用于颗粒密度探测的激光传感器模块制造技术

本发明专利技术描述一种激光传感器模块。所述激光传感器模块包括：至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111')；光学装置(150)，所述光学装置被布置用于至少将所述第一测量光束(111')聚焦到第一测量体积(161)，其中，所述光学装置的特征在于相对于所述第一测量光束(111')的第一数值孔径；至少第一探测器(121)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的第一自混合干涉信号；评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由至少所述第一探测器(121)响应于所确定的第一自混合干涉信号而生成的探测信号，所述评估器(140)还适于基于由所述颗粒生成的第一自混合干涉信号的持续时间来确定在预先确定的时间段内通过所述第一测量体积(161)的颗粒的平均渡越时间，其中，所述评估器(140)还适于在所述预先确定的时间段中基于所述第一自混合干涉信号来确定颗粒数目，其中，所述评估器(140)还适于基于所述平均渡越时间和所述颗粒数目确定第一颗粒密度。本发明专利技术还涉及一种颗粒密度探测方法和相应的计算机程序产品。本发明专利技术还涉及一种包括这种激光传感器模块(100)的移动通信设备(190)。

Laser Sensor Module for Particle Density Detection

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于颗粒密度探测的激光传感器模块
本专利技术涉及一种使用干涉或自混合干涉进行颗粒密度探测的激光传感器模块、一种有关的颗粒密度探测方法和一种相应的计算机程序产品。本专利技术还涉及一种包括这种激光传感器模块的移动通信设备。
技术介绍
DE102015207289A1公开了一种颗粒传感器装置，其具有光学发射器设备，该光学发射器设备被配置用于发射光学辐射，使得至少部分地可照射以下体积：所述体积具有可能存在于其中的至少一个颗粒；光学探测器设备，其具有至少一个探测表面，该至少一个探测表面被在至少一个颗粒处散射的光学辐射的至少一部分照射，关于照射至少一个探测表面的光学辐射的强度和/或强度分布的至少一个信息信号是可显示的；以及评估设备，借助该评估设备可以识别和显示关于颗粒的存在、颗粒的数目、颗粒密度和/或颗粒的至少一种性质的信息项，该颗粒传感器装置还包括至少一个透镜元件，其布置用于使得所发射的光学辐射可聚焦到该体积内的聚焦区域上。颗粒传感器装置包括平面镜设备，其被布置用于使聚焦区域运动以便抑制风速的影响。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是，提供一种用于颗粒密度探测的经改进的和简化的激光传感器模块。本专利技术由独立权利要求限定。从属权利要求限定有利的实施例。根据第一方面，一种激光传感器模块，用于探测小颗粒(固体或液体颗粒，其可以保持悬浮在空气中并且随风扩散)的颗粒密度。颗粒尺寸通常小于20μm或甚至10μm。例如，颗粒的特征可以在于0.05微米至10μm之间、优选在0.1至2.5μm之间的尺寸。激光传感器模块包括：至少第一激光器，其适于发射第一测量光束，光学装置，其被布置用于至少将第一测量光束聚焦到第一测量体积，其中，光学装置的特征在于相对于第一测量光束的第一数值孔径，至少第一探测器，其适于确定第一激光器的第一激光腔内的第一光波的第一干涉信号或第一自混合干涉信号，评估器，其中，评估器适于接收由至少第一探测器响应于所确定的第一干涉或第一干涉信号而生成的探测信号，其中，评估器还适于基于由颗粒生成的第一干涉或第一自混合干涉信号的持续时间来确定在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒的平均渡越时间，其中，评估器还适于在预先确定的时间段中基于第一干涉或第一自混合干涉信号来确定颗粒数目，其中，评估器还适于基于平均渡越时间和颗粒数目确定第一颗粒密度。用于颗粒探测并且尤其用于颗粒密度探测的光学感测技术通常使用具有已知颗粒流的测量体积。这意味着，颗粒流相对于测量光束的速度以及方向是已知的。颗粒流可以通过例如风扇来限定，使得颗粒运动或通过例如MEMS平面镜来限定，所述MEMS平面镜使测量光束相对于颗粒运动。通过这些措施可以减少或甚至消除风速相对于每个观察时间单位的探测体积的影响。使用这种技术的光学传感器模块体积庞大，可能不适用于所有颗粒感测应用。上述激光传感器模块使得能够在不提供预先定义的颗粒流方向和速度的情况下进行颗粒探测。使用仅仅一个在仅仅一个方向上发射测量光束的激光器(和相应的探测器)来基于在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒生成第一自混合干涉信号。自混合干涉信号用于确定在预先确定的时间段内通过第一测量体积的颗粒数目和颗粒的平均渡越时间。每个单个颗粒的渡越时间是由相应颗粒生成的自混合干涉信号的开始与由相应颗粒生成的自混合干涉信号的结束之间的时间差。平均渡越时间是在预先定义的时间内测量的所有渡越时间的平均值。可以定义某些阈值以便选择可以改善平均渡越时间的确定的自混合干涉信号。例如，可以仅仅选择具有高于预先定义的阈值幅度值的最大信号幅度的这种自混合干涉信号。预先定义的阈值幅度值可以使得能够选择由颗粒沿着测量光束的方向通过测量体积的中心线而引起的这种自混合干涉信号。此外，颗粒的基本上圆形的形状和第一测量光束导致作为偏离中心距离的函数的渡越时间仅仅逐渐减小，使得渡越时间探测对于颗粒通过第一测量体积的路径不敏感。在颗粒流的速度向量与第一测量光束的方向之间的近似已知的关系的情况下，通过自混合干涉信号探测的平均渡越时间和颗粒数目足以确定第一颗粒密度。自混合干涉信号还提供关于所测量的颗粒流的速度向量的平行于第一测量光束的速度分量的信息。该信息可以与平均渡越时间和参考光束直径结合地使用，给出垂直于第一测量光束的速度分量的指示，以确定速度向量和第一测量光束之间的角度90°-α。参考光束直径是校准因子，其基于参考角度α的参考实验来确定。第一自混合干涉信号还用于确定在预先确定的时间段中通过第一测量体积的颗粒数目。基于平均渡越时间、在预先确定的时间段中的所探测到的颗粒数目以及角度α，确定第一颗粒密度。角度α通过公式(等式1)确定：其中，f＝多普勒频率，λ＝测量波长(例如850nm)，tmeas＝所测量的平均渡越时间，dref＝参考光束直径。数值孔径可以进一步布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，在包括参考速度的预先确定的速度范围内选择参考速度。已经认识到，如果平均速度和传感器模块的光学器件的数值孔径的三次幂之间的比率是恒定的，则计数率保持相同并且最小探测颗粒尺寸保持恒定。这意味着，在较低的平均颗粒速度下，用于将测量光束聚焦到探测体积的光学器件的数值孔径应该更低。包括这种模块的激光传感器模块或颗粒探测系统可以相对于参考速度设计。参考速度是另一校准参数，其取决于颗粒速度的范围，其应被覆盖以便能够通过激光传感器模块实现可靠的颗粒密度探测。选择参考速度使得能够跨预先确定的速度范围以可靠的方式确定给定的颗粒密度。光学装置优选的特征在于，相对于第一测量光束，第一数值孔径在0.01和0.06之间，优选地在0.02和0.04之间，其中，探测到的颗粒的参考速度小于1m/s。该预先确定的速度范围可以在0.01m/s和7m/s之间的范围内。小的数值孔径与颗粒的缓慢运动相结合能够通过手持设备例如移动通信设备(例如智能电话)实现可靠的颗粒探测。此外，小的数值孔径使得能够实现到例如包括激光传感器模块的智能电话的表面的在3mm到10mm之间的可靠探测距离(第一测量体积)。取决于激光传感器模块相对于颗粒流的平均速度，有必要使数值孔径适应预期的应用。主要应用在具有例如10m/s平均速度的运动物体(车辆)上的激光传感器模块需要更大的数值孔径，以便能够实现探测在高速下的更小的颗粒，否则不对这样的小颗粒计数，从而增加颗粒密度探测的误差。评估器还可以适于基于第一自混合干涉信号和平均渡越时间确定在第一测量光束和颗粒的速度向量之间围成的角度。基于探测到的颗粒数目、角度α、参考速度和垂直于光束的平均渡越时间确定第一颗粒密度，其中，参考速度和参考光束直径定义参考(渡越)时间(tref)，在所述参考(渡越)时间中，具有参考颗粒尺寸的参考颗粒通过第一测量光束，其中，参考颗粒的速度向量垂直于第一测量光束。评估器还可以适于通过包括平均持续时间和参考时间之间的比率的四次方根的因子来校正所确定的第一颗粒密度。包括平均持续时间和参考时间之间的比率的四次方根的因子用于补偿在给定参考颗粒密度下颗粒计数的时间相关性，其显示t1/4相关性。借助具有一个激光器的该激光传感器模块的颗粒密度探测相对于平均渡越时间的测量误差非常不敏感，因为该t1/4相关性。实际上选择参考速度使得该时间校正因子(～(t/tref)1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于探测小颗粒的颗粒密度的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块包括：至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111')，光学装置(150)，所述光学装置被布置用于至少将所述第一测量光束(111')聚焦到第一测量体积(161)，其中，所述光学装置的特征在于相对于所述第一测量光束(111')的第一数值孔径，至少第一探测器(121)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的第一自混合干涉信号，评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由至少所述第一探测器(121)响应于所确定的第一自混合干涉信号而生成的探测信号，特征在于，所述评估器(140)还适于基于由所述颗粒生成的第一自混合干涉信号的持续时间来确定在预先确定的时间段内通过所述第一测量体积(161)的颗粒的平均渡越时间，其中，所述评估器(140)还适于在所述预先确定的时间段中基于所述第一自混合干涉信号来确定颗粒数目，其中，所述评估器(140)还适于基于所述平均渡越时间和所述颗粒数目确定第一颗粒密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.09 EP 16203068.81.一种用于探测小颗粒的颗粒密度的激光传感器模块(100)，所述激光传感器模块包括：至少第一激光器(111)，其适于发射第一测量光束(111')，光学装置(150)，所述光学装置被布置用于至少将所述第一测量光束(111')聚焦到第一测量体积(161)，其中，所述光学装置的特征在于相对于所述第一测量光束(111')的第一数值孔径，至少第一探测器(121)，其适于确定所述第一激光器(111)的第一激光腔内的第一光波的第一自混合干涉信号，评估器(140)，其中，所述评估器(140)适于接收由至少所述第一探测器(121)响应于所确定的第一自混合干涉信号而生成的探测信号，特征在于，所述评估器(140)还适于基于由所述颗粒生成的第一自混合干涉信号的持续时间来确定在预先确定的时间段内通过所述第一测量体积(161)的颗粒的平均渡越时间，其中，所述评估器(140)还适于在所述预先确定的时间段中基于所述第一自混合干涉信号来确定颗粒数目，其中，所述评估器(140)还适于基于所述平均渡越时间和所述颗粒数目确定第一颗粒密度。2.根据权利要求1所述的激光传感器模块(100)，其中，所述小颗粒的特征在于颗粒尺寸小于20μm，优选地在0.05μm和10μm之间，其中，所述评估器(140)还适于基于所述第一自混合干涉信号和所述平均渡越时间确定在所述第一测量光束(111')和所述颗粒的速度向量之间围成的角度，其中，所述数值孔径被布置用于探测参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，所述参考速度在包括所述参考速度的在0.01m/s和7m/s之间的预先确定的速度范围内选择，其中，所述第一颗粒密度进一步基于所述参考速度和所述第一测量光束(111')的参考光束直径来确定，其中，所述参考速度和所述参考光束直径定义参考时间，在所述参考时间内，具有参考颗粒尺寸的参考颗粒通过所述第一测量光束(111')，其中，所述参考颗粒的速度向量垂直于所述第一测量光束(111')。3.根据权利要求1或2所述的激光传感器模块(100)，其中，所述光学装置(150)的特征在于相对于所述第一测量光束(111')的在0.01和0.06之间、优选地在0.02和0.04之间的数值孔径。4.根据权利要求2或3中任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述评估器(140)还适于通过包括所述平均渡越时间与所述参考时间之间的比率的四次方根的因子来校正所确定的第一颗粒密度。5.根据以上权利要求中任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述评估器(140)还适于确定第一信号/噪声比率阈值水平的第一颗粒计数率和第二信号/噪声比率阈值水平的第二颗粒计数率，所述第二信号/噪声比率阈值水平不同于所述第一信号/噪声比率阈值水平，其中，所述评估器(140)还适于通过所述第一颗粒计数率和所述第二颗粒计数率校正所确定的第一颗粒密度。6.根据以上权利要求中任一项所述的激光传感器模块(100)，其中，所述激光传感器模块(100)包括出射窗，所述第一测量光束(111')通过所述出射窗发射到所述第一测量体积(151)，其中，所述光学装置(150)被布置用于折叠所述第一测量光束(111')，使得所述第一激光器(111)和所述光学装置垂直于所述激光传感器模块(100)的出射窗的构建高度小于1mm。7.根据权利要求2-6中任一项所述的激光传感器模块，其中，所述激光传感器模块(100)包括：至少第二激光器(112)，其适于发射第二测量光束(112')，所述光学装置还被布置用于至少将所述第二测量光束(112')聚焦到第二测量体积(162)，其中，所述光学装置的特征在于相对于所述第二测量光束(112')的第二数值孔径，其中，所述第二数值孔径被布置用于探测所述参考速度下的预先确定的最小颗粒尺寸，其中，所述第一测量光束(111')和所述第二测量光束(112')相互围成在10°至160°之间的角度，至少第二探测器(122)，其适于确定所述第二激光器(112)的第二激光腔内的第二光波的第二自混合干涉信号，所述评估器(140)还适于接收由所述第二探测器(122)响应于所确定的第二自混合干涉信号而生成的探测信号，其中，所述评估器(140)还适于借助在所述预先确定的时间段内接收的探测信号确定由所述第一探测器(121)探测到的至少第一平均颗粒速度和由所述第二探测...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·M·斯普鲁伊特，A·M·范德莱，J·W·海尔米格，R·E·T·古德，P·T·于特，R·奥温克，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL