具有激光光斑和热辐射光斑的共焦布置的借助激光诱导的白炽灯工作的颗粒传感器制造技术

提出一种颗粒传感器(16)，所述颗粒传感器具有激光器模块(18)和探测器(26)，该激光器模块具有激光器，该探测器设置用于探测热辐射(14)。该颗粒传感器(16)具有光学设备(36)，该光学设备设置用于将从所述激光器模块(18)出射的激光聚焦到第一光斑(22)中，并且设置用于将从所述第一光斑(22)出射的热辐射(14)聚焦到第二光斑中，其中，所述探测器(26)的辐射敏感的面处于所述第二光斑中或者处于聚焦到所述第二光斑上的所述热辐射(14)的在所述第二光斑之后的射束路径中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有激光光斑和热辐射光斑的共焦布置的借助激光诱导的白炽灯工作的颗粒传感器
本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分的颗粒传感器。这种颗粒传感器具有激光器模块和探测器，该激光器模块具有激光器，该探测器设置用于探测热辐射。
技术介绍
例如由B.F.Kock的《Two-colortime-resolvedLIIappliedtosootparticlesizing》(Combustionandflame，2006年)以及S.Schraml的《Applicationofanewsootsensorforexhaust》(SAETECHNICALPAPERSERIES，2000年)已知用于探测空气中纳米颗粒的激光诱导白炽灯(LII)的原理，并且这种原理例如大量用于表征实验室中的“玻璃”马达中的燃烧过程或者用于表征废气。在此，借助大功率激光器的纳秒脉冲将在燃烧中产生的烟尘颗粒加热到几千摄氏度，并且借助光探测器来测量颗粒的热发光。这种方法允许探测直径为几十纳米的非常小的颗粒。能够想到的是，将这些原理扩展到机动车的柴油发动机或汽油发动机的排气系中的烟尘颗粒的探测上。在此使用连续运行(CW)的成本有利的激光二极管，以便在激光射束的焦点上如此强烈地加热烟尘颗粒，使得烟尘颗粒发出明显的热发光信号(thermischesLeuchtsignal)，这种热发光信号能够借助探测器(例如光电二极管)探测到。
技术实现思路
在这种背景下，本专利技术提出具有特征部分特征的颗粒传感器。一开始提及的颗粒传感器具有光学设备，该光学设备设置用于将从激光器模块出射的激光聚焦到第一光斑(Spot)中，并且设置用于将从第一光斑出射的热辐射聚焦到第二光斑中，其中，探测器的辐射敏感的面处于第二光斑中或者处于聚焦到第二光斑上的热辐射的在第二光斑之后的射束路径中。本专利技术基于以下认知：在检测在机动车的排气系中产生的激光诱导的白炽灯的测量信号时可能出现干扰光，这种干扰光由该光斑附近的热环境(热排气管、热传感器头)的热辐射导致。干扰光在探测器上可能仅具有几N的非常低的绝对传导，但在某些情况下这种绝对传导会引起比实际待测量的颗粒强几个数量级的探测器信号，实际待测量的颗粒的测量信号处于Po范围内。此外，在基于所检测的测量信号求取颗粒尺寸分布时会出现问题，该测量信号是由在边缘区域中横穿光斑的颗粒产生的。由于第一光斑在那里的功率密度较低，所以相比于横穿第一光斑中心的颗粒，在那里得到更低的温度。由此导致较弱的LII信号，这种较弱的LII信号可能与较小信号的LII信号混淆。因此，焦点边缘处的颗粒信号是不期望的，因为它们会导致错误评估。本专利技术最终通过用于探测颗粒的共焦探测方法来解决所述问题。通过该共焦探测方法，有针对性地仅将来自清晰限界的空间区域(即来自第一光斑或第一光斑的一部分)的光的热辐射定向到探测器上，而来自该清晰限界的空间区域之外的热辐射不会到达辐射敏感的探测器面。通过这些特征，可以降低热辐射的如下分量对由探测器产生的信号的影响：所述分量不直接来自第一光斑或者(更优选)不直接来自第一光斑的中心。因此，本专利技术结合了共焦探测方法与借助激光诱导的白炽灯在排气系中光学探测烟尘颗粒的方法。借助这种组合，可以几乎完全地抑制源自热环境的热干扰信号，并且因此显著提高信噪比，从而便于探测非常低功率的LII信号。此外，该方法导致降低错误信号，因为只有来自焦点的紧邻周围环境的颗粒的LII信号才能到达探测器。一种优选构型的特征在于，光学设备具有分束器和第一聚焦光学元件，其中，该分束器在激光的射束路径中布置在激光器模块和第一聚焦光学元件之间。还优选的是，第一聚焦光学元件设置用于将从第一光斑出射的热辐射定向到分束器上，并且探测器布置在热辐射的从分束器出射的射束路径中。通过分束器，对于从激光器模块出发引导至第一光斑的射束路径以及对于从第一光斑出发引导至第二光斑的射束路径，可以部分地使用相同的光学元件。进一步优选地，第一光斑处于第一聚焦光学元件的第一焦点处，第二光斑位于第一聚焦光学元件的第二焦点处。这种构型的优点是仅需要少量光学元件。另一优选构型的特征在于，光学设备具有第二聚焦光学元件，其中，第二聚焦光学元件布置在热辐射的从分束器出射的射束路径中，第二聚焦光学元件设置用于将从分束器的入射的热辐射聚焦到第二光斑处。这种构型尤其在光学系统的设计中开启了更多结构自由度。还优选的是，在热辐射的从分束器出射的射束路径中，在分束器与第二聚焦光学元件之间布置有波长选择光学滤波器，相比于从光斑出射的热辐射，该波长选择光学滤波器对于激光的可穿透性更低。通过该特征可以在激光照射到探测器之前滤除所述激光，所述激光由于不期望的反射和/或折射而被阻止。结果是，产生信噪比的期望改善，并且因此产生更高的测量灵敏度和测量准确度。进一步优选地，在一种构型中，探测器的辐射敏感的面处于聚焦到第二光斑上的热辐射在第二光斑之后的射束路径中，第二光斑处于孔板的开口中，该孔板布置在分束器与探测器之间的热辐射的射束路径中。通过这种孔板，可以使并非直接来自第一光斑而是来自以下点的辐射分量远离探测器：该点稍微位于第一光斑的之前或之后，或者位于第一光斑的右边或左边，或者位于第一光斑之上或之下。这些辐射分量在孔板开口的平面中位于孔板的不透明部分上的孔板开口旁边。另一优选构型的特征在于，在热辐射的射束路径中在孔板与探测器之间布置有第三光学元件，该第三光学元件使从孔板开口出射的热辐射平行化，在热辐射的其他射束路径中布置有第四光学元件，该第四光学元件将由第三光学元件平行化的热辐射聚焦到探测器上。通过这些特征尤其得到如下可能性：延长分束器与探测器之间的光路以及改变该光路的方向，这在颗粒传感器的设计中开启了结构自由度。还优选的是，光学设备具有另外的光学元件，该另外的光学元件在激光的射束路径中布置在激光器模块与分束器之间，该另外的光学元件设置用于使从激光器模块出射的激光平行化并且定向到分束器上。平行化在此理解为减小光束或辐射束的张角，其中，平行化不一定必须完全导致(零张角)。平行化减小入射到分束器上的激光的射束横截面，这导致相比于没有上述平行化的情况，该分束器可以更小。进一步优选地，激光器是半导体激光器元件、尤其激光二极管。这种构型具有以下优点：成本有利且稳固的激光二极管能够在市场上获得。还优选的是，分束器是偏振分束器，并且该偏振分束器如此取向，使得该偏振分束器对于入射的具有预确定的偏振方向的激光能够被最大程度地穿透。激光通常以偏振形式出现。通过偏振分束器及其与激光的偏振匹配的取向，大部分的激光可以用于产生信号。因为激光10通常已经被偏振，所以在所选择的与偏振分束器的偏振方向相匹配的布置中，激光可以在一个方向(面向第一光斑22)上几乎无损失地穿过偏振分束器。换句话说，通过正确地选择激光偏振和激光取向，能够使该位置处的传输功率最大化(几乎达到100％)，而在常见的非偏振的分束器中，在传输通过分束器时必须经受约50％的功率损耗。进一步优选地，激光器设置用于发射具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颗粒传感器(16)，所述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，所述颗粒传感器(16)具有光学设备(36)，所述光学设备设置用于将从所述激光器模块(18)出射的激光聚焦到第一光斑(22)中，并且所述光学设备设置用于将从所述第一光斑(22)出射的热辐射(14)聚焦到第二光斑(40)中，其中，所述探测器(26)的辐射敏感的面处于所述第二光斑(40)中或者处于聚焦到所述第二光斑(40)上的所述热辐射(14)的在所述第二光斑(40)之后的射束路径中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180306 DE 102018203301.31.一种颗粒传感器(16)，所述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，所述颗粒传感器(16)具有光学设备(36)，所述光学设备设置用于将从所述激光器模块(18)出射的激光聚焦到第一光斑(22)中，并且所述光学设备设置用于将从所述第一光斑(22)出射的热辐射(14)聚焦到第二光斑(40)中，其中，所述探测器(26)的辐射敏感的面处于所述第二光斑(40)中或者处于聚焦到所述第二光斑(40)上的所述热辐射(14)的在所述第二光斑(40)之后的射束路径中。


2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述光学设备(36)具有分束器(38)和第一聚焦光学元件(20)，其中，所述分束器(38)在所述激光(10)的射束路径中布置在所述激光器模块(18)与所述第一聚焦光学元件(20)之间。


3.根据权利要求2所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述第一聚焦光学元件(20)设置用于将从所述第一光斑(22)出射的热辐射(14)定向到所述分束器(38)上，并且所述探测器(26)布置在所述热辐射(14)的从所述分束器(38)出射的射束路径中。


4.根据权利要求3所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述第一光斑(22)处于所述第一聚焦光学元件(20)的第一焦点中，并且所述第二光斑(40)处于所述第一聚焦光学元件(20)的第二焦点中。


5.根据权利要求4所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，所述光学设备(36)具有第二聚焦光学元件(48)，其中，所述第二聚焦光学元件(48)布置在所述热辐射(14)的从所述分束器(38)出射的射束路径中，所述第二聚焦光学元件设置用于将从所述分束器(38)入射的热辐射(14)聚焦到所述第二光斑(40)中。


6.根据权利要求5所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，在从所述分束器(38)出射的所述热辐射(14)的射束路径中，在所述分束器(38)与所述第二聚焦光学元件(48)之间布置有波长选择光学滤波器(52)，相比于对于从所述第一光斑(22)出射的热辐射(14)，所述波长选择光学滤波器(52)对于所述激光(10)的可穿透性更低。


7.根据以上权利要求以及权利要求1的替代方案中任一项所述的颗粒传感器(16)，在所述颗粒传感器中，所述探测器(26)的辐射敏感的面处于聚焦到所述第二光斑(40)上的所述热辐射(14)的在所述第二光斑(40)之后的射束路径中，其特征在于，所述第二光斑(40)处于孔板(42)的开口中，所述孔板在所述热辐射的射束路径中布置在所述分束器与所述探测器之间。


8.根据权利要求7所述的颗粒传感器(16)，其特征在于，在所述热辐射(14)的射束路径中，在所述孔板(42)与所述探测器(26)之间布置有第三光...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·维希曼，J·埃勒曼，R·鲁萨诺夫，T·维尔纳，
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