KR20200103092A - Optical sensor module for spectroscopic measurement - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 또는 물체를 분석하기 위한 광학 센서 모듈에 관한 것이며, 이러한 광학 센서 모듈은, 하나의 파장 범위의 전자기 빔을 생성하고, 시험될 유체 또는 물체의 방향으로 전자기 빔을 방출하기 위한 하나 이상의 광원과; 유체 상에서 반사된 빔을 수신하고, 수신된 빔을 전자 측정 신호들로 변환하기 위한 하나 이상의 검출기와; 회로 기판 상에 하나 이상의 광원 및 하나 이상의 검출기를 위치 설정하고 정렬하기 위한 하나 이상의 기저부와; 하나 이상의 검출기의 전자 측정 신호들을 증폭 및 처리하기 위한 하나 이상의 신호 처리 유닛;을 포함하고, 이때 하나 이상의 광원은 회로 기판 상의 하나 이상의 기저부를 통해 하나 이상의 검출기에 대해 평행하거나 경사지게 위치 설정 가능하다.The present invention relates to an optical sensor module for analyzing a fluid or object, such an optical sensor module, one or more for generating an electromagnetic beam in a wavelength range and emitting an electromagnetic beam in the direction of the fluid or object to be tested A light source; One or more detectors for receiving the reflected beam on the fluid and converting the received beam into electronic measurement signals; At least one base portion for positioning and aligning at least one light source and at least one detector on the circuit board; And one or more signal processing units for amplifying and processing the electronic measurement signals of one or more detectors, wherein the one or more light sources can be positioned parallel or inclined with respect to one or more detectors through one or more base portions on a circuit board.
Description
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른, 유체 또는 물체를 분석하기 위한 광학 센서 모듈에 관한 것이다.The invention relates to an optical sensor module for analyzing fluids or objects, according to the preamble of
광학 센서 모듈들은 이미 다수의 응용 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, NDIR(non-dispersive infrared: 비분산 적외선) 검출기들은 주변 공기 내의 CO2 함량이나, 기체들 또는 기타 재료들 내의 수분 함량을 결정할 수 있다. 특히, 상기 유형의 센서들은 예를 들어 기체, 고체 또는 액체와 같은 매체들의 특정 재료 특성들 및 혼합 비율들을 검출하고 스펙트럼적으로 평가하는데 사용될 수 있다. 소형화된 광학 센서를 위한 가능한 응용 분야들 중 하나는 세척 또는 건조 프로세스 매개변수들의 모니터링이다.Optical sensor modules are already used in a number of applications. For example, non-dispersive infrared (NDIR) detectors can determine the CO 2 content in the ambient air, or the moisture content in gases or other materials. In particular, sensors of this type can be used to detect and spectrally evaluate certain material properties and mixing ratios of media such as gas, solid or liquid, for example. One of the possible applications for a miniaturized optical sensor is the monitoring of cleaning or drying process parameters.
센서들은 예를 들어 반사 측정을 실행할 수 있다. 이러한 측정 방법에서는, 검출기와 에미터가 통상적으로 측정 섹션의 동일한 측면에 위치하고, 에미터들에 의해 생성된 IR 빔은 광 경로를 통해 안내되고, 이러한 광 경로는 시간에 따라 변할 수 있는데, 이는 예를 들어 측정 샘플에 대한 센서의 간격이 변하기 때문이다.Sensors can perform reflection measurements, for example. In such a measurement method, the detector and the emitter are typically located on the same side of the measurement section, and the IR beam generated by the emitters is guided through the optical path, and this optical path can change over time, which is for example For example, this is because the spacing of the sensor to the measurement sample changes.
광학 센서의 스펙트럼 평가의 기초는, 복수의 파장들로 이루어질 수 있는 균일한 스펙트럼 응답이다. 센서를 예를 들어 하나의 회로 기판과 같이, 하나의 평면 내에 형성한 경우, 예를 들어 균일한 스펙트럼 응답을 얻기 위한 최적의 빔 집속과 같은 도전 과제가 존재한다.The basis for spectral evaluation of an optical sensor is a uniform spectral response, which can be made up of multiple wavelengths. When the sensor is formed in one plane, for example one circuit board, there are challenges, such as optimal beam focusing, for example to obtain a uniform spectral response.
특히 반사 측정에서는, 측정 중에 물체와 센서 모듈 간의 간격이 변화하는 수많은 응용 분야들도 있다. 에미터와 검출기의 배열 및 에미터의 방출 특성에서의 작은 편차들조차도 센서의 간격 종속성에 부정적인 영향을 미치므로, 센서의 작동 범위는 고도로 정밀한 측정 과제에서는 심하게 제한될 수 있다.There are also numerous applications where the distance between the object and the sensor module changes during measurement, especially in reflection measurement. Since even small deviations in the emitter and detector arrangement and the emitter's emission characteristics negatively affect the sensor's spacing dependence, the sensor's operating range can be severely limited for highly precise measurement tasks.
본 발명의 과제는, 기술적으로 간단하게 제조될 수 있는, 개선된 스펙트럼 균일성을 갖는 광학 센서 모듈을 제시하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an optical sensor module having improved spectral uniformity, which can be manufactured technically simply.
상기 과제는 독립 청구범위들의 각각의 대상에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 각각의 종속 청구범위들의 대상이다.This task is solved by the subject of each of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of their respective dependent claims.
본 발명의 일 양태에 따르면, 유체 또는 물체를 분석하기 위한 광학 센서 모듈이 제공된다. 이러한 센서 모듈은, 하나의 파장 범위의 전자기 빔을 생성하고, 시험될 유체 또는 물체의 방향으로 전자기 빔을 방출하기 위한 하나 이상의 광원을 갖는다. 또한, 센서 모듈은, 유체 또는 물체 상에서 반사된 빔을 수신하고, 수신된 빔을 전자 측정 신호들로 변환하기 위한 하나 이상의 검출기를 갖는다. 센서 모듈은 회로 기판 상에 하나 이상의 광원 및 하나 이상의 검출기를 위치 설정하고 정렬하기 위한 하나 이상의 기저부를 갖는다. 센서 모듈의 하나 이상의 신호 처리 유닛은 하나 이상의 검출기의 전자 측정 신호들을 증폭 및 처리하기 위해 사용된다. 본 발명에 따라, 하나 이상의 광원은 회로 기판 상의 하나 이상의 기저부를 통해 하나 이상의 검출기에 대해 평행하거나 경사지게 위치 설정 가능하다.According to an aspect of the present invention, an optical sensor module for analyzing a fluid or object is provided. Such sensor modules have one or more light sources for generating an electromagnetic beam in one wavelength range and emitting the electromagnetic beam in the direction of the fluid or object to be tested. In addition, the sensor module has one or more detectors for receiving a beam reflected on a fluid or object and converting the received beam into electronic measurement signals. The sensor module has one or more bases for positioning and aligning one or more light sources and one or more detectors on a circuit board. One or more signal processing units of the sensor module are used to amplify and process electronic measurement signals of one or more detectors. In accordance with the present invention, one or more light sources can be positioned parallel or obliquely relative to one or more detectors through one or more bases on a circuit board.
이 경우, 하나 이상의 광원은 예를 들어 하나 이상의 적외선 LED 또는 적외선 레이저일 수 있다.In this case, the one or more light sources may be, for example, one or more infrared LEDs or infrared lasers.
광학 센서 컨셉을 가능한 한 비용 효율적으로 구현할 수 있도록, 상기 광원을 소형화하고, 광 경로를 설계 매개변수, 재료 매개변수 및 광학 구성 요소들의 적절한 선택에 의해 간단하게 구성하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 소형화를 구현하기 위해, 삽입 실장을 위한 소위 스루 홀(through-hole) 구성 요소 또는 SMD 장착 가능 구성 요소가 사용된다. 이로부터, 필요한 모든 구성 요소들이 가능한 한 하나의 평면 내에, 예를 들어 하나의 회로 기판 상에 또는 하나의 TO-셀 내에 배열되어야 한다. 이러한 구조를 통해, 소자들의 장착을 매우 신속하고 저렴하게 실행하는 것이 가능하다.In order to be able to implement the optical sensor concept as cost-effectively as possible, it is desirable to miniaturize the light source and simply configure the light path by the appropriate selection of design parameters, material parameters and optical components. In general, in order to realize miniaturization, a so-called through-hole component or an SMD mountable component for insert mounting is used. From this, all necessary components must be arranged as far as possible in one plane, for example on one circuit board or in one TO-cell. Through this structure, it is possible to perform the mounting of the elements very quickly and inexpensively.
기저부를 통해, 하나 이상의 검출기 및 하나 이상의 광원을 수용하기 위한, 회로 기판 상에 배열 가능한 기계적 구조가 구현될 수 있다. 이에 따라, 광학 구성 요소들의 서로에 대한 적합한 위치 설정을 통한 간단하고 저렴한 빔 안내 또는 빔 집속이 구현될 수 있다. 센서 모듈의 광학 구성 요소들의 정확한 정렬과 더불어, 센서 모듈은 기술적으로 간단하게 실장 또는 제조될 수 있다. 또한, 광원들은, 산란광이 감소되거나 방지되는 방식으로 기저부를 통해 하나 이상의 검출기에 상대적으로 위치 설정되거나 정렬될 수 있다.Through the base, a mechanical structure that can be arranged on a circuit board for receiving at least one detector and at least one light source can be implemented. Accordingly, simple and inexpensive beam guidance or beam focusing through appropriate positioning of the optical components relative to each other can be implemented. In addition to the precise alignment of the optical components of the sensor module, the sensor module can be technically simply mounted or manufactured. Further, the light sources may be positioned or aligned relative to one or more detectors through the base in such a way that scattered light is reduced or prevented.
광학 센서 모듈의 일 실시예에 따라, 하나의 검출기가 하나 이상의 기저부 내에서 2개 이상의 광원들 사이의 중심에 위치 설정 가능하다. 동일한 파장 범위를 갖는 2개 이상의 광원들의 대향 배열에 의해, 센서 모듈의 스펙트럼 균일성은 최적화될 수 있다. 특히, 이로 인해 광원들의 파장 범위들의 편차들이 보상될 수 있다. 이는, 샘플 또는 물체가 위치 설정되는 측정 체적 내에서, 생성된 빔들의 스펙트럼 성분들의 개선된 분포를 유도하고, 더욱 균일한 스펙트럼 분포를 달성할 수 있다.According to an embodiment of the optical sensor module, one detector can be positioned at the center between two or more light sources within one or more bases. By opposing arrangement of two or more light sources having the same wavelength range, the spectral uniformity of the sensor module can be optimized. In particular, this can compensate for variations in the wavelength ranges of the light sources. This leads to an improved distribution of spectral components of the generated beams within the measurement volume in which the sample or object is positioned, and can achieve a more uniform spectral distribution.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나의 광원이 하나 이상의 기저부 내에서 2개 이상의 검출기들 사이의 중심에 위치 설정 가능하다. 복수의 광원들 사이의 검출기 배열에 대한 대안으로서, 광대역 광원 또는 에미터가, 특정 스펙트럼 범위를 검출하기 위한 복수의 검출기들과 조합되어 사용될 수 있다. 이로 인해, 광원의 방출 특성에서의 편차들이, 동일하거나 상이한 복수의 검출기들의 검출 가능한 더 큰 파장 범위에 의해 보상될 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, one light source can be positioned at the center between two or more detectors within one or more bases. As an alternative to the detector arrangement between a plurality of light sources, a broadband light source or emitter may be used in combination with a plurality of detectors for detecting a specific spectral range. Due to this, variations in the emission characteristics of the light source can be compensated for by a detectable larger wavelength range of a plurality of detectors that are the same or different.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나 이상의 기저부는 회전 대칭의 형태를 갖고, 하나 이상의 기저부는 검출기의 수용을 위한 하나 이상의 소켓 및 광원의 수용을 위한 하나 이상의 소켓을 갖는다. 기저부 내에 제공된 수용부들 또는 소켓들을 통해, 광학 구성 요소들은 기저부 내에 형태 결합식으로 삽입될 수 있다. 특히, 하나 이상의 광원 및 하나 이상의 검출기는, 수용부들 내에 삽입된 상태에서 광학적으로 최적으로 정렬될 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, at least one base portion has a shape of rotational symmetry, and at least one base portion has at least one socket for receiving the detector and at least one socket for receiving the light source. Through the receptacles or sockets provided in the base, the optical components can be inserted formally into the base. In particular, one or more light sources and one or more detectors can be optimally aligned optically in a state inserted into the receptacles.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나 이상의 기저부는, 소켓 내에 배열된 하나 이상의 검출기를 전자기 빔들로부터 적어도 영역별로 차폐한다. 이로 인해, 하나 이상의 검출기에 대한 광원들의 바람직하지 않은 누화 또는 하우징 내 산란광이 감소되거나 방지될 수 있다. 따라서, 센서의 가용한 동적 범위가 확대될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 기저부는 하나 이상의 검출기의 수용 영역에서, 상응하는 반사 표면들에 대한 다중 반사에 유리하게 작용할 수 있고, 이에 따라 센서 모듈의 성능을 향상시킬 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the one or more base portions shield the one or more detectors arranged in the socket from electromagnetic beams at least by region. Due to this, undesirable crosstalk of light sources to one or more detectors or scattered light in the housing can be reduced or prevented. Thus, the usable dynamic range of the sensor can be expanded. Alternatively or additionally, the base can advantageously act on multiple reflections on the corresponding reflective surfaces, in the receiving area of one or more detectors, thereby improving the performance of the sensor module.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 광학 센서 모듈은, 물체에 대한 하나 이상의 검출기의 간격을 검출하기 위한 하나 이상의 간격 센서를 갖는다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the optical sensor module has one or more spacing sensors for detecting spacing of one or more detectors with respect to an object.
추가 센서를 통해서는, 센서 모듈의 기존 간격 종속성의 보상을 위해 사용될 수 있는 간격 측정이 실행될 수 있다. 이에 따라, 센서 모듈의 작동 범위가 확대될 수 있다.With an additional sensor, a gap measurement can be performed that can be used to compensate for the existing gap dependency of the sensor module. Accordingly, the operating range of the sensor module can be expanded.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나 이상의 신호 처리 유닛은 전기 측정 신호들의 오프셋 추적부 및/또는 전기 측정 신호들의 가변 증폭부를 갖는다. 이로 인해, 하나 이상의 신호 처리 유닛은 신호 컨디셔닝부 및 신호 처리부를 가질 수 있으므로, 센서 모듈은 응용 분야별 특유의 요건들에 적응될 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the at least one signal processing unit has an offset tracking portion of the electrical measurement signals and/or a variable amplification portion of the electrical measurement signals. Due to this, since one or more signal processing units may have a signal conditioning unit and a signal processing unit, the sensor module can be adapted to application-specific requirements.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 광학 센서 모듈은 온도 보상을 실행하기 위한 온도 센서를 갖는다. 이로 인해, 하나 이상의 신호 처리 유닛에 의한 하나 이상의 검출기의 측정 신호들의 평가 시에, 에미터 또는 하나 이상의 검출기의 빔 특성들에 대한 그리고 시험될 물질들에 대한 열적 영향이 고려될 수 있다. 특히, 추가 온도 정보를 통해서는 측정 신호들의 처리의 범주에서 온도에 따른 영향들이 보상될 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the optical sensor module has a temperature sensor for performing temperature compensation. Due to this, in the evaluation of the measurement signals of one or more detectors by the one or more signal processing units, the thermal effect on the beam properties of the emitter or one or more detectors and on the materials to be tested can be taken into account. In particular, through the additional temperature information, influences due to temperature in the range of processing of the measurement signals can be compensated.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나 이상의 광원, 하나 이상의 검출기, 하나 이상의 기저부, 하나 이상의 신호 처리 유닛 및 하나 이상의 에너지 공급 유닛은, 유체 밀봉되도록 폐쇄 가능한 하우징 내에 배열된다. 바람직하게, 하우징은 커버에 의해 폐쇄 가능하고, 예를 들어 O-링과 같은 밀봉 수단에 의해 환경의 영향에 대해 밀봉 가능할 수 있다. 하우징은 플라스틱으로 구성되거나, 방수성으로 함침 또는 바니싱(varnishing)된 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 센서 모듈은 습한 환경에서도 사용될 수 있으며, 센서 모듈의 구성 요소들은 하우징 내에 보호되도록 배열된다.According to a further embodiment of the optical sensor module, one or more light sources, one or more detectors, one or more bases, one or more signal processing units and one or more energy supply units are arranged in a closeable housing to be fluidly sealed. Preferably, the housing can be closed by a cover and can be sealed against environmental influences, for example by sealing means such as O-rings. The housing may be made of plastic, or may be made of metal impregnated or varnished to be waterproof. Thus, the sensor module can be used even in a humid environment, and the components of the sensor module are arranged to be protected within the housing.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하우징은 하나 이상의 광원의 전자기 빔을 전송하기 위한 하나 이상의 창을 갖는다. 따라서, 하나 이상의 광원에 의해 생성된 전자기 빔은 하우징으로부터 방출될 수 있다. 이 경우, 특히 센서 모듈의 광학 구성 요소들은 하우징 내에 보호되도록 배열될 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the housing has one or more windows for transmitting electromagnetic beams of one or more light sources. Thus, an electromagnetic beam generated by one or more light sources can be emitted from the housing. In this case, in particular the optical components of the sensor module can be arranged to be protected in the housing.
광학 센서 모듈의 추가의 일 실시예에 따라, 하나 이상의 검출기는 하우징 내에 배열된 하나 이상의 기저부를 통해 하나 이상의 창에 바로 접하도록 위치 설정 가능하다. 하나 이상의 검출기는, 검출기가 하우징의 창에 바로 접하게 배열되도록 하나 이상의 기저부를 통해 하우징 내에 위치 설정될 수 있다. 특히, 검출기는 창의 평평한 연장부에 직교하도록 위치 설정될 수 있으므로, 반사가 감소될 수 있다. 하나 이상의 기저부의 구성에 따라, 검출기의 수용부는 검출기를 둘레 측에서 창에 대해 차폐할 수 있고, 그에 따라 검출기를 하우징으로부터의 산란광으로부터 보호할 수 있다.According to a further embodiment of the optical sensor module, the one or more detectors are positionable to directly contact one or more windows through one or more bases arranged within the housing. One or more detectors may be positioned within the housing through one or more bases such that the detector is arranged in direct contact with the window of the housing. In particular, since the detector can be positioned orthogonal to the flat extension of the window, reflection can be reduced. Depending on the configuration of the at least one base, the receiving portion of the detector can shield the detector against the window on the circumferential side, thereby protecting the detector from scattered light from the housing.
본 발명에 따른 검출기는 특히 세탁기 또는 식기 세척기에서 사용하기에 적합하다.The detector according to the invention is particularly suitable for use in washing machines or dishwashers.
하기에는, 매우 단순화된 개략적 도면들에 기초하여 본 발명의 바람직한 실시예들이 더 상세하게 설명된다. 이 경우,
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 센서 모듈의 복수의 광원들 및 하나의 검출기를 갖는 기저부를 도시한 분해 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 센서 모듈의 복수의 광원들 및 하나의 검출기를 갖는 기저부를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 센서 모듈을 통한 조사를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서 모듈을 도시한 분해 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서 모듈을 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 모듈의 신호 처리 유닛을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 모듈을 개략적으로 도시한 도면이다.In the following, preferred embodiments of the invention are described in more detail on the basis of very simplified schematic drawings. in this case,
1A is an exploded perspective view illustrating a base portion having a plurality of light sources and a detector of a sensor module according to a first embodiment of the present invention.
1B is an exploded perspective view illustrating a base portion having a plurality of light sources and one detector of a sensor module according to a second embodiment of the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating irradiation through a sensor module according to a second embodiment.
3A is an exploded perspective view showing a sensor module according to a first embodiment of the present invention.
3B is an exploded perspective view showing a sensor module according to a second embodiment of the present invention.
4 is a circuit diagram schematically showing a signal processing unit of a sensor module according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically showing a sensor module according to a third embodiment of the present invention.
도면들에서, 동일한 구조 요소들은 각각 동일한 참조 번호들을 갖는다.In the drawings, the same structural elements each have the same reference numerals.
도 1a에는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 센서 모듈(6)의 복수의 광원들(2) 및 하나의 검출기(4)를 갖는 기저부(1)의 분해 사시도가 도시되어 있다.1A shows an exploded perspective view of a
기저부(1)는 회전 대칭의 형태를 갖고, 각각 하나의 광원(2)을 수용하기 위한 6개의 수용부들(8)을 갖는다. 광원들(2)을 수용하기 위한 수용부들(8)은 하나의 검출기(4)를 수용하기 위한 하나의 수용부(10)의 둘레에 배열된다. 또한, 검출기(4)를 수용하기 위한 수용부(10)는 광원들(2)의 방출 방향으로 광원(2)의 수용부들(8)에 대해 변위되어 배열된다.The
센서 모듈(6)의 제1 실시예에 따르면, 광원들(2)과 검출기(4)는 기저부(1) 내에서 또는 기저부(1)의 수용부들(8, 10) 내에서 서로 평행하게 정렬되도록 위치 설정될 수 있다.According to the first embodiment of the
이 경우, 광원들(2)은 예를 들어 3mm 또는 5mm의 직경을 갖는 적외선 LED들이다. 광원들(2)은 800nm 내지 1000nm의 파장 범위 내에서 전자기 빔을 방출할 수 있다.In this case, the
기저부(1)는 검출기(4)의 수용부(10)에 대향된 단부에서 평평하게 형성되므로, 기저부(1)는 평평한 회로 기판 상에 형태 결합식으로 배열될 수 있다. 기저부(1)는 광원들(2)의 빔 방향에 대향된 방향으로 기저부(1)를 통과하여 안내되는, 광원들(2) 및 검출기(4)의 접촉부들을 위한 통과 보어들을 갖는다. 따라서, 기저부(1)를 통하여 안내되는 접촉부들은 서로를 향해 정렬되어, 회로 기판 상에 최적으로 위치 설정될 수 있다.Since the
도 1b에는 본 발명의 제2 실시예에 따른, 센서 모듈(6)의 복수의 광원들(2) 및 하나의 검출기(4)를 갖는 기저부(1)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 센서 모듈(6)의 제1 실시예와는 달리, 본 실시예에서 광원들(2)은 검출기(4)에 대해 상대 각도를 갖고 배열된다. 특히, 광원들(2)은 회전 대칭을 이루는 기저부(1)의 회전축을 향해 기울어지거나 경사지도록 정렬된다. 이는 상응하게 경사지도록 형성된 광원들(2)의 수용부들(8)에 의해 달성될 수 있다. 이로 인해, 광원들(2)에 의해 생성된 전자기 빔들의 중첩 영역이 형성될 수 있으며, 이러한 중첩 영역은 광원들(2)의 균일한 방출 영역을 형성하며, 광원들(2)의 제조 공차를 보상할 수 있다.1B shows an exploded perspective view of a
도 2에는 제2 실시예에 따른 센서 모듈(6)을 통한 조사가 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 기저부(1)의 단면이 도시되어 있다. 이 경우, 검출기(4)에 대한 광원들(2)의 경사진 배열과, 검출기(4) 및 광원들(2)의 접촉부들의 진행 방향이 도시되어 있다.Fig. 2 schematically shows irradiation through the
기저부(1) 내에서 검출기(4)가 광원들(2)에 대해 변위되어 배열됨으로써, 검출기(4)는 센서 모듈(6)의 창(12)에 바로 접하도록 위치 설정될 수 있다. 이 경우, 검출기(4)는, 검출기(4)의 수용부(10)를 둘러싸는 벽부(11)가 검출기(4)를 제어광으로부터 보호하고 차폐할 수 있도록 기저부(1) 내에 배열된다. 바람직하게, 기저부(1)는, 벽부(11)와 창(12) 사이에 간격이 전혀 없거나 최소 간격이 존재하도록 창(12)에 센서 모듈(6)을 위치 설정한다.As the
광원들(2)에 의해 생성된 전자기 빔은 창(12)을 통해 센서 모듈(6)로부터 방출된다. 복수의 광원들(2)에 의해서는, 모든 광원들(2)로부터 생성된 전자기 빔들의 합으로서 구성되는 중첩 영역(A)이 발생한다. 이로 인해, 광원들(2)의 제조 공차가 보상될 수 있다.The electromagnetic beam generated by the
선택적으로, 하나 이상의 개별 광원(2) 및/또는 검출기(4)가 정렬될 수 있도록, 기저부(1)를 이동 가능하게 구성하는 것이 가능하다. 이를 위해, 광원(2) 또는 검출기에 할당된 액추에이터가 제공될 수 있다. 또한, 선택적으로 기저부(1)는 다중 부재형으로 구성되는 것이 가능하며, 기저부(1)의 일 부재가 다른 부재에 대해 이동할 수 있다. 이러한 다중 부재형 구성으로 인해, 광원(2) 또는 검출기(4)는 각각 다른 요소를 향해 정렬될 수 있다. 특별한 일 실시예에서, 기저부(1)의 다중 부재형 구성의 각각의 부재에는 고유의 액추에이터가 제공되므로, 각각의 부재가 서로 독립적으로 제어되고 위치 설정될 수 있다. 하나 이상의 액추에이터의 제어는 신호 처리 유닛(26)을 통해, 예를 들어 검출기(6)의 측정 신호들에 따라 실행될 수 있다.Optionally, it is possible to configure the
도 3a 및 도 3b에는 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 센서 모듈들(6)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 센서 모듈(6)은, 밀봉 링(16)에 의해 유체 밀봉되도록 커버(18)로 폐쇄 가능한 하우징(14)을 갖는다. 커버(18)는 창(12)을 설치하기 위한 외부 차단부를 갖는다. 창(12)을 통해서는, 생성된 전자기 빔들이 센서 모듈(6)의 하우징(14)으로부터 방출될 수 있다. 이 경우, 창(12)은 밀봉 링(16)을 사용하여 커버(18) 상에 위치 설정될 수 있다. 예를 들어, 창(12)은 커버(18)의 리세스 내에 접착될 수 있다.3A and 3B are exploded perspective views of
또한, 센서 모듈(6)은 제1 회로 기판(20)을 갖는다. 제1 회로 기판(20) 상에서, 기저부(1)는 나사 연결부들(22)을 통해 고정된다. 이 경우, 광원들(2) 및 검출기(4)는 회로 기판(20)과 전기 전도식으로 클램핑되거나 납땜될 수 있다.Further, the
또한, 센서 모듈(6)은, 제1 회로 기판(20)과 전기 전도식으로 연결되는 제2 회로 기판(24)을 갖는다. 제2 회로 기판(20) 상에는, 예를 들어 센서 모듈(6)의 전력 공급부와; 검출기(4)의 전기 신호들을 평가하기 위한 하나 이상의 신호 처리 유닛(26);이 배열된다. 전력 공급부는 예를 들어 배터리 또는 외부 전류 접속부를 통해 형성될 수 있다.Further, the
각각의 구성 요소들(18, 1, 24)은 나사 연결부들(28)을 통해 서로 간에 그리고/또는 하우징(14)에 강제 결합식으로 고정될 수 있다.Each of the
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 모듈(6)의 신호 처리 유닛(26)의 회로도가 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 이 경우 검출기(4)에 의해 생성된 전기 측정 신호들의 신호 경로의 예시적인 회로가 도시되어 있다.4 schematically shows a circuit diagram of the
검출기(4)는 하류에 연결된 트랜스임피던스 증폭기(30)와 함께 도시되어 있다. 이 경우, 트랜스임피던스 증폭기(30)는 예를 들어 제1 회로 기판(20) 상에 배열될 수 있고, 검출기(4)의 증폭된 측정 신호들은 도면 부호가 제공되지 않은 상응하는 데이터 라인들을 통해 제2 회로 기판(24)으로 전송될 수 있다.The
제2 회로 기판(24) 상에는 예를 들어 차동 증폭기(32)가 제공될 수 있다. 차동 증폭기(32)에 의해서는, 신호 처리 유닛(26)의 디지털-아날로그 변환기(34)를 통한 상이한 광원들(2)의 상이한 측정 신호들의 오프셋 보정들이 실행될 수 있다. 이로 인해, 측정 신호들은 후속하는 회로 요소들의 선형 영역으로 전환될 수 있다.On the second circuit board 24, for example, a
이 경우, 제2 회로 기판(24) 상에는 제2 연산 증폭기(36)가 배열된다. 제2 연산 증폭기(36)는, 신호 처리 유닛(26)에 의해 처리되는 신호들의 가변 증폭을 가능하게 한다. 예를 들어 매우 미약한 수분 종속 신호에서와 같이, 상이한 검출 영역들에서의 가변 증폭부와, 차동 증폭기(32)의 오프셋 추적부의 사용이 특히 바람직하다. 검출 영역 내에서, 측정 신호는 디지털-아날로그 변환기(34)에 의해 더 정확하게 추적될 수 있고, 증폭은 더 높은 단계로 전환될 수 있다.In this case, the second
도 5에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 모듈(6)이 개략적으로 도시되어 있다. 상술한 본 발명의 실시예들과는 달리, 센서 모듈(6)은 온도 센서(38) 및 간격 센서(40)를 갖는다. 온도 센서(38)를 통해서는, 물체(42), 광원들(2), 검출기(4) 또는 시험될 유체의 방출 특성에서의 온도에 따른 편차들이, 신호 처리 유닛(26)을 통한 추가의 평가에서 고려될 수 있다.5 schematically shows a
이 경우, 간격 센서(40)는 광학 센서 또는 초음파 기반 센서일 수 있다. 간격 센서(40)를 통해서는, 물체(42)로부터 반사된 측정 신호들의 간격 종속성이 보상될 수 있다.In this case, the
시스템 및 구성 요소 평면에 대한 공차들에 기인하여, 광학 요소들의 서로에 대한 오조정이 발생할 수 있다. 이러한 오조정은, 전형적으로 측정 채널의 하나 이상의 파장이 기준 채널의 파장과 서로 비교되는 분광학 응용 분야들에서 문제가 될 수 있다. 이러한 오조정으로부터는 센서 특유의 간격 종속성이 발생하며, 이는 간격 센서(40)의 사용을 통해 보상될 수 있다.Due to the tolerances to the system and component plane, misadjustment of the optical elements with respect to each other can occur. This misadjustment can be problematic in spectroscopy applications, typically where one or more wavelengths of the measurement channel are compared to the wavelength of a reference channel. This misadjustment results in a sensor-specific spacing dependency, which can be compensated for through the use of the
특히 반사 모드에서의 센서 모듈(6)을 통한 측정 시에는 물체(42)에 대한 센서(4, 6)의 간격이 변화할 수 있으므로, 간격 측정을 위한 간격 센서(40)를 센서 모듈(6)에 통합함으로써, 측정 신호들의 간격 종속성을 보상하는 가능성이 달성된다.In particular, when measuring through the
또한, 도 5에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 센서 모듈(6)의 모든 관련 구성 요소들의 개요가 도시되어 있다.In addition, Fig. 5 shows an overview of all relevant components of the
추가의 실시예는, 검출기(4)에 의해 수신된 전자 측정 신호들을 평가하기 위한 방법에 관한 것이며, 이러한 방법은 예를 들어 신호 처리 유닛(26) 내에서 실행될 수 있다. 이 경우, 측정 신호들은, 하나 이상의 광원(2)으로부터 검출기(4) 상으로 복귀하는 빔의 세기에 따라 신호 처리 유닛(26)이 하나 이상의 신호를 나타내도록 처리된다. 또한, 신호 처리 유닛(26)의 신호들이 온도 센서(38) 및/또는 간격 센서(40)의 측정 변수들에 따라 생성되는 것이 고려 가능하다.A further embodiment relates to a method for evaluating the electronic measurement signals received by the
Claims (13)
- 하나의 파장 범위의 전자기 빔을 생성하고, 시험될 유체 또는 물체(42)의 방향으로 전자기 빔을 방출하기 위한 하나 이상의 광원(2)과,
- 유체 또는 물체(42) 상에서 반사된 빔을 수신하고, 수신된 빔을 전자 측정 신호들로 변환하기 위한 하나 이상의 검출기(4)와,
- 회로 기판(20) 상에 하나 이상의 광원(2) 및 하나 이상의 검출기(4)를 위치 설정하고 정렬하기 위한 하나 이상의 기저부(1)와,
- 하나 이상의 검출기(4)의 전자 측정 신호들을 증폭 및 처리하기 위한 하나 이상의 신호 처리 유닛(26)을 포함하는, 상기 광학 센서 모듈에 있어서,
하나 이상의 광원(2)은 회로 기판(20) 상의 하나 이상의 기저부(1)를 통해 하나 이상의 검출기(4)에 대해 평행하거나 경사지게 위치 설정 가능한 것을 특징으로 하는, 광학 센서 모듈.It is an optical sensor module 6 for analyzing the fluid or object 42,
-At least one light source 2 for generating an electromagnetic beam of one wavelength range and emitting an electromagnetic beam in the direction of the fluid or object 42 to be tested,
-One or more detectors 4 for receiving the beam reflected on the fluid or object 42 and converting the received beam into electronic measurement signals,
-At least one base 1 for positioning and aligning at least one light source 2 and at least one detector 4 on the circuit board 20,
-In the optical sensor module, comprising at least one signal processing unit (26) for amplifying and processing the electronic measurement signals of at least one detector (4),
An optical sensor module, characterized in that at least one light source (2) can be positioned parallel or inclined with respect to at least one detector (4) via at least one base (1) on a circuit board (20).
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