WO2019134844A1 - Optisches sensormodul für spektroskopische messung - Google Patents

Optisches sensormodul für spektroskopische messung Download PDF

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WO2019134844A1
WO2019134844A1 PCT/EP2018/086134 EP2018086134W WO2019134844A1 WO 2019134844 A1 WO2019134844 A1 WO 2019134844A1 EP 2018086134 W EP2018086134 W EP 2018086134W WO 2019134844 A1 WO2019134844 A1 WO 2019134844A1
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sensor module
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radiation source
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Benno Roesener
Michael Badeja
Viktor Kraus
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01J2003/102—Plural sources
    • G01J2003/104—Monochromatic plural sources

Definitions

  • the invention relates to an optical sensor module for analyzing a fluid or an object according to the preamble of patent claim 1.
  • NDIR non-dispersive infrared
  • Optical sensors are already used in a large number of applications.
  • NDIR non-dispersive infrared
  • detectors can determine a C0 2 content in the ambient air or a moisture content in gases or other materials.
  • sensors can be used to detect certain material properties and mixing ratios of media, such as gaseous, solid or liquid, and to evaluate spectrally.
  • miniaturized optical sensor is the monitoring of washing or
  • the sensors can, for example, perform a reflection measurement.
  • a detector and an emitter are usually located on the same side of the measuring path and the IR radiation generated by the emitters is guided over an optical path which may change over time, for example because the distance of the sensor to a measuring sample changed.
  • the basis for a spectral evaluation of an optical sensor is the homogeneous spectral response, which can consist of several wavelengths.
  • the problem underlying the invention can be seen to suggest an optical sensor module with improved spectral homogeneity, which can be technically easily manufactured.
  • an optical sensor module for detecting the optical sensor module
  • the sensor module has at least one radiation source for generating electromagnetic radiation of a wavelength range and for emitting the
  • the sensor module has at least one detector for receiving beams reflected on the fluid or the object and for converting the received beams into electronic measuring signals.
  • the sensor module has at least one base for positioning and aligning the at least one radiation source and the at least one detector on a printed circuit board.
  • At least one signal processing unit of the sensor module is used for amplifying and processing the electronic measuring signals of the at least one detector.
  • at least one radiation source can be positioned parallel or obliquely to the at least one detector by the at least one base on the printed circuit board.
  • the at least one radiation source can in this case be, for example, at least one infrared LED or an infrared laser.
  • SMD pluggable or so-called through-hole components are used for through-hole mounting to allow for miniaturization. From this all necessary components must be arranged as possible in one plane, such as on a circuit board or in a TO cell. With this structure, it is possible to perform the assembly of the components very quickly and inexpensively.
  • a mechanical structure for receiving the at least one detector and the at least one radiation source can be realized, which can be arranged on a printed circuit board. It can thus be realized by a suitable positioning of the optical components to each other a simple and cost-effective beam guidance or beam bundling. In addition to a precise alignment of the optical components of the sensor module, the sensor module can be technically easily assembled or manufactured. Furthermore, the radiation sources may be positioned by the pedestal relative to the at least one detector such that stray light is reduced or avoided.
  • a detector can be positioned centrally between at least two radiation sources in the at least one base.
  • the spectral homogeneity of the sensor module can be optimized.
  • deviations of the wavelength ranges of the radiation sources can thereby be compensated. This leads to an improved distribution of the spectral Shares of generated radiation in the measurement volume in which the sample or the object is positioned and can achieve a more homogeneous spectral distribution.
  • a radiation source can be positioned centrally between at least two detectors in the at least one base.
  • a broadband radiation source or emitter can be used in combination with a plurality of detectors for detecting a specific spectral range. This allows
  • Deviations in the radiation characteristic of the radiation source can be compensated by a larger detectable wavelength range of several identical or different detectors.
  • the at least one base is rotationally symmetrical in shape, the at least one base having at least one socket for receiving a detector and at least one socket for receiving a radiation source.
  • the optical components can be inserted into the socket in a form-fitting manner by means of the receptacles or frames introduced into the socket.
  • the at least one radiation source and the at least one detector can be optically optimally aligned in a state inserted into the receptacles.
  • the at least one base shields the at least one in a socket
  • Radiation sources are reduced or prevented on the at least one detector or scattered light in the housing.
  • a usable dynamic range of the sensor can be increased.
  • the base may favor multiple reflections at corresponding reflecting surfaces and thus increase a performance of the sensor module.
  • the optical sensor module has at least one distance sensor for determining a distance of the at least one detector from the object.
  • a distance measurement can be carried out, which can be used to compensate for an existing distance dependence of the sensor module. It can thus be increased a working range of the sensor module.
  • the at least one signal processing unit has an offset tracking of the electrical measurement signals and / or a variable amplification of the electrical measurement signals.
  • the at least one signal processing unit may have a signal conditioning and processing, whereby the
  • Sensor module can be adapted to application-specific requirements.
  • the optical sensor module has a temperature sensor for carrying out a temperature compensation.
  • Signal processing unit are taken into account.
  • the temperature-dependent effects can be compensated in the context of a processing of the measurement signals.
  • the at least one radiation source, the at least one detector, the at least one base, the at least one signal processing unit and at least one energy supply unit are arranged in a housing which can be sealed in a fluid-tight manner.
  • the housing can be closed by a lid and sealed by sealants, such as O-rings, against environmental influences.
  • the housing may be made of a plastic or of a water-resistant impregnated or painted metal.
  • the housing has at least one window for transmitting the
  • the optical components of the sensor module can be arranged protected in the housing.
  • the at least one detector is directly adjacent to the at least one window by the at least one base arranged in the housing
  • the at least one detector can be positioned in the housing by the at least one base such that the detector is arranged directly on the window of the housing.
  • the detector may be positioned orthogonal to a planar extent of the window, whereby reflections can be reduced.
  • the recording of the detector can shield the detector circumferentially relative to the window and thus protect the detector from stray light from the housing.
  • the detector according to the invention is particularly suitable for use in washing machines or dishwashers.
  • 1a is an exploded perspective view of a base with a plurality of radiation sources and a detector of a sensor module according to a first embodiment of the invention
  • 1b is an exploded perspective view of a base with a plurality of radiation sources and a detector of a sensor module according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of an illumination by a
  • FIG. 3a is an exploded perspective view of a sensor module according to the first embodiment of the invention.
  • 3b is an exploded perspective view of a sensor module according to the second embodiment of the invention.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a circuit diagram of a
  • Fig. 5 is a schematic representation of a sensor module according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 a shows an exploded perspective view of a base 1 with a plurality of radiation sources 2 and a detector 4 of a sensor module 6 according to a first embodiment of the invention.
  • the base 1 is shaped rotationally symmetrical and has six recordings for receiving 8 each of a radiation source 2.
  • the receptacles 8 for receiving radiation sources 2 are arranged around a receptacle 10 for receiving a detector 4 around. Furthermore, the receptacle 10 for receiving the detector 4 is arranged offset in a radiation direction of the radiation sources 2 to the receptacles 8 of the radiation source 2.
  • the sensor module 6 are the
  • Radiation sources 2 and the detector 4 aligned parallel to each other in the base 1 and in the receptacles 8, 10 of the base 1 positionable.
  • the radiation sources 2 are here for example infrared LEDs with a
  • the radiation sources 2 can be any suitable radiation sources. Diameter of 3 mm or 5 mm.
  • the radiation sources 2 can be any suitable radiation sources.
  • the base 1 is designed plan on a recording 10 of the detector 4 opposite end, so that the base 1 can be arranged positively on a flat printed circuit board.
  • the base 1 has opposite the beam direction of the radiation sources 2 through the base 1 guided through holes for the contacts of the radiation sources 2 and
  • the contacts guided through the base 1 can be aligned with each other and optimally positioned on the printed circuit board.
  • FIG. 1 b shows an exploded perspective view of a base 1 with a plurality of radiation sources 2 and a detector 4 of a sensor module 6 according to a second embodiment of the invention.
  • the radiation sources 2 are arranged at an angle relative to the detector 4.
  • the radiation sources 2 are oriented towards an axis of rotation of the rotationally symmetrical base 1 inclined or angled. This can be achieved by appropriately angled configured recordings 8 of the radiation sources 2. It can thereby be formed an overlap region of the electromagnetic radiation generated by the radiation sources 2, softer forms a homogeneous radiation region of the radiation sources 2 and
  • the 2 shows a schematic representation of an illumination by a sensor module 6 according to the second embodiment.
  • a section through the base 1 is shown.
  • the angled arrangement of the radiation sources 2 with respect to the detector 4 and the course of the contacts of the radiation sources 2 and the detector 4 are illustrated. Due to the staggered arrangement of the detector 4 relative to the radiation sources 2 in the base 1, the detector 4 can be positioned directly on a window 12 of the sensor module 6.
  • the detector 4 is arranged in the socket 1 such that a wall 10 surrounding the receptacle 10 of the detector 1 1 can protect and shield the detector 4 from the control light.
  • the base 1 is positioned on a window 12 sensor module 6, that between the conversion 1 1 and the window 12 no or a minimum distance is present.
  • the electromagnetic radiation generated by the radiation sources 2 is emitted by the sensor module 6 through the window 12.
  • Radiation sources 2 creates an overlap area A, which is designed as a sum of the generated electromagnetic radiation of all radiation sources 2. As a result, manufacturing tolerances of the radiation sources 2 can be compensated.
  • the base 1 can be designed to be movable, so that at least one individual radiation source 2 and / or the detector 4
  • an actuator can be provided, which is assigned to either the radiation source 2 or the detector.
  • the base 1 is designed in several parts, with one part of the base 1 can be moved relative to the other. By this multi-part design, the radiation source 2 or the detector 4 can be aligned in each case to the other element.
  • each part of the multi-part design of the base 1 is equipped with its own actuator, so that each part independently
  • the activation of the one or more actuators can be carried out by the signal processing unit 26, for example as a function of the measurement signals of the detector 6.
  • the sensor module 6 has a housing 14, which via Sealing rings 16 fluid-tight with a lid 18 is lockable.
  • the lid 18 has an external insulation for inserting the window 12. Through the window 12, the generated electromagnetic radiation from the housing 14 of the sensor module 6 can be emitted.
  • the window 12 can be positioned on the cover 18 by means of a sealing ring 16.
  • the window 12 can be glued into the recess of the lid 18.
  • the sensor module 6 has a first printed circuit board 20.
  • the base 1 is fastened via screw 22.
  • the radiation sources 2 and the detector 4 can be electrically conductively clamped or soldered to the printed circuit board 20.
  • the sensor module 6 also has a second printed circuit board 24, which is electrically conductively connected to the first printed circuit board 20.
  • a power supply of the sensor module 6 and at least one signal processing unit 26 for evaluating the electrical signals of the detector 4 are arranged on the second printed circuit board 20.
  • the power supply may be configured for example by a battery or an external power connection.
  • the respective components 18, 1, 24 can be frictionally secured to one another via screw connections 28 and / or on the housing 14.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a circuit diagram of a signal processing unit 26 of a sensor module 6 according to a
  • Embodiment of the invention In particular, an exemplary circuit of a signal path of the electrical measurement signals generated by the detector 4 is depicted here.
  • the detector 4 with a downstream transimpedance amplifier 30 is shown.
  • the transimpedance amplifier 30 can be arranged, for example, on the first printed circuit board 20 and can transmit the amplified measuring signals of the detector 4 to the second printed circuit board 24 via corresponding unnumbered data lines.
  • a differential amplifier 32 may be applied on the second circuit board 24, for example. With the differential amplifier 32, offset corrections of different measurement signals of the different radiation sources 2 can be performed by the digital-to-analog converter 34 by the signal processing unit 26. As a result, the measurement signals can be converted into a linear range of the following circuit elements.
  • a second operational amplifier 36 is arranged on the second printed circuit board 24.
  • the second operational amplifier 36 enables variable amplification of the signals processed by the signal processing unit 26.
  • Particularly advantageous is the use of the offset tracking of the differential amplifier 32 and the variable gain in different detection ranges, such as in a very weak,
  • the measurement signal can be tracked more precisely with the digital-to-analog converter 34 and the gain can be switched to a higher level.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a sensor module 6 according to a third embodiment of the invention.
  • the sensor module 6 in contrast to the previously described embodiments of the invention, the
  • Sensor module 6 a temperature sensor 38 and a distance sensor 40. Temperature-related deviations in the emission characteristic of an object 42, the radiation sources 2, of the
  • Detector 4 or a fluid to be examined in a further evaluation by the signal processing unit 26 are taken into account.
  • the distance sensor 40 may be an optical or ultrasound-based sensor. By the distance sensor 40 may be a
  • This misalignment can be critical for spectroscopy applications, where typically at least one wavelength of a measurement channel with a wavelength of one Reference channels are compared with each other. From this misalignment results in a sensor-specific distance dependence, which can be compensated by using the distance sensor 40. Since the distance of the sensor 4, 6 to the object 42 can vary, especially in the measurement by the sensor module 6 in the reflection mode, the integration of a distance sensor 40 for distance measurement into the sensor module 6 achieves the possibility of compensating the distance dependence of the measurement signals.
  • FIG. 6 Another embodiment relates to a method for the evaluation of the
  • Detector 4 received electronic measurement signals, which can be performed, for example, in the signal processing unit 26 by.
  • the measurement signals are processed in such a way that the signal processing unit 26 displays one or more signals as a function of the intensity of the radiation falling back onto the detector 4 from the at least one radiation source 2.
  • the signals of the signal processing unit 26 are generated as a function of the measured variables of the temperature sensor 38 and / or the distance sensor 40.

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Abstract

Offenbart ist ein optisches Sensormodul zum Analysieren eines Fluids oder eines Objekts, aufweisend mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen eines Wellenlängenbereichs und zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlen in Richtung eines zu untersuchenden Fluids oder Objekts, mindestens einen Detektor zum Empfangen von an dem Fluid reflektierten Strahlen und zum Umwandeln der empfangenen Strahlen in elektronische Messsignale, mindestens einen Sockel zum Positionieren und zum Ausrichten der mindestens einen Strahlenquelle und des mindestens einen Detektors auf einer Leiterplatte, mindestens eine Signalverarbeitungseinheit zum Verstärken und zum Verarbeiten der elektronischen Messsignale des mindestens einen Detektors, wobei die mindestens eine Strahlenquelle parallel oder schräg zu dem mindestens einem Detektor durch den mindestens einen Sockel auf der Leiterplatte positionierbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Optisches Sensormodul für spektroskopische Messung
Die Erfindung betrifft ein optisches Sensormodul zum Analysieren eines Fluids oder eines Objekts nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Optische Sensoren kommen bereits bei einer Vielzahl von Applikationen zum Einsatz. Beispielsweise können NDIR (nicht-dispersive Infrarot) -Detektoren einen C02-Gehalt in der Umgebungsluft oder einen Feuchtegehalt in Gasen oder anderen Materialien bestimmen. Insbesondere können derartige Sensoren eingesetzt werden, um bestimmte Stoffeigenschaften und Mischungsverhältnisse von Medien, wie beispielsweise gasförmige, fest oder flüssig, zu detektieren und spektral auszuwerten. Eine der möglichen Applikationen für einen
miniaturisierten optischen Sensor ist die Überwachung von Wasch- bzw.
Trocknungsprozessparametern.
Die Sensoren können beispielsweise eine Reflexionsmessung durchführen. Bei diesem Messverfahren befinden sich ein Detektor und ein Emitter üblicherweise auf derselben Seite der Messstrecke und die von den Emittern erzeugte IR- Strahlung wird über einen optischen Pfad geführt, der sich mit der Zeit verändern kann, weil sich beispielsweise der Abstand des Sensors zu einer Messprobe verändert.
Grundlage für eine spektrale Auswertung eines optischen Sensors, ist die homogene spektrale Antwort, die sich aus mehreren Wellenlängen zusammen- setzen kann. Beim Aufbau des Sensors in einer Ebene, wie beispielsweise auf einer Leiterplatine, ergeben sich Herausforderungen wie beispielsweise eine optimale Bündelung der Strahlung, um eine homogene spektrale Antwort zu erhalten.
Insbesondere bei Reflektionsmessungen gibt es zudem zahlreiche
Anwendungen mit einem sich verändernden Abstand zwischen einem Objekt und dem Sensormodul während der Messung. Bereits kleine Abweichungen in einer Anordnung der Emitter und des Detektors, sowie in einer Abstrahlcharakteristik der Emitter, können die Abstandsabhängigkeit des Sensors negativ beeinflussen, sodass ein Arbeitsbereich des Sensors bei hochgenauen Messaufgaben stark eingeschränkt werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein optisches Sensormodul mit einer verbesserten spektralen Homogenität vorzuschlagen, welches technisch einfach hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein optisches Sensormodul zum
Analysieren eines Fluids oder eines Objekts bereitgestellt. Das Sensormodul weist mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von elektromagnetischen Strahlen eines Wellenlängenbereichs und zum Abstrahlen der
elektromagnetischen Strahlen in Richtung eines zu untersuchenden Fluids oder Objekts auf. Des Weiteren weist das Sensormodul mindestens einen Detektor zum Empfangen von an dem Fluid oder dem Objekt reflektierten Strahlen und zum Umwandeln der empfangenen Strahlen in elektronische Messsignale auf. Das Sensormodul weist mindestens einen Sockel zum Positionieren und zum Ausrichten der mindestens einen Strahlenquelle und des mindestens einen Detektors auf einer Leiterplatte auf. Mindestens eine Signalverarbeitungseinheit des Sensormoduls dient zum Verstärken und zum Verarbeiten der elektronischen Messsignale des mindestens einen Detektors. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Strahlenquelle parallel oder schräg zu dem mindestens einen Detektor durch den mindestens einen Sockel auf der Leiterplatte positionierbar.
Die mindestens eine Strahlenquelle kann hierbei beispielsweise mindestens eine Infrarot-LED oder ein Infrarot-Laser sein.
Um optische Sensorkonzepte möglichst kosteneffizient realisieren zu
können ist es vorteilhaft diese zu miniaturisieren und den optischen Pfad durch geeignete Wahl der Design-, Materialparameter und optischen
Komponenten einfach auszulegen. Typischerweise werden SMD Bestückbare oder sogenannte through-hole Komponenten für eine Durchsteckmontage verwendet, um eine Miniaturisierung zu ermöglichen. Hieraus müssen alle notwendigen Komponenten möglichst in einer Ebene, wie zum Beispiel auf einer Leiterplatte oder in einer TO-Zelle angeordnet sein. Durch diesen Aufbau ist es möglich die Bestückung der Bauelemente sehr schnell und kostengünstig durchzuführen.
Durch den Sockel kann eine mechanische Struktur zum Aufnehmen des mindestens einen Detektors und der mindestens einen Strahlenquelle realisiert werden, welche auf einer Leiterplatte anordnbar ist. Es kann somit eine einfache und kostengünstige Strahlführung bzw. Strahlbündelung durch eine geeignete Positionierung der optischen Komponenten zueinander realisiert werden. Neben einer präzisen Ausrichtung der optischen Komponenten des Sensormoduls, kann das Sensormodul technisch einfach montiert bzw. hergestellt werden. Des Weiteren können die Strahlenquellen durch den Sockel derart relativ zu dem mindestens einem Detektor positioniert bzw. ausgerichtet sein, dass Streulicht reduziert oder vermieden wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls ist ein Detektor mittig zwischen mindestens zwei Strahlenquellen in dem mindestens einen Sockel positionierbar. Durch die gegenüberliegende Anordnung der mindestens zwei Strahlenquellen mit einem gleichen Wellenlängenbereich kann die spektrale Homogenität des Sensormoduls optimiert werden. Insbesondere können hierdurch Abweichungen der Wellenlängenbereiche der Strahlenquellen kompensiert werden. Dies führt zu einer verbesserten Verteilung der spektralen Anteile der erzeugten Strahlungen im Messvolumen, in dem sich die Probe bzw. das Objekt positioniert ist und kann eine homogenere spektrale Verteilung erzielen.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls ist eine Strahlenquelle mittig zwischen mindestens zwei Detektoren in dem mindestens einen Sockel positionierbar. Alternativ zu einer Anordnung von einem Detektor zwischen mehreren Strahlenquellen, kann eine breitbandige Strahlenquelle bzw. Emitter in Kombination mit mehreren Detektoren zum Detektieren eines spezifischen spektralen Bereichs verwendet werden. Hierdurch können
Abweichungen in der Abstrahlcharakteristik der Strahlenquelle durch einen größeren detektierbaren Wellenlängenbereich mehrerer gleicher oder unterschiedlicher Detektoren kompensiert werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls ist der mindestens eine Sockel rotationssymmetrisch geformt, wobei der mindestens eine Sockel mindestens eine Fassung zum Aufnehmen eines Detektors und mindestens eine Fassung zum Aufnehmen einer Strahlenquelle aufweist. Durch die in den Sockel eingebrachten Aufnahmen bzw. Fassungen können die optischen Komponenten formschlüssig in den Sockel eingesetzt werden.
Insbesondere können die mindestens eine Strahlenquelle und der mindestens eine Detektor in einem in die Aufnahmen eingesetzten Zustand optisch optimal ausgerichtet sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls schirmt der mindestens eine Sockel den mindestens einen in einer Fassung
angeordneten Detektor zumindest bereichsweise vor elektromagnetischen Strahlen ab. Hierdurch können ein unerwünschtes Übersprechen von
Strahlenquellen auf den mindestens einen Detektor oder Streulicht im Gehäuse reduziert oder verhindert werden. Es kann somit ein nutzbarer Dynamikbereich des Sensors vergrößert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Sockel im Bereich der Aufnahme des mindestens einen Detektors Mehrfachreflektionen an entsprechenden reflektierenden Oberflächen begünstigen und somit eine Leistungsfähigkeit des Sensormoduls steigern. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls weist das optische Sensormodul mindestens einen Abstandssensor zum Ermitteln eines Abstands des mindestens einen Detektors zum Objekt auf.
Durch den zusätzlichen Sensor kann eine Distanzmessung erfolgen, die zum Kompensieren einer vorhandenen Abstandsabhängigkeit des Sensormoduls eingesetzt werden kann. Es kann somit ein Arbeitsbereich des Sensormoduls vergrößert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls weist die mindestens eine Signalverarbeitungseinheit eine Offsetnachführung der elektrischen Messsignale und/oder eine variable Verstärkung der elektrischen Messsignale auf. Hierdurch kann die mindestens eine Signalverarbeitungseinheit eine Signalkonditionierung- und -Verarbeitung aufweisen, wodurch das
Sensormodul an applikationsspezifische Anforderungen angepasst werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls weist das optische Sensormodul einen Temperatursensor zum Durchführen einer Temperaturkompensation auf. Hierdurch können thermische Einflüsse auf die Strahlungscharakteristiken der Emitter oder des mindestens einen Detektors, sowie auf die zu untersuchenden Materialen bei einer Auswertung der
Messsignale des mindestens einen Detektors durch die mindestens eine
Signalverarbeitungseinheit berücksichtigt werden. Insbesondere können durch die zusätzliche Temperaturinformation die temperaturabhängigen Effekte im Rahmen einer Verarbeitung der Messsignale kompensiert werden.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls sind die mindestens eine Strahlenquelle, der mindestens eine Detektor, der mindestens eine Sockel, die mindestens eine Signalverarbeitungseinheit und mindestens eine Energieversorgungseinheit in einem fluiddicht verschließbaren Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise kann das Gehäuse durch einen Deckel verschließbar und durch Dichtmittel, wie beispielsweise O-Ringe, gegen Umwelteinflüsse abdichtbar sein. Das Gehäuse kann aus einem Kunststoff oder aus einem wasserbeständig Imprägnierten oder Lackierten Metall bestehen. Somit kann das Sensormodul auch in feuchten Umgebungen eingesetzt werden, wobei die Komponenten des Sensormoduls in dem Gehäuse geschützt angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls weist das Gehäuse zumindest ein Fenster zum Transmittieren der
elektromagnetischen Strahlung der mindestens einen Strahlenquelle auf. Somit können die von der mindestens einen Strahlenquelle erzeugten
elektromagnetischen Strahlen aus dem Gehäuse hinaus emittiert werden. Dabei können insbesondere die optischen Komponenten des Sensormoduls in dem Gehäuse geschützt angeordnet sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des optischen Sensormoduls ist der mindestens eine Detektor durch den mindestens einen in dem Gehäuse angeordneten Sockel unmittelbar an dem mindestens einen Fenster
positionierbar. Der mindestens eine Detektor kann durch den mindestens einen Sockel derart in dem Gehäuse positioniert werden, dass der Detektor direkt an dem Fenster des Gehäuses angeordnet ist. Insbesondere kann der Detektor orthogonal zu einer flächigen Ausdehnung des Fensters positioniert sein, wodurch Reflektionen verringert werden können. Je nach Ausgestaltung des mindestens einen Sockels kann die Aufnahme des Detektors den Detektor umfangsseitig gegenüber dem Fenster abschirmen und somit den Detektor vor Streulicht aus dem Gehäuse schützen.
Der erfindungsgemäße Detektor eignet sich besonders beim Einsatz in Wasch- oder Spülmaschinen.
Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen
Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1a eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sockels mit mehreren Strahlenquellen und einem Detektor eines Sensormoduls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 b eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sockels mit mehreren Strahlenquellen und einem Detektor eines Sensormoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausleuchtung durch ein
Sensormodul gemäß der zweiten Ausführungsform.
Fig. 3a eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sensormoduls gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3b eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sensormoduls gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Schaltplans einer
Signalverarbeitungseinheit eines Sensormoduls gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Sensormoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
Die Figur 1 a zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sockels 1 mit mehreren Strahlenquellen 2 und einem Detektor 4 eines Sensormoduls 6 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Der Sockel 1 ist rotationssymmetrisch geformt und weist sechs Aufnahmen zum Aufnehmen 8 von jeweils einer Strahlenquelle 2 auf. Die Aufnahmen 8 zum Aufnehmen von Strahlenquellen 2 sind um eine Aufnahme 10 zum Aufnehmen eines Detektors 4 herum angeordnet. Des Weiteren ist die Aufnahme 10 zum Aufnehmen des Detektors 4 in eine Abstrahlrichtung der Strahlenquellen 2 versetzt zu den Aufnahmen 8 der Strahlenquelle 2 angeordnet. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel des Sensormoduls 6 sind die
Strahlenquellen 2 und der Detektor 4 parallel zueinander ausgerichtet in dem Sockel 1 bzw. in den Aufnahmen 8, 10 des Sockels 1 positionierbar.
Die Strahlenquellen 2 sind hier beispielsweise Infrarot LEDs mit einem
Durchmesser von 3 mm oder 5 mm. Die Strahlenquellen 2 können
elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1000 nm emittieren.
Der Sockel 1 ist an einem der Aufnahme 10 des Detektors 4 entgegengesetzten Ende plan ausgestaltet, so dass der Sockel 1 auf einer ebenen Leiterplatine formschlüssig angeordnet werden kann. Der Sockel 1 weist entgegengesetzt der Strahlrichtung der Strahlenquellen 2 durch den Sockel 1 hindurch geführte Durchgangsbohrungen für die Kontakte der Strahlenquellen 2 und des
Detektors 4 auf. Es können somit die durch den Sockel 1 geführten Kontakte zueinander ausgerichtet und optimal auf der Leiterplatte positioniert werden.
In der Figur 1 b ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Sockels 1 mit mehreren Strahlenquellen 2 und einem Detektor 4 eines Sensormoduls 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel des Sensormoduls 6, sind hier die Strahlenquellen 2 in einen Winkel relativ zu dem Detektor 4 angeordnet. Insbesondere sind die Strahlenquellen 2 hin zu einer Rotationsachse des rotationssymmetrischen Sockels 1 geneigt bzw. gewinkelt ausgerichtet. Dies kann durch entsprechend gewinkelt ausgestaltete Aufnahmen 8 der Strahlenquellen 2 erzielt werden. Es kann hierdurch einen Überlappungsbereich der durch die Strahlenquellen 2 erzeugten elektromagnetischen Strahlen gebildet werden, weicher einen homogenen Abstrahlbereich der Strahlenquellen 2 bildet und
Fertigungstoleranzen der Strahlenquellen 2 ausgleichen kann.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausleuchtung durch ein Sensormodul 6 gemäß der zweiten Ausführungsform. Insbesondere ist ein Schnitt durch den Sockel 1 dargestellt. Dabei sind die gewinkelte Anordnung der Strahlenquellen 2 gegenüber dem Detektor 4 sowie der Verlauf der Kontakte der Strahlenquellen 2 und des Detektors 4 veranschaulicht. Durch die versetzte Anordnung des Detektors 4 gegenüber den Strahlenquellen 2 in dem Sockel 1 kann der Detektor 4 unmittelbar an einem Fenster 12 des Sensormoduls 6 positioniert werden. Dabei ist der Detektor 4 derart in dem Sockel 1 angeordnet, dass eine die Aufnahme 10 des Detektors 4 umgebende Wandung 1 1 den Detektor 4 vor Steuerlicht schützen und abschirmen kann. Vorzugsweise ist der Sockel 1 derart an einen Fenster 12 Sensormoduls 6 positioniert, dass zwischen der Wandlung 1 1 und dem Fenster 12 kein oder ein minimaler Abstand vorhanden ist.
Die durch die Strahlenquellen 2 erzeugte elektromagnetische Strahlung wird durch das Fenster 12 vom Sensormodul 6 abgestrahlt. Durch mehrere
Strahlenquellen 2 entsteht ein Überlappungsbereich A, welcher als eine Summe der erzeugten elektromagnetischen Strahlungen aller Strahlenquellen 2 ausgestaltet ist. Hierdurch können Fertigungstoleranzen der Strahlenquellen 2 ausgeglichen werden.
Optional kann vorgesehen sein, den Sockel 1 beweglich auszugestalten, so dass wenigstens eine einzelne Strahlungsquelle 2 und/oder der Detektor 4
ausgerichtet werden kann. Hierzu kann ein Aktuator vorgesehen sein, der entweder der Strahlungsquelle 2 oder dem Detektor zugeordnet ist. Weiterhin optional kann vorgesehen sein, dass der Sockel 1 mehrteilig ausgestaltet ist, wobei sich ein Teil des Sockels 1 gegenüber dem anderen bewegen lässt. Durch diese mehrteilige Ausgestaltung kann die Strahlungsquelle 2 oder der Detektor 4 jeweils zum anderen Element ausgerichtet werden. In einer besonderen
Ausgestaltung ist jedes Teil der mehrteiligen Ausgestaltung des Sockels 1 mit einem eigenen Aktuator ausgestattet, so dass jedes Teil unabhängig
voneinander angesteuert und positioniert werden kann. Die Ansteuerung des einen oder der mehreren Aktuatoren kann durch die Signalverarbeitungseinheit 26 erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit von den Messsignalen des Detektors 6.
In der Figur 3a und 3b sind perspektivische Explosionsdarstellung von
Sensormodulen 6 gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Sensormodul 6 weist ein Gehäuse 14 auf, welches über Dichtringe 16 fluiddicht mit einem Deckel 18 abschließbar ist. Der Deckel 18 weist eine Außendämmung zum Einsetzen des Fensters 12 auf. Durch das Fenster 12 können die erzeugten elektromagnetischen Strahlen aus dem Gehäuse 14 der Sensormoduls 6 emittiert werden. Das Fenster 12 kann hierbei mithilfe eines Dichtrings 16 an dem Deckel 18 positioniert werden.
Beispielsweise kann das Fenster 12 in die Ausnehmung des Deckels 18 eingeklebt werden.
Des Weiteren weist das Sensormodul 6 eine erste Leiterplatte 20 auf. Auf der ersten Leiterplatte 20 ist der Sockel 1 über Schraubverbindungen 22 befestigt. Dabei können die Strahlenquellen 2 und der Detektor 4 mit der Leiterplatte 20 elektrisch leitfähig geklemmt oder verlötet werden.
Das Sensormodul 6 weist darüber hinaus eine zweite Leiterplatte 24 auf, welche mit der ersten Leiterplatte 20 elektrisch leitfähig verbunden ist. Auf der zweiten Leiterplatte 20 ist beispielsweise eine Stromversorgung des Sensormoduls 6 und mindestens eine Signalverarbeitungseinheit 26 zum Auswerten der elektrischen Signale des Detektors 4 angeordnet. Die Stromversorgung kann beispielsweise durch eine Batterie oder einen externen Stromanschluss ausgestaltet sein.
Die jeweiligen Komponenten 18, 1 , 24 können über Schraubverbindungen 28 miteinander und/oder am Gehäuse 14 kraftschlüssig befestigt werden.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltplans einer Signalverarbeitungseinheit 26 eines Sensormoduls 6 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Insbesondere ist hierbei eine beispielhafte Schaltung eines Signalpfades der von dem Detektor 4 erzeugten elektrischen Messsignale abgebildet.
Es ist der Detektor 4 mit einem nachgeschalteten Transimpedanzverstärker 30 gezeigt. Der Transimpedanzverstärker 30 kann hierbei beispielsweise auf der ersten Leiterplatte 20 angeordnet sein und die verstärkten Messsignale des Detektors 4 über entsprechende nicht bezifferte Datenleitungen an die zweite Leiterplatte 24 übertragen können. Auf der zweiten Leiterplatte 24 kann beispielsweise ein Differentialverstärker 32 aufgebracht sein. Mit dem Differentialverstärker 32 können Offsetkorrekturen von unterschiedlichen Messsignalen der unterschiedlichen Strahlenquellen 2 durch Digital-Analog-Wandler 34 von der Signalverarbeitungseinheit 26 durchgeführt werden. Dadurch können die Messsignale in einen linearen Bereich der nachfolgenden Schaltungselemente überführt werden.
Auf der zweiten Leiterplatte 24 ist hierbei ein zweiter Operationsverstärker 36 angeordnet. Der zweite Operationsverstärker 36 ermöglicht eine variable Verstärkung der Signale, die durch die Signalverarbeitungseinheit 26 verarbeitet werden. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung aus der Offsetnachführung des Differentialverstärkers 32 und der variablen Verstärkung in unterschiedlichen Detektionsbereichen, wie beispielsweise bei einem sehr schwachen,
feuchtigkeitsabhängigen Signal. In dem Detektionsbereich kann das Messsignal präziser mit dem Digital-Analog-Wandler 34 nachgeführt werden und die Verstärkung auf eine höhere Stufe geschaltet werden.
In der Figur 5 ist eine schematische Darstellung eines Sensormoduls 6 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, weist der
Sensormodul 6 einen Temperatursensor 38 und einen Abstandssensor 40 auf. Durch den Temperatursensor 38 können temperaturbedingte Abweichungen in der Abstrahlcharakteristik eines Objektes 42, der Strahlenquellen 2, des
Detektors 4 oder eines zu untersuchenden Fluids bei einer weiteren Auswertung durch die Signalverarbeitungseinheit 26 berücksichtigt werden.
Der Abstandssensor 40 kann hierbei ein optischer oder auf Ultraschall basierender Sensor sein. Durch den Abstandssensor 40 kann eine
Abstandsabhängigkeit der vom Objekt 42 reflektierten Messsignale kompensiert werden.
Bedingt durch Toleranzen auf System und Komponentenebene kann sich eine Fehljustierung der optischen Elemente zueinander ergeben. Diese Fehljustage kann für Spektroskopie Anwendungen kritisch sein, bei denen typischerweise mindestens eine Wellenlänge eines Messkanals mit einer Wellenlänge eines Referenzkanals miteinander verglichen werden. Aus dieser Fehljustage ergibt sich eine sensorspezifische Abstandsabhängigkeit, die sich durch ein Verwenden des Abstandssensors 40 kompensiert werden kann. Da besonders bei der Messung durch das Sensormodul 6 im Reflexionsmodus der Abstand des Sensors 4, 6 zum Objekt 42 variieren kann, wird durch die Integration eines Abstandssensors 40 zur Abstandsmessung in das Sensormodul 6 die Möglichkeit zur Kompensation der Abstandsabhängigkeit der Messsignale erzielt.
In der Figur 5 ist darüber hinaus eine Übersicht aller relevanten Komponenten des Sensormoduls 6 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Ein weiteres Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Auswertung der vom
Detektor 4 empfangenen elektronischen Messsignale, welches beispielsweise in der Signalverarbeitungseinheit 26 durch geführt werden kann. Hierbei werden die Messsignale derart aufbereitet, dass die Signalverarbeitungseinheit 26 ein oder mehrere Signale in Abhängigkeit von der Intensität der von der wenigstens einen Strahlungsquelle 2 auf den Detektor 4 zurückfallenden Strahlung anzeigt.
Weiterhin ist denkbar, dass die Signale der Signalverarbeitungseinheit 26 in Abhängigkeit von den Messgrößen des Temperatursensors 38 und/oder des Abstandssensors 40 erzeugt werden.

Claims

Ansprüche
1. Optisches Sensormodul (6) zum Analysieren eines Fluids oder eines
Objekts (42), aufweisend
mindestens eine Strahlenquelle (2) zum Erzeugen von
elektromagnetischen Strahlen eines Wellenlängenbereichs und zum Abstrahlen der elektromagnetischen Strahlen in Richtung eines zu untersuchenden Fluids oder Objekts (42),
mindestens einen Detektor (4) zum Empfangen von an dem Fluid oder dem Objekt (42) reflektierten Strahlen und zum Umwandeln der empfangenen Strahlen in elektronische Messsignale,
mindestens einen Sockel (1 ) zum Positionieren und zum Ausrichten der mindestens einen Strahlenquelle (2) und des mindestens einen
Detektors (4) auf einer Leiterplatte (20),
mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (26) zum Verstärken und zum Verarbeiten der elektronischen Messsignale des mindestens einen Detektors (4),
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlenquelle (2) parallel oder schräg zu dem mindestens einen Detektor (4) durch den mindestens einen Sockel (1 ) auf der Leiterplatte (20) positionierbar ist.
2. Sensormodul nach Anspruch 1 , wobei ein Detektor (4) mittig zwischen
mindestens zwei Strahlenquellen (2) in dem mindestens einen Sockel (1 ) positionierbar ist.
3. Sensormodul nach Anspruch 1 , wobei eine Strahlenquelle (2) mittig zwischen mindestens zwei Detektoren (4) in dem mindestens einen Sockel (1 ) positionierbar ist.
4. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Sockel (1 ) rotationssymmetrisch geformt ist, wobei der mindestens eine Sockel (1 ) mindestens eine Fassung (10) zum Aufnahmen eines Detektors (4) und mindestens eine Fassung (8) zum Aufnehmen einer Strahlenquelle (2) aufweist.
5. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Sockel (1 ) den mindestens einen in einer Fassung (10) angeordneten Detektor (4) zumindest bereichsweise vor elektromagnetischen Strahlen abschirmt.
6. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das optische
Sensormodul (6) mindestens einen Abstandssensor (40) zum Ermitteln eines Abstands des mindestens einen Detektors (4) zum Objekt (42) aufweist.
7. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (26) eine Offsetnachführung (32) der elektrischen Messsignale und/oder eine variable Verstärkung (36) der elektrischen Messsignale aufweist.
8. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische
Sensormodul (6) einen Temperatursensor (38) zum Durchführen einer Temperaturkompensation aufweist.
9. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine Strahlenquelle (2), der mindestens eine Detektor (4), der mindestens eine Sockel (1 ), die mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (26) und mindestens eine Energieversorgungseinheit in einem fluiddicht
verschließbaren Gehäuse (14, 18) angeordnet sind.
10. Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse (14,
18) zumindest ein Fenster (12) zum Transmittieren der elektromagnetischen Strahlung der mindestens einen Strahlenquelle (2) aufweist.
1 1. Sensormodul nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Detektor (4) durch den mindestens einen in dem Gehäuse (14, 18) angeordneten Sockel (1 ) unmittelbar an dem mindestens einen Fenster (12) positionierbar ist.
12. Verfahren zur Auswertung des Sensorsignals eines Sensormoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei ein Detektorsignal eines Detektors (4) in Abhängigkeit von einer durch mindestens eine Strahlenquelle (2) erzeugten und in Richtung eines zu untersuchenden Fluids oder Objekts (42) abgestrahlten auf den Detektor (4) zurückgeworfenen elektromagnetischen
Strahlen verstärkt und verarbeitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass das
Sensorsignal in Abhängigkeit einer Messgröße eines Temperatursensors (38) und/oder eines Abstandssensors (40) modifiziert wird.
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