KR20210087517A - 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체에서 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 입자 센서 - Google Patents
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Abstract
입자 센서(16)는 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체에서 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하는데 이용된다. 상기 센서는 레이저(18)와 열 복사(14)를 검출하도록 설정된 제 1 검출기(26)를 포함한다. 입자 센서(16)는 레이저(18)의 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 광학 소자(20)를 갖고, 상기 광학 소자(20)는 레이저(18)에서 방사되는 레이저 광(10)을 스팟(22)으로 수렴하도록 배치 및 설정되고, 제 1 검출기(26)는 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)를 검출하도록 배치 및 설정되고, 입자 센서(16)는 제 2 검출기(28)를 가지며, 상기 제 2 검출기는 후방 산란된 레이저 광(34)을 검출하도록 배치 및 설정된다.
Description
본 발명은 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체에서 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 입자 센서에 관한 것이다.
예를 들어 공기와 같은 가스에서 나노 입자를 검출하기 위해 레이저 유도 백열("LII")의 원리가 이미 오래전에 공개되어 있으며, 예를 들어 실험실에서 "유리" 엔진의 연소 공정의 특성화 또는 실험실 환경에서 배기가스 특성화를 위해 집중적으로 응용된다. 예를 들어 그을음 입자와 같은 입자는 고출력 레이저의 나노 초 펄스로 섭씨 수천 도로 가열되어, 상당한 열 복사를 방출한다. 입자의 열적으로 유도된 이러한 광 방출은 광 검출기로 측정된다. 이러한 방법은 수십 nm까지의 직경을 갖는 매우 작은 입자의 검출을 가능하게 한다.
본 발명의 과제는 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체에서 입자 또는 에어로졸을 검출하기 위한 입자 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 기본적인 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 입자 센서에 의해 해결된다. 바람직학 개선예들은 종속 청구항에 명시된다.
본 발명에 따른 입자 센서는 유체, 예를 들어 배기가스에서 입자 또는 에어로졸을 검출하는데 이용된다. 상기 센서는 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 작동한다. 먼저, 레이저 모듈로부터 나와서 스팟에서 충분히 높은 강도로 수렴되는 레이저 광으로 입자가 레이저 광의 부분적인 흡수에 의해 수천 도로 가열된다. 플랑크 법칙에 따르면, 이러한 가열된 입자는 특성적 열 복사(백열 또는 열이온 발광)를 방출하며, 상기 열 복사는 측정 신호로써 이용되며 제 1 검출기에 의해 수신된다. 이러한 열적으로 방출된 광(열 복사)의 스펙트럼은 일반적으로 적색 범위에서 최대 값을 갖는 비교적 광대역이다(약 750nm의 입자의 달성된 온도에 따라 다름).
이를 위해, 본 발명에 따른 입자 센서는 레이저의 빔 경로에 배치된 광학 소자를 갖고, 상기 광학 소자는 레이저 모듈에서 방사되는 레이저 광을 매우 작은 스팟으로 수렴하도록 설계 및 설정된다. 초점 직경이 예를 들어 10㎛인 경우, 기본적으로 입자 농도가 1013/㎥일 때, 정해진 시점에 항상 하나의 입자만이 스팟을 통과하는(고유 단일 입자 검출 가능성) 것을 가정할 수 있다. 제 1 검출기는 스팟에서 방사되는 열 복사를 검출하도록 입자 센서 내에 설정 및 배치된다. 저렴한 반도체 레이저 다이오드를 레이저 소스로 사용할 수 있고, 이로 인해 입자 센서의 비용이 절감된다. 열 복사의 검출은 예를 들어 민감한 포토다이오드 또는 다중 픽셀 광자 카운터(Multi-pixel photon counter;MPPC)를 사용하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 입자 센서는 후방 산란된 레이저 광을 검출하도록 설정 및 배치된 제 2 검출기를 갖는다. 후방 산란된 레이저 광의 파장에 민감한 이러한 추가 검출기를 사용하면, 적어도 하나의 광학 소자를 통해 스팟까지 레이저 광의 경로 및 다시 제 1 검출기로 레이저 광의 후방 산란이 제어될 수 있다. 스팟으로부터 제 1 검출기로의 광 경로는 스팟으로부터 제 2 검출기로의 광 경로와 동일하다. 이로써 전체 광 경로의 기능을 확인하고 입자 센서의 자기 진단을 수행할 수 있다. 이를 위해 추가 구성 요소로서 하나의 제 2 검출기만, 예를 들어 하나의 포토다이오드만이 필요하므로, 본 발명은 매우 저렴하게 실현될 수 있다.
이는, 실제 센서 기능을 위해 설치된 요소들(특히 레이저 및 제 1 검출기)을 이용해서만 광 경로의 명확한 자기 진단을 수행하는 것이 레이저 유도 백열에 기초한 입자 센서의 일반적인 문제라는 사실에 기반한다. 제 1 검출기가 열 복사에 대해(예를 들어 일정한) 신호를 측정하면, 이것이 후방 산란된 레이저 광으로 인한 것인지, 레이저 광으로 인해 야기된 형광으로 인한 것인지, 유체의 열 복사로 인한 것인지 또는 제 1 검출기 내의 노이즈 증가로 인한 것인지 명확하게 관련지을 수 없다.
레이저 광에 민감한 제 2 검출기를 사용함으로써 레이저로부터 센서 헤드로 부분적으로 산란되어 다시 제 1 및 제 2 검출기로 들어오는 후방 산란된 레이저 광이 검출되어 정량화될 수 있다. 이로써 레이저의 기능과 스팟에 이르는 그리고 제 1 및 제 2 검출기로 돌아가는 광학 경로가 경우에 따라서 정량적으로 확인될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 입자 센서에 의해, 기존의 문제점들, 즉 레이저 광 출력에 대한 어려운 자기 진단 및 광학 경로의 기능에 대한 어려운 자기 진단이 해결된다.
본 발명의 개선예에서, 입자 센서는 한편으로는 레이저 모듈로부터 스팟으로 레이저 광의 안내를 위해서뿐만 아니라 다른 한편으로는 제 1 검출기로 열 복사의 안내 및 제 2 검출기로 후방 산란된 레이저 광의 안내를 위해 사용되는 광학 부품을 갖는 것이 제공된다. 이로써 입자 센서는 특히 콤팩트하게 구성된다.
본 발명의 개선예에서, 제 1 검출기와 제 2 검출기는 광학적으로 서로 평행하게 배치되는 것이 제공된다. 이는 구조적으로 간단하게 구현될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 적어도 대략 레이저가 방출하는 파장 범위를 필터링하는 제 1 필터가 제 1 검출기 앞에 배치되고, 바람직하게는 적어도 대략 열 복사의 파장 범위를 필터링하는 제 2 필터가 제 2 검출기 앞에 배치되는 것이 제공된다. 이러한 방식으로, 실질적으로 검출기가 검출해야 하는 방사선 종류만이 각 검출기에 도달한다.
본 발명의 개선예에서, 입자 센서는 레이저로부터 스팟으로 레이저 광 및/또는 스팟으로부터 제 1 검출기로 열 복사 및/또는 후방 산란된 레이저 광 안내를 위해 광학 부품, 특히 렌즈와 미러를 포함하는 것이 제공된다. 이러한 광학 부품들은 비교적 저렴하고 견고하다.
본 발명의 개선예에서, 입자 센서는 레이저로부터 스팟으로 레이저 광 및/또는 스팟으로부터 제 1 검출기로 열 복사 및/또는 후방 산란된 레이저 광의 안내를 위해 적어도 하나의 광 도파관을 포함하는 것이 제공된다. 이로써 입자 센서 구성에 자유도가 확장된다. 물론, 광 도파관에 추가하여 대응하는 인 커플링 및 아웃 커플링 광학 소자도 제공될 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 레이저 모듈은 포커싱된 CW-레이저를 포함하고, 레이저 광과 측정될 가스 흐름은 스팟 영역에서 적어도 대략 평행하게 진행되는 것이 제공된다. 여기에 제시된 발명에서, 이를 위해 예를 들어 더 작은 출력(~50-500mW, 때로는 5000mW)의 연속 작동 CW-레이저가 사용될 수 있고, 상기 레이저는 적절한 광학 소자들(예를 들어 렌즈)을 사용하여 매우 작은 영역(스팟)으로 포커싱된다. 이러한 포커스 형성에 의해 CW-작동에도 불구하고, 레이저 유도 백열에 필요한 입자 온도에 도달할 수 있도록, 전력 밀도를 충분히 증가시킬 수 있다.
본 발명의 개선예에서, 상기 센서는 휴대용 장치로서 설계되는 것이 제공된다. 이것은 현장 측정에 특히 바람직하다.
본 발명의 개선예에서, 입자 센서는 실내 공기 품질의 결정 시 또는 연소 시스템 또는 내연기관의 배기가스 흐름에서 입자, 특히 그을음 입자의 검출에 사용되는 것이 제공된다. 특히 자동차에서, 디젤 내연기관의 디젤 입자 필터의 상태 또는 가솔린 내연기관의 가솔린 입자 필터의 상태에 대한 온 보드 진단("OBD")이 배기가스 입법으로 인해 점점 더 많이 사용되고 있거나 계획되어 있다. 따라서 여기에서 본 발명에 따른 입자 센서는 특히 큰 장점을 갖는다. 센서는 디젤- 및 가솔린 차량의 배기가스에서 그을음 입자의 수농도(number concentration)(입자/㎥ 또는 입자/mi) 및 질량 농도(mg/㎥ 또는 mg/mi)를 모두 측정할 수 있게 한다. 이 경우 테스트 체적에서 개별 입자 검출의 기능이 명백하게 포함되므로, 입자 크기도 측정 데이터로부터 결정될 수 있다. 센서는 입자 필터의 상태의 OBD-모니터링으로서 사용될 수 있다. 센서는 짧은 응답 시간을 갖고, 활성화 후 거의 즉시 사용 준비 상태가 된다. 특히 가솔린 차량에서 입자수 측정 기능과 차량 시동 직후 입자 센서의 즉각적인 사용 준비 상태가 매우 중요한데, 그 이유는 가솔린 차량에서 일반적으로 매우 미세한 입자(낮은 질량, 많은 수)의 대부분은 저온 시동 중에 생기기 때문이다.
본 발명의 개선예에서, 입자 센서는 제 1 검출기 및 제 2 검출기의 신호에 기초하여 입자 센서의 광 경로의 자기 진단을 수행하도록 프로그래밍된 평가 유닛을 포함하는 것이 제공된다. 따라서 독립적인 유닛으로서 스스로 진단하여 특히 다방면으로 이용 가능한 지능형 입자 센서가 제공된다. 평가 유닛은, 입자 센서의 오작동이 확인되면, 차량 사용자에게 오작동을 알리는 해당 신호를 출력할 수 있다.
후속해서 본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 레이저 유도 백열에 기초한 측정 원리를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 입자 센서의 기본 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시예의 구조를 설명하기 위한 블록도를 도시한 도면.
도 4는 제 2 실시예의 도 3과 유사한 블록도를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 입자 센서의 구조를 더 상세하게 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 입자 센서의 기본 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 입자 센서의 제 1 실시예의 구조를 설명하기 위한 블록도를 도시한 도면.
도 4는 제 2 실시예의 도 3과 유사한 블록도를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 입자 센서의 구조를 더 상세하게 도시한 도면.
기능적으로 동일한 요소들과 영역들은 이하의 설명에서 동일한 참조 번호를 갖는다.
도 1은 레이저 유도 백열(LII)에 기초한 측정 원리를 도시한다. 높은 강도의 레이저 광(10)이 내연기관(도시되지 않음)의 배기가스 흐름 내 입자(12), 예를 들어 그을음 입자에 부딪힌다. 레이저 광(10)의 강도가 너무 높아서, 입자(12)에 의해 흡수된 레이저 광(10)의 에너지가 입자(12)를 섭씨 수천 도로 가열한다. 가열의 결과, 입자(12)는 자발적으로 그리고 실질적으로 선호 방향 없이, LII-광으로도 지칭되는 상당한 복사(14)를 열 복사의 형태로 방출한다. 따라서 열 복사의 형태로 방출된 복사(14)의 일부는 입사 레이저 광(10)의 방향과 반대 방향으로도 방출된다.
도 2는 본 발명에 따른 입자 센서(16)의 실시예의 기본 구조를 개략적으로 도시한다. 여기서 입자 센서(16)는 CW-레이저 모듈(18)(CW = continuous wave)을 가지며, 상기 레이저 모듈의 바람직하게 평행한 레이저 광(10)은 CW-레이저 모듈(18)의 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 광학 소자(20)에 의해 매우 작은 스팟(22)으로 포커싱된다. 광학 소자(20)는 바람직하게는 렌즈(24)이다. 레이저 광(10)의 강도는 스팟(22)의 체적 내에서만 레이저 유도 백열에 필요한 높은 값에 도달한다. 그러나 본 발명은 CW-레이저의 사용에 제한되지 않는다. 펄스 작동식 레이저를 사용하는 것도 고려될 수 있다.
스팟(22)의 치수는 수 ㎛의 범위 이내, 특히 최대 200㎛의 범위 이내이므로, 스팟(22)을 횡단하는 입자(12)는 레이저 유도 백열에 의해서든 화학 반응(특히 산화)에 의해서든, 평가 가능한 복사 출력의 방출을 위해 여기된다. 결과적으로, 스팟(22)에는 항상 최대 하나의 입자(12)가 있고 입자 센서(16)의 순간 측정 신호는 이러한 최대 하나의 입자(12)로부터만 발생한다고 전제될 수 있다. 측정 신호는 제 1 검출기(26)에 의해 생성되며, 상기 제 1 검출기는, 스팟(22)을 지나가는 입자(12)로부터 방사되는 복사(14), 특히 열 복사를 검출하도록 입자 센서(16) 내에 배치된다. 제 1 검출기(26)는 이를 위해 바람직하게는 열 복사를 검출하고 정량화(시간의 함수로서 강도)를 가능하게 하는 적어도 하나의 포토다이오드(26.1)를 갖는다. 이로써 개별 입자 측정이 가능해지고, 이는 크기 및 속도와 같은 입자(12)에 관한 정보의 추출을 가능하게 한다. 포토다이오드(26.1)로서 예를 들어 저렴한 SiPM(실리콘 광전자 증배 소자) 또는 SPAD-다이오드(단일 광자 애벌랜치 다이오드;single-photon avalanche diode)가 고려될 수 있다. 그 결과, 특히 작은 입자에 의해 생성된 따라서 매우 작은 광신호가 검출될 수 있으며, 상기 광신호는 예를 들어 수십 개의 광전자에 의해 형성된다. 이로써 겨우 감지할 수 있는 입자의 치수는 10 내지 100nm의 하한 감지 한계로 감소한다.
제 1 검출기(26)의 신호로 배기가스 속도가 결정될 수 있고, 입자 크기 스펙트럼이 계산될 수 있다. 제 1 변수는 12개의 입자의 수농도를 계산하는데 중요하다. 제 2 변수와 조합하여 질량 농도도 계산될 수 있다. 이는 입자 측정을 위한 다른 측정 방법에 비해 명학한 장점이 된다.
레이저 모듈(18)의 레이저가 변조되고 또는 스위치 온 및 스위치 오프되는 것이 전적으로 가능하다(듀티 사이클 < 100 %). 그러나 레이저 모듈(18)의 레이저는 CW-레이저인 것이 바람직하다. 이는 저렴한 반도체 레이저 소자들(레이저 다이오드)의 사용을 가능하게 하고, 이로 인해 전체 입자 센서(16)가 더 저렴해지고 레이저 모듈(18)의 제어 및 측정 신호의 평가는 훨씬 간단해진다. 그러나 펄스 방식 레이저의 사용이 배제되지 않는다.
포토다이오드(28.1)를 포함하는 제 2 검출기(28)는 제 1 검출기(26) 바로 옆에 그리고 이에 대해 광학적으로 평행하게 배치된다. 제 2 검출기(28)는 레이저 광(10)에 민감하므로, 후방 산란된 레이저 광은 이러한 제 2 검출기(28)로 검출될 수 있다. 제 2 검출기(28)는 후방 산란된 레이저 광을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 정량화할 수 있게 함으로써, 레이저 모듈(18)의 기능과 레이저 모듈(18)로부터 스팟(22) 및 제 1 검출기(26)까지의 광 경로가 정량화 가능한 정도로 확인될 수 있다.
도 3은 입자 센서(16)의 제 1 실시예의 블록도를 도시한다. 레이저 광(10)을 방출하는 레이저 모듈(18)이 먼저 도시된다. 레이저 광(10)은 먼저 렌즈(29)에 의해 평행한 빔을 형성하고, 상기 빔은 다이크로익 미러(30) 형태의 빔 스플리터를 통과한다. 거기에서 상기 빔은 렌즈(24)에 도달하고, 계속해서 포커싱된 형태로 스팟(22)에 도달한다.
스팟(22)에서 레이저 광(10)에 의해 여기된 입자(12)의 열 복사(14)(점선 화살표)는 렌즈(24)를 통해 다시 다이크로익 미러(30)에 도달하고, 여기서 90° 편향되고, 포커싱 렌즈(31)를 통과하여 필터(32)를 통해 제 1 검출기(26)의 포토다이오드(26.1)에 도달한다. 필터(32)는 레이저 광(10)의 파장을 필터링하도록 설계된다. 필터(32)는 예를 들어 열 복사의 형태로 입자(12)로부터 방출된 열 복사(14)의 펄스에 대한 간섭 백그라운드를 감소시킨다. 필터(32)를 포함하는 실시예는 특히 레이저 소스(예를 들어 레이저 다이오드)의 좁은 대역폭을 사용함으로써, 제 1 검출기(26) 앞의 이러한 좁은 대역폭이 정확히 필터링된다. 간단한 에지 필터의 사용도 고려될 수 있다. 이로 인해 신호 대 잡음비가 크게 개선된다.
그럼에도 불구하고, 열 복사(14) 뿐만 아니라 후방 산란된 레이저 광(34)(일점쇄선 화살표)도 제 1 검출기(26)의 포토다이오드(26.1)에 도달한다. 이는, 필터(32)가 항상 소량의 이러한 후방 산란된 레이저 광(34)을 통과시킨다는 것과 관련이 있다. 그러나 레이저 광(10)에 의해 야기된 형광 또는 열 복사로 인해 복사가 예를 들어 내연기관의 배기가스로부터 제 1 검출기(26)의 포토다이오드(26.1)에 도달하는 것도 가능하다. 제 1 검출기(26)의 신호의 잡음 또한 증가할 수 있다.
레이저 모듈(18)의 기능과 레이저 모듈(18)과 스팟(22) 사이 및 스팟(22)과 제 1 검출기(26) 사이의 광학 경로를 확인할 수 있도록, 제 2 검출기(28)가 이용된다. 스팟(22) 및/또는 렌즈(24) 및/또는 다이크로익 미러(30) 주변의 영역으로부터 산란된 레이저 광(34)(도 3의 일점쇄선 화살표)은 렌즈(31)를 포함한 동일한 광 경로를 지나 제 1 검출기(26)에 도달한다. 예를 들어 스팟(22) 주변의 영역에서 산란된 레이저 광이 다이크로익 미러(30)에서 최대한 투과되더라도, 산란광의 일부(예를 들어 0.1%)는 검출기(26, 28)의 방향으로 90° 편향된다. 매우 민감한 검출기(28)(예를 들어 SPAD-다이오드)가 사용되는 경우, 산란된 레이저 광의 이러한 일부도 진단 기능을 위해 충분하다. 이러한 산란된 레이저 광(34)은 그러나 필터(36)를 지나 제 2 검출기(28) 및 그것의 포토다이오드(28.1)에도 도달한다. 필터(36)는, 열 복사(14)의 파장을 필터링하도록 설계된다. 이러한 방식으로 실질적으로 산란된 레이저 광(34)만이 포토 다이오드(28.1)에 도달한다.
대안적인 변형예가 도 4에 도시된다. 여기서 레이저 광(10)은 커플링 광학 수단(38)에 의해 광 도파관(40) 내로 인 커플링되고, 상기 광 도파관을 통해 스팟(22)으로 안내된다. 거기에서 방출된 열 복사(14)와 거기에서 부분적으로 후방 산란된 레이저 광(34)은 모두 추가 광 도파관(42)을 통해 제 1 검출기(26) 및 제 2 검출기(28)로 다시 안내된다. 광 도파관(40, 42)으로서 특히 유리 섬유가 고려된다.
도 5는 예를 들어 내연기관의 배기가스 시스템에서, 연소 공정의 배기가스에서 그을음 입자 센서로서 사용하기에 적합한 본 발명에 따른 입자 센서(16)의 바람직한 실시예를 도시한다.
입자 센서(16)는 외부 보호 튜브(44)와 내부 보호 튜브(46)로 이루어진 구조를 갖는다. 2개의 보호 튜브(44, 46)는 바람직하게는 일반적인 원통 모양 또는 프리즘 모양을 갖는다. 원통 모양의 저면은 바람직하게는 원형, 타원형 또는 다각형이다. 원통은 바람직하게는 동축으로 배치되고, 이 경우 원통의 축은 배기가스(48)의 흐름에 대해 가로 방향으로 정렬된다. 내부 보호 튜브(46)는 외부 보호 튜브(44)를 넘어 축방향으로 유동 배기가스(48) 내로 돌출한다. 유동 배기가스(48)로부터 멀어지는 2개의 보호 튜브(44, 46)의 단부에서, 외부 보호 튜브(44)는 내부 보호 튜브(46)를 넘어 돌출한다. 외부 보호 튜브(44)의 내경은 바람직하게는 내부 보호 튜브(46)의 외경보다 훨씬 커서, 2개의 보호 튜브(44, 46) 사이에 제 1 유동 횡단면이 생성된다. 내부 보호 튜브(46)의 내경은 제 2 유동 횡단면을 형성한다.
이러한 기하학적 형상으로 인해, 배기가스(48)가 제 1 유동 횡단면을 통해 2개의 보호 튜브(44, 46)의 구조에 유입되고, 이어서 배기가스(48)로부터 멀어지는 보호 튜브(44, 46)의 단부에서 방향을 변경하고, 내부 보호관(46)에 유입되며, 상기 보호관으로부터 통과하는 배기가스(48)에 의해 흡입된다(화살표 49). 이 경우 내부 보호 튜브(46)에 층류가 발생한다. 보호 튜브(44, 46)의 이러한 구조는(도시되지 않은) 배기가스관 상에서 또는 내에서 배기가스 유동에 대해 가로 방향으로 그을음 입자 센서(16)에 고정된다.
그을음 입자 센서(16)는 또한 본 경우에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 평행한 레이저 광(10)을 생성하는 레이저 모듈(18)을 갖는다. 전술한 다이크로익 미러(30) 형태의 빔 스플리터는 평행한 레이저 광(10)의 빔 경로에 위치한다. 편향 없이 빔 스플리터(30)를 통과하는 레이저 광(10)의 일부는 광학 소자(20)에 의해 내부 보호 튜브(46) 내의 매우 작은 스팟(22)에 포커싱된다. 이 스팟(22)에서, 광 강도는 배기가스(48)와 함께 운반된 입자(12)를 섭씨 수천 도까지 가열하기에 충분히 높기 때문에, 가열된 입자(12)는 열 복사 형태로 상당한 복사(14)를 방출한다. 복사(14)는 예를 들어 근적외선 및 가시 스펙트럼 범위에 있으며, 본 발명은 이 스펙트럼 범위의 복사(14)로 제한되지 않는다.
열 복사의 형태로 방출된 이러한 무지향성 복사(14)의 또는 상기 LII-광의 일부는 광학 소자(20)에 의해 검출되고 빔 스플리터(30)에 의해 편향되며 렌즈(31)에 의해 제 1 검출기(26)로 향한다. 이러한 구조는, 배기가스(48)에 대한 하나의 광학 액세스만을 필요로 하는 특히 중요한 장점을 갖는데, 그 이유는 동일한 광학 수단, 특히 동일한 광학 소자(20)가 스팟(22)의 생성을 위해 및 입자(12)로부터 방사되는 열 복사(14)의 포착을 위해 사용되기 때문이다. 배기가스(48)는 측정 가스의 일례이다. 측정 가스는 다른 가스 또는 가스 혼합물, 예를 들어 실내 공기일 수도 있다.
도 5의 대상에서 레이저 모듈(18)은 레이저 다이오드(50) 및 레이저 다이오드(50)로부터 방사되는 레이저 광(10)을 평행하게 정렬하는 렌즈(52)를 갖는다. 레이저 다이오드(50)의 사용은 레이저 광(10)의 생성을 특히 저렴하고 쉽게 취급할 수 있는 가능성을 나타낸다. 평행한 레이저 광(10)은 광학 소자(20)에 의해 스팟(22)에 포커싱된다.
광학 입자 센서(16)는 바람직하게는 배기가스에 노출되는 제 1 부분(16.1) 및 배기가스에 노출되지 않고 입자 센서(16)의 광학 부품들을 포함하는 제 2 부분(16.2)을 갖는다. 2개의 부분은 보호 튜브(44, 46)와 입자 센서의 광학 소자 사이에서 연장되는 분리벽(16.3)에 의해 분리된다. 벽(16.3)은 화학적 침식성을 갖는 "오염된" 뜨거운 배기가스(48)로부터 민감한 광학 소자를 격리하는데 사용된다. 레이저 광(10)의 빔 경로의 격벽(16.3)에는 보호 창(54)이 설치되고, 상기 보호 창을 통해 레이저 광(10)이 배기가스(48) 내로 입사하고, 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)는 상기 보호 창을 통해 광학 소자(20)에 입사하고 거기로부터 빔 스플리터(30) 및 필터(32)를 통해 제 1 검출기(26)에 입사할 수 있다. 동일한 방식으로, 후방 산란된 레이저 광(34)의 일정 부분이 보호 창(54)을 통해 광학 소자(20), 다이크로익 미러(30), 포커싱 렌즈(31) 및 필터(36)에 도달하여 제 2 검출기(28)에 입사할 수 있다.
광학 입자 센서(16)는 제 1 검출기(26) 및 제 2 검출기(28)의 신호에 기초하여 입자 센서(16)의 광 경로의 또는 광 경로의 적어도 일부의 자기 진단을 수행하도록 프로그래밍된 평가 유닛(56)을 더 가질 수 있다.
여기에 도시된 실시예에 대한 대안으로서, 스팟(22)의 생성 및 스팟(22)에서 입자들로부터 방출되는 열 복사(14)의 검출은 별도의 광학 빔 경로를 통해서도 이루어질 수 있다.
실시예로서 여기에 명시된 것과 다른 렌즈 조합으로 스팟(22)을 생성하는 것도 고려될 수 있다. 또한, 입자 센서(16)는 실시예를 위해 여기에 명시된 레이저 다이오드(50)와 다른 레이저 광원으로 구현될 수도 있다.
Claims (10)
- 레이저(18)와 열 복사(14)를 검출하도록 설계된 제 1 검출기(26)를 포함하는, 레이저 유도 백열 원리를 사용하여 유동 유체에서 입자(12) 또는 에어로졸을 검출하기 위한 입자 센서(16)에 있어서,
상기 입자 센서(16)는 상기 레이저(18)의 빔 경로에 배치된 적어도 하나의 광학 소자(20)를 갖고, 상기 광학 소자는 상기 레이저(18)에서 방사되는 레이저 광(10)을 스팟(22)으로 수렴하도록 배치 및 설정되고, 상기 제 1 검출기(26)는 상기 스팟(22)으로부터 나오는 열 복사(14)를 검출하도록 설정 및 배치되고, 상기 입자 센서(16)는 후방 산란된 레이저 광(34)을 검출하도록 설정 및 배치된 제 2 검출기(28)를 포함하는, 입자 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 입자 센서는, 상기 레이저(18)로부터 상기 스팟(22)으로 상기 레이저 광(10)의 안내를 위해서뿐만 아니라 상기 제 1 검출기(26)로 상기 열 복사(14) 및 상기 제 2 검출기(28)로 후방 산란된 레이저 광(34)의 안내를 위해 사용되는 광학 부품(20, 30)을 갖는, 입자 센서. - 제 1 항 및 제 2 항 중 적어도 한 항에 있어서,
상기 제 1 검출기(26)와 상기 제 2 검출기(28)는 광학적으로 서로 평행하게 배치되는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
제 1 필터(32)가 상기 제 1 검출기(26) 앞에 배치되고, 상기 제 1 필터는 적어도 대략 상기 레이저(18)가 방출하는 파장 범위를 필터링하고, 바람직하게는 제 2 필터(36)가 상기 제 2 검출기(28) 앞에 배치되고, 상기 제 2 필터는 적어도 대략 상기 열 복사(14)의 파장 범위를 필터링하는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 센서는 상기 레이저(18)로부터 상기 스팟(22)으로 상기 레이저 광(10) 및/또는 상기 스팟(22)으로부터 상기 제 1 검출기(26)로 상기 열 복사(14) 및/또는 상기 후방 산란된 레이저 광(34)의 안내를 위해 광학 부품들, 특히 렌즈(20)와 미러(30)를 포함하는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 센서는 상기 레이저(18)로부터 상기 스팟(22)으로 상기 레이저 광(10) 및/또는 상기 스팟(22)으로부터 상기 제 1 검출기(26)로 상기 열 복사(14) 및/또는 상기 후방 산란된 레이저 광(34)의 안내를 위해 적어도 하나의 광 도파관(40, 42)을 포함하는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저(18)는 포커싱된 CW-레이저를 포함하고, 상기 레이저 광(10)과 측정될 가스 흐름은 상기 스팟(22) 영역에서 적어도 대략 평행하게 진행되는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 센서는 휴대용 장치로서 설계되는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
실내 공기질의 결정 시 또는 연소 시스템 또는 내연기관의 배기가스 흐름(48)에서 입자, 특히 그을음 입자의 검출에 사용되는, 입자 센서. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
상기 입자 센서는 상기 제 1 검출기(26) 및 상기 제 2 검출기(28)의 신호에 기초하여 상기 입자 센서(16)의 광 경로의 자기 진단을 수행하도록 프로그래밍된 평가 유닛을 포함하는, 입자 센서.
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