスペクトルを示す図である。図8には、LPFの後段に同期FIRフィルタを設けた場合のスペクトルを実線で示し、同期FIRフィルタを設けなかった場合のスペクトルを一点鎖線で示す。また、LPFのカットオフ周波数fcは、共に15[Hz]とした。
同期FIRフィルタを設けなかった場合、すなわちカットオフ周波数fcを15[Hz]とした場合のLPFの出力信号には、変調周波数fmとその整数倍の周波数成分のリプルが重畳する。これに対して、上記式(2)を満たすように変調周波数fmに同期した同期FIRフィルタを、LPFの後段に設けることにより、効率的にリプルを除去できる。より具体的には、図8に示すように、リプルの振幅は約−45dB低下した。
FIG. 8 is a diagram showing the spectrum of the output signal. In FIG. 8, the spectrum when the synchronous FIR filter is provided in the latter stage of the LPF is indicated by a solid line, and the spectrum when the synchronous FIR filter is not provided is indicated by a one-dot chain line. Further, the cut-off frequency fc of the LPF is both 15 [Hz].
When the synchronous FIR filter is not provided, that is, when the cut-off frequency fc is 15 [Hz], a ripple of the modulation frequency fm and an integer multiple of the modulation frequency fm is superimposed on the output signal. On the other hand, ripples can be efficiently removed by providing a synchronous FIR filter synchronized with the modulation frequency fm in the subsequent stage of the LPF so as to satisfy the above equation (2). More specifically, as shown in FIG. 8, the ripple amplitude decreased by about −45 dB.
図9は、出力信号のステップ応答を示す図であり、図10は、図9中の破線で示す部分の拡大図である。図9および図10には、LPF(fc=15[Hz])の後段に同期FIRフィルタを設けた場合のステップ応答を実線で示し、LPF(fc=8,15[Hz])の後段に同期FIRフィルタを設けなかった場合のステップ応答をそれぞれ破線および一点鎖線で示す。
図9に示すように、同期FIRフィルタを設けることにより、LPFのみを用いた場合に含まれていたリプルを十分に除去することができる。また、同期FIRフィルタを設けた場合の整定時間を、同期FIRフィルタを設けなかった場合の整定時間と比較すると、fc=15[Hz]に対しては長くなるが、fc=8[Hz]に対しては短くなる。また、図10に示すように、ベッセルフィルタの後段に同期FIRフィルタを設けることにより、約20[Hz]以下のドリフト成分を残しながらリプルを十分に除去することができるので、実際のCO2濃度の変化に追従して測定することができる。
9 is a diagram showing a step response of the output signal, and FIG. 10 is an enlarged view of a portion indicated by a broken line in FIG. 9 and 10, the step response when the synchronous FIR filter is provided in the subsequent stage of the LPF (fc = 15 [Hz]) is shown by a solid line, and is synchronized with the subsequent stage of the LPF (fc = 8, 15 [Hz]). Step responses when no FIR filter is provided are indicated by a broken line and a one-dot chain line, respectively.
As shown in FIG. 9, by providing a synchronous FIR filter, ripples included when only LPF is used can be sufficiently removed. Further, when the settling time when the synchronous FIR filter is provided is compared with the settling time when the synchronous FIR filter is not provided, fc = 15 [Hz] is longer, but fc = 8 [Hz]. On the other hand, it becomes shorter. Also, as shown in FIG. 10, by providing a synchronous FIR filter in the subsequent stage of the Bessel filter, ripples can be sufficiently removed while leaving a drift component of about 20 [Hz] or less, so that the actual CO 2 concentration It is possible to measure by following the change of.
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1)本実施形態によれば、FIRフィルタの次数nと、変調周波数fmと、サンプリング周波数fsとの間に、上記式(2)が成立するように、FIRフィルタの次数nおよびサンプリング周波数fsを変調周波数fmに同期することにより、検波信号に含まれるリプルを効率的に除去することができる。また、このようにFIRフィルタでリプルを除去することにより、ベッセルフィルタでは過剰にリプルを除去するように設定する必要がなくなるので、そのカットオフ周波数fcを高くし、応答性を向上することができる。また、以上のように、ベッセルフィルタとFIRフィルタとを組み合わせることにより、変調周波数fmよりも小さなドリフト成分を残しながらリプルを十分に除去することができるので、対象ガス中の実際のCO2濃度の変化に追従して測定することができる。
また本実施形態によれば、赤外線吸収式CO2センサ1を車両に搭載する際など、サンプリング周波数fsが予め定められている場合であっても、上記式(2)が成立するように変調周波数fmおよびFIRフィルタの次数nを調整することにより、上記効果を損なうことなく、車両に搭載することができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) According to the present embodiment, the order n of the FIR filter and the sampling frequency fs so that the above equation (2) is established among the order n of the FIR filter, the modulation frequency fm, and the sampling frequency fs. Is synchronized with the modulation frequency fm, ripples included in the detection signal can be efficiently removed. Further, by removing ripples with the FIR filter in this way, it is not necessary to set the Bessel filter so as to remove ripples excessively, so that the cut-off frequency fc can be increased and the responsiveness can be improved. . In addition, as described above, by combining the Bessel filter and the FIR filter, ripples can be sufficiently removed while leaving a drift component smaller than the modulation frequency fm, so that the actual CO 2 concentration in the target gas can be reduced. Measurements can be made following changes.
Further, according to the present embodiment, even when the sampling frequency fs is determined in advance, such as when the infrared absorption CO 2 sensor 1 is mounted on a vehicle, the modulation frequency so that the above equation (2) is established. By adjusting the fm and the order n of the FIR filter, it can be mounted on a vehicle without impairing the above effects.
(2)本実施形態によれば、CO2分子の振動モードである4.2μm帯の赤外線光を通過させる光学フィルタ30を光源10からボロメータB1,B2に至る光路に設けたので、対象ガスG中のCO2の濃度を効率的に検出することができる。
(2) According to the present embodiment, since the
(3)本実施形態によれば、ベッセルフィルタにおけるカットオフ周波数fcを変調周波数fmの半分の値に設定することにより、高い応答性を確保しながら、変調に伴って発生する不要なリプルを効率的に低減することができる。 (3) According to the present embodiment, by setting the cut-off frequency fc in the Bessel filter to a half value of the modulation frequency fm, it is possible to efficiently eliminate unnecessary ripples generated with modulation while ensuring high responsiveness. Can be reduced.
(4)本実施形態によれば、検波信号の高周波数成分を3次のベッセルフィルタと、上記同期FIRフィルタとを組み合わせて用いることにより、より効率的にリプルを除去しながら、その応答性を向上することができる。 (4) According to this embodiment, the high frequency component of the detection signal is used in combination with the third-order Bessel filter and the synchronous FIR filter, so that the response can be improved while removing the ripple more efficiently. Can be improved.
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。
上記実施形態の同期検波装置60における各種演算は、同期FIRフィルタ67を除きアナログ回路で構成したが、これに限らずデジタル回路で構成してもよい。
また上記実施形態では、3次のベッセルフィルタを例に説明したが、フィルタの次数はこれに限らず、2次又は4次以上であってもよい。
また、上記実施形態では、上記式(1)に示すように、カットオフ周波数fcを変調周波数fmの半分の値に設定したが、これに限らない。応答性がより向上するように、カットオフ周波数fcを変調周波数fmの半分の値よりも大きな値に設定してもよい。
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made.
The various calculations in the
In the above embodiment, a third-order Bessel filter has been described as an example. However, the order of the filter is not limited to this, and may be a second-order or fourth-order or higher.
Moreover, in the said embodiment, as shown to the said Formula (1), although the cutoff frequency fc was set to the half value of the modulation frequency fm, it is not restricted to this. The cut-off frequency fc may be set to a value larger than half the modulation frequency fm so that the responsiveness is further improved.
1…赤外線吸収式CO2センサ(赤外線吸収式センサ)
10…光源(照射手段)
20…光源駆動装置(照射手段)
30…光学フィルタ
40…検出装置(検出手段)
B1,B2…ボロメータ
50…差動増幅器(増幅手段)
60…同期検波装置(同期検波手段)
62C,62S…乗算器(乗算手段)
64C,64S…LPF(ベッセルフィルタ)
66…A/D変換器
67…同期FIRフィルタ
1 ... Infrared absorbing CO 2 sensor (Infrared absorbing sensor)
10: Light source (irradiation means)
20: Light source driving device (irradiation means)
30 ...
B1, B2 ...
60. Synchronous detection device (synchronous detection means)
62C, 62S... Multiplier (multiplication means)
64C, 64S ... LPF (Bessel filter)
66 ... A /
Claims (4)
対象ガスを透過した赤外線光をボロメータで受光するとともに当該ボロメータの抵抗値の変化を検出する検出手段と、を備え、前記検出手段から出力された信号に基づいて対象ガス中の特定成分の濃度を測定する赤外線吸収式センサであって、
前記検出手段から出力された信号を増幅し、増幅信号を出力する増幅手段と、
前記増幅信号を同期検波する同期検波手段と、を備え、
前記同期検波手段は、
前記増幅信号に前記変調周波数fmと等しい周波数の参照信号を乗算し検波信号を出力する乗算手段と、
前記検波信号から高周波数成分を減衰させるベッセルフィルタと、
サンプリング周波数fsの下でサンプリングされた信号を処理する次数nのFIRフィルタと、を備え、
前記FIRフィルタの次数nと、前記変調周波数fmと、前記サンプリング周波数fsとの間には、次式、
n/fs=1/fm、
が成立することを特徴とする赤外線吸収式センサ。 Irradiation means for irradiating the target gas with infrared light intensity-modulated at a modulation frequency fm;
Detection means for detecting infrared light transmitted through the target gas with a bolometer and detecting a change in the resistance value of the bolometer, and determining the concentration of the specific component in the target gas based on the signal output from the detection means An infrared absorption sensor for measuring,
Amplifying means for amplifying the signal output from the detection means and outputting an amplified signal;
A synchronous detection means for synchronously detecting the amplified signal,
The synchronous detection means includes
Multiplication means for multiplying the amplified signal by a reference signal having a frequency equal to the modulation frequency fm and outputting a detection signal;
A Bessel filter that attenuates high frequency components from the detected signal;
An FIR filter of order n that processes a signal sampled under a sampling frequency fs;
Between the order n of the FIR filter, the modulation frequency fm, and the sampling frequency fs,
n / fs = 1 / fm,
An infrared absorption sensor characterized by the fact that
fc=fm/2、
が成立することを特徴とする請求項1又は2に記載の赤外線吸収式センサ。 Between the cutoff frequency fc of the Bessel filter and the modulation frequency fm,
fc = fm / 2,
The infrared absorption type sensor according to claim 1, wherein:
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