用于机动车的光学烟灰颗粒传感器制造技术

提出一种烟灰颗粒传感器(16)，所述烟灰颗粒传感器具有激光器模块(18)和探测器(26)，所述激光器模块具有激光器，所述探测器设置用于探测热辐射(14)。所述烟灰颗粒传感器(16)的特征在于，所述激光器设置用于产生激光(10)，并且所述烟灰颗粒传感器(16)具有布置在所述激光器模块(18)的激光器的光路中的光学元件(20)，所述光学元件设置用于将从所述激光器模块(18)发出的激光(10)聚束成光斑(22)，并且所述探测器(26)如此布置在所述烟灰颗粒传感器(16)中，使得所述探测器探测到从所述光斑(22)发出的辐射(14)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于机动车的光学烟灰颗粒传感器
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分的烟灰颗粒传感器。这样的烟灰颗粒传感器包括具有激光器的激光器模块和设置用于探测热辐射的探测器。
技术介绍
以现代的柴油发动机驱动的机动车装配有柴油颗粒过滤器。这些颗粒过滤器的功能能力必须相应于法律规定地借助车载诊断工具来监测。在此，例如对于机动车使用由申请人制造和销售的具有电阻的传感器。这些已知传感器的功能方式基于在两个叉指电极之间的能导电的烟灰路径的形成。在这些传感器的情况下，在施加电压后电流的上升时间是烟灰浓度的度量。在此，测量质量浓度(mg/m3废气或mg/km行驶段)。在这种传感器方案的情况下，出于多种原因很难或甚至不可能计算出浓度数(每立方米废气或每公里行驶段的颗粒数)。已知的传感器周期性地再生，其方式是，通过集成的加热元件将传感器加热到至少700℃，由此将烟灰沉积物燃烧掉。在涉及细颗粒对健康影响的科学场景中，一直以来在讨论颗粒总质量的大小(以mg/m3或mg/km说明)或颗粒数n(n/m3或n/km)在损害健康方面的临界大小是多少。在此应注意，小的烟灰颗粒——其由于其非常小的质量(m～r3)而仅仅占总质量的一小部分——恰好是特别危险的。这是由于其小尺寸引起的能够进入人体的大的“侵入深度”。因此可以预见，用于在测量技术检测的车载诊断装置的立法也规定颗粒数，只要在市场上存在相应的(从于性能和价格出发可接受的)解决方案。激光诱导白炽(LII)的原理长久以来已经已知用于探测(空气中的)纳米颗粒，并且例如也密集地用于表征实验室中的“以玻璃制成的”发动机的燃烧过程或表征实验室环境中的废气。在此，借助高功率激光器的纳秒脉冲将烟灰颗粒加热到几千摄氏度，从而所述烟灰颗粒明显地发射热辐射。烟灰颗粒的这种热诱导光发射借助光探测器来测量。所述方法允许探测具有最小直至数十纳秒的尺寸的直径的非常小的烟灰颗粒。这种激光诱导白炽形成权利要求1的前序部分。
技术实现思路
本专利技术与以高功率纳秒激光器工作的现有技术的区别在于，烟灰颗粒传感器具有布置在激光器模块的激光器的光路中的光学元件，所述光学元件设置用于将从激光器模块发出的激光聚焦成光斑，并且探测器如此布置在烟灰颗粒传感器中，使得所述探测器探测到从所述光斑发出的辐射。辐射可以是热辐射或者也可以是通过化学反应——例如在光斑中发生的烟灰氧化——释放的辐射。与已知的传感器相反，根据本专利技术的传感器也适合用作机动车中的车载诊断传感器。在此，根据本专利技术的烟灰颗粒传感器同样使用激光诱导白炽的原理。一种优选的构型的特征在于，所述激光器模块设置用于产生平行的激光，并且所述光学元件设置用于将从所述激光器模块发出的平行的激光聚束成所述光斑。在一种优选的构型中，所述激光器是有利的CW激光器(连续波激光器)，例如二极管激光器。在现有技术中使用价格高的Q开关的(gütegeschaltet)固态激光器用于LII实验。在此，CW激光器的通常较低的功率可以通过激光的强聚焦来补偿。CW激光器的激光通过光学元件(例如透镜)聚焦到非常小的光斑上。完全可能的是，调制激光器，但优选使用CW激光器。这允许使用具有成本有利的半导体激光器元件(激光器二极管)，这使得整个传感器单元更便宜并且极大地简化控制和分析处理。由于光斑尺寸很小(例如几μm)，可以确保：始终最多一个烟灰颗粒处于光斑中并且所测量到的信号恰恰仅仅来自这一个烟灰颗粒。因此，能够实现单颗粒测量，单颗粒测量能够实现关于烟灰颗粒的信息(例如其尺寸)的提取。与其他用于烟灰颗粒测量的测量方法相比，这具有明显的优点。本专利技术有利地也允许高测量速度(相比每次测量数分钟，每秒至少进行1次测量)并且提供颗粒数目测量的可能性。因此，本专利技术允许不仅确定所发射的烟灰颗粒的质量浓度(mg/m3或mg/km)而且确定所发射的烟灰颗粒的数量浓度(烟灰颗粒/m3或烟灰颗粒/km)。由此，应用在以汽油发动机驱动的机动车中用于监测在那里使用的汽油颗粒过滤器并且用于探测汽油发动机的烟灰颗粒排放也是可能的。恰好在以汽油驱动的汽油发动机的情况下，重要的是在车辆启动后能够快速进行测量，因为在冷启动时在那里产生烟灰颗粒的大部分。此外，对于汽油发动机，烟灰颗粒数目的测量能力也由于细度——即烟灰颗粒的小尺寸(低质量、大数目)而特别重要。因为当前在市场上可提供的汽车传感器(车载)不能够可靠地测量烟灰颗粒数目，所以根据本专利技术的烟灰颗粒传感器的这种烟灰颗粒测量能力特别重要并且有利。除了应用在以汽油驱动的汽油发动机的情况下，根据本专利技术的烟灰颗粒传感器可以应用在任何燃烧过程的情况下。优选的应用领域是在对轿车、载重车辆和工程机械的越野领域中的柴油颗粒过滤器进行车载监测的情况下检测烟灰颗粒质量浓度和数量浓度，并且作为例如在监测室内空气质量或监测私人的或工业的燃烧设备等的排放的情况下用于测量灰尘浓度的传感器。根据本专利技术的烟灰颗粒传感器基于激光诱导白炽的原理。一个优选的构型的特征在于，激光器是半导体激光器元件、尤其激光二极管。也优选的是，探测器具有至少一个光电二极管。光电二极管优选是对于近红外的并且可见的光敏感的光电二极管。进一步优选地，烟灰颗粒传感器具有分束器，所述分束器如此布置在优选平行的激光的光路中，使得所述分束器将从所述激光器模块入射的激光的至少一部分对准所述光学元件并且将从所述光斑入射的热辐射至少部分地对准所述探测器。另一优选的构型的特征在于，所述分束器是偏振分束器，并且所述偏振分束器如此取向，使得所述偏振分束器对于入射的、具有预先确定的偏振方向的所述激光可穿透性最大。同样优选的是，烟灰颗粒传感器具有滤光器，所述滤光器布置在所述分束器与所述探测器之间的光路中，并且相比对于从所述光斑发出的LII光，所述滤光器对于所述激光较不可穿透。进一步优选地，所述激光器设置用于发射具有低于500nm的波长、尤其具有405nm、450nm或465nm的波长的激光，并且所述滤光器如此实现，使得所述滤光器减弱或甚至阻断具有低于500nm的波长的光。也可以使用仅仅不允许激光波长附近的范围通过的带通滤光器。另一优选的构型的特征在于，烟灰颗粒传感器具有设置用于暴露于测量气体的第一部分和不暴露于测量气体的第二部分，所述第二部分包含烟灰颗粒传感器的光学部件，其中，两个部分通过对于所述测量气体不可穿透的隔板分离。也优选的是，在隔板中在激光的光路中安装有窗，所述窗不仅对于所述激光而且对于从所述光斑发出的LII光可穿透。此外优选地，烟灰颗粒传感器具有由外保护管和内保护管构成的装置，这二者都具有圆柱体形状，保护管同轴地布置，其中，圆柱体形状的轴线优选地与激光的入射方向平行地取向，并且光斑处于内保护管的内部中，外保护管在其面向激光的端部处突出超出内保护管，并且内保护管在相反的端部处突出超出外保护管。另一优选构型的特征在于，烟灰传感器具有振动器模块，所述振动器模块具有可振荡运动的元件，所述可振荡运动的元件与激光器模块机械刚性地连接，从而所述振动器模块的可运动部分的振荡传递到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种烟灰颗粒传感器(16)，所述烟灰颗粒传感器具有激光器模块(18)和探测器(26)，所述激光器模块具有激光器，所述探测器设置用于探测热辐射(14)，其特征在于，所述烟灰颗粒传感器(16)具有布置在所述激光器模块(18)的激光器的光路中的光学元件(20)，所述光学元件设置用于将从所述激光器模块(18)发出的激光(10)聚束成光斑(22)，并且所述探测器(26)如此布置在所述烟灰颗粒传感器(16)中，使得所述探测器探测到从所述光斑(22)发出的辐射(14)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170503 DE 102017207402.71.一种烟灰颗粒传感器(16)，所述烟灰颗粒传感器具有激光器模块(18)和探测器(26)，所述激光器模块具有激光器，所述探测器设置用于探测热辐射(14)，其特征在于，所述烟灰颗粒传感器(16)具有布置在所述激光器模块(18)的激光器的光路中的光学元件(20)，所述光学元件设置用于将从所述激光器模块(18)发出的激光(10)聚束成光斑(22)，并且所述探测器(26)如此布置在所述烟灰颗粒传感器(16)中，使得所述探测器探测到从所述光斑(22)发出的辐射(14)。


2.根据权利要求1所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述激光器模块(18)设置用于产生平行的激光(10)，并且所述光学元件(20)设置用于将从所述激光器模块(18)发出的平行的激光(10)聚束成所述光斑(22)。


3.根据权利要求1或2所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述激光器模块(18)的激光器是CW激光器。


4.根据以上权利要求中任一项所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述激光器是半导体激光器元件、尤其是激光二极管(36)。


5.根据以上权利要求中任一项所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述探测器(26)具有至少一个光电二极管(26.1)。


6.根据以上权利要求中任一项所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于分束器(34)，所述分束器如此布置在所述平行的激光(10)的光路中，使得所述分束器将从所述激光器模块(18)入射的激光(10)的至少一部分对准所述光学元件(20)并且将从所述光斑(22)入射的辐射(14)至少部分地对准所述探测器(26)。


7.根据权利要求6所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述分束器(34)是偏振分束器(134)，并且所述偏振分束器(134)如此取向，使得所述偏振分束器对于入射的、具有预先确定的偏振方向的所述激光(10)可穿透性最大。


8.根据权利要求6或7所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于滤光器(42)，所述滤光器布置在所述分束器(34)与所述探测器(26)之间的光路中，并且相比对于从所述光斑(22)发出的热辐射(14)，所述滤光器对于所述激光(10)较不可穿透。


9.根据权利要求8所述的烟灰颗粒传感器(16)，其特征在于，所述激光器设置用于发射具有低于500nm的波长、尤其具有405nm、450nm或465nm的波长的激光(10)，并且所述滤光器(42)如此实现，使得...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·鲁萨诺夫，O·克拉依尔，C·D·克雷默，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE