CN110268246B - 光学颗粒传感器和感测方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学颗粒传感器，包括用于顺序操作的不同波长的至少第一光源和第二光源。光学检测器用于检测来自光源的、由待感测颗粒发出或散射的光。还提供了电流注入补偿信号，该电流注入补偿信号取决于光学装置的哪个光源在使用中。补偿信号意味着放大器不需要响应于与不同光源相关联的不同背景照明水平而重新稳定。以这种方式，可以从不同光源快速连续地获得检测信号。

Description

光学颗粒传感器和感测方法
技术领域
本发明涉及光学颗粒传感器和感测方法。
背景技术
颗粒传感器例如用于测量空气中的污染水平。
基于测量在颗粒处散射的光，低成本的***是可用的，该颗粒与空气流一起通过传感器中的检测体积。这种空气流例如由风扇或加热器驱动。每个颗粒由连续的光源照射，并且产生光脉冲，该光脉冲具有由颗粒通过检测体积的通过时间确定的持续时间。
这些脉冲在电子***中被放大、滤波并且计数。除了指示颗粒浓度水平之外，这样的检测器还可以被用于驱动空气净化器装置的操作。
颗粒物空气污染与呼吸道和心脏病的增加的发病率和死亡率以及与过敏反应相关联。对人类健康的确切影响取决于存在的颗粒类型。
因此，除了提供浓度水平之外，还需要标识存在哪些颗粒类型。
使用如上文所概述的现有技术，可以通过光学手段对大于约0.5μm的细颗粒单独进行计数。在大多数情况下，使用廉价且高效的LED或者具有红色或近红外波长的激光器。以这种方式操作的花粉检测器可商购得到。
花粉检测器可以通常检测一种花粉类型并与灰尘的存在区别开来，但它不能区分更多的花粉类型或真菌孢子。
为了标识存在哪种颗粒类型(灰尘或哪种花粉类型或真菌孢子)，可以用多种光源来照射颗粒，诸如可见光波长(400nm至760nm)、红外波长(760nm至3000nm)和UV波长(200nm至400nm)。UV照射可以产生荧光，而可见光和IR照射产生散射。这些不同效果之间的比率可以用于标识颗粒类型。这例如被公开于如下的文章中：“Classification of pollenspecies using autofluorescence image analysis”(J Biosci Bioeng，2009Jan；107(1):90-4)或Vital Autofluorescence:“Application to the Study of Plant LivingCells”(International Journal of Spectroscopy，第2012(2012)卷，文章ID 124672)。
这些方法目前需要昂贵的专业设备。
如果要找到成本较低的消费者解决方案，则要克服的问题之一是检测器和电子器件很慢。为了提高灵敏度，检测器通常是光电晶体管或光-达林顿晶体管电路，这些部件固有地很慢。为了降低放大器中的噪声，对信号进行滤波以仅放大具有对应于单个颗粒通过的时间尺度的频率的信号。
为了标识颗粒，重要的是着眼于多个颗粒波长，如上文所解释的。一种方法是在单个颗粒通过期间接通不同的LED。通过以低占空比操作LED，LED操作期间的强度可以高于连续电流损伤阈值。
然而，不同的LED将具有不同的背景散射水平。这将在检测器-放大器链中产生大的干扰，因为检测器和电子器件无法对新的背景散射水平做出足够快的响应：颗粒将在检测器-放大器再次稳定之前消失。
US 2009/0122311公开了一种光学检测器，其中使用多个光源来照射样品。采用一组光电倍增管。不同的光电倍增电压由不同的管并且针对不同的光源使用，以提供相同尺度的信号。这种重新缩放并未协助检测侧处的稳定化。
仍然需要一种检测电路，其在不同光源之间实现快速切换，以实现颗粒表征以及浓度测量。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据基于本发明的一个方面的示例，提供了一种光学颗粒传感器，其包括：
光学装置，其包括用于顺序操作的不同波长的至少第一光源和第二光源；
光学检测器，其用于检测从待感测颗粒发出的光或来自光源的被待感测颗粒散射的光，以及用于产生检测电流；
放大器电路，其用于放大从光学检测器输出的检测电流；以及
补偿电路，其用于将电流注入补偿信号提供给放大器电路，该电流注入补偿信号与检测电流相组合；以及
控制器，其中该控制器适于提供电流注入补偿信号，该电流注入补偿信号取决于光学装置的哪个光源在使用中。
该电路包括用于放大器电路的补偿电路，使得放大器电路不需要响应于与不同光源相关联的不同背景照明水平而重新稳定。代替地，将电流形式的补偿信号与检测电流相组合，使得对于放大器电路，不同光源的背景照明水平看起来一样。因此，电流注入补偿信号复制光学检测器的响应，使得它们可以进行组合，并且然后在背景照明保持恒定的情况下产生本该由光学检测器产生的信号。以这种方式，可以从不同光源快速连续地获得检测信号。然后，可以在个别颗粒通过光学颗粒传感器期间获得不同波长下的光散射信号。
补偿电路可以包括用于控制电流注入的水平的电压源。这可以容易快速地被控制，以调节命令信号(即，电压)，该命令信号然后导致提供期望的电流注入补偿信号，使得它与光源之间的转换同步。
补偿电路可以包括延迟电路，以用于将来自电压源的电压耦合到放大器电路，以及用于从电压源电压产生电流注入信号。该延迟意味着补偿信号是以考虑到光学检测器(诸如，光电晶体管)的响应特性的方式被提供给放大器电路。其目的是，在使用不同光源的同时并且当在光源之间进行切换时提供连续背景。
例如，延迟电路包括低通滤波器。这提供了一种实施RC延迟的简单方式。电流注入补偿信号从低通滤波器的输出被提供给光学检测器的输出。因此，对于放大器链的其余部分，要放大的信号的背景水平似乎没有改变，并且就放大器电路而言，电流注入补偿信号可以被认为已由光学检测器产生。
光学装置可以包括可见光光源、红外光源和紫外光源。然后，这三个对应的信号测量值可以进行组合，以提供颗粒类型确定。
放大器电路例如包括运算放大器。
传感器优选地还包括控制器，该控制器适于控制光学装置的光源的操作的定时、和补偿信号的随时间的推移的水平。控制器还可以适于在激活光学装置的不同光源期间基于对放大器输出的分析来提供对颗粒类型的标识。
放大器电路可以包括高通滤波器，以用于信号偏移消除。
本发明还提供一种光学颗粒感测方法，其包括：
按一定顺序操作光学装置的不同波长的至少第一光源和第二光源；
检测从待感测颗粒发出的光或来自光源的被待感测颗粒散射的光，由此产生检测电流；
放大检测电流；以及
提供补偿信号，该补偿信号与检测电流相组合，以与检测电流一起放大，该补偿信号的水平和定时取决于光学装置的哪个光源在使用中。
该方法针对一系列光源实现对从颗粒反射或散射的光的无缝或近乎无缝检测。背景信号消除例如包括高通滤波。
补偿信号例如由控制电流注入的水平的电压产生，并且它可以设有与光学传感器的时间响应相匹配的延迟。可以按一定顺序(以任何次序)提供红外光输出和紫外光输出，或者可以按一定顺序(以任何次序)提供红外光输出、紫外光输出和可见光输出。
光学颗粒感测方法可以是一种用于在不同颗粒类型进行区分(例如，在不同花粉类型之间进行区分)的方法。
本发明可以至少部分地通过软件来实施。
附图说明
现将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了光学颗粒传感器；
图2示出了在颗粒沿检测通道通过时从该颗粒捕获的信号；
图3示出了针对常规放大器当光源中发生变化时的放大信号；
图4示出了供用于图1的传感器中的放大器电路；
图5示出了当光源中发生变化并且使用图4的放大器电路时在检测器处的、与在常规放大器的情况下的信号相比的信号；
图6示出了当光源中发生变化并且使用图4的放大器电路时的、与在常规放大器的情况下的信号相比的放大信号；
图7示出了光学颗粒感测方法。
具体实施方式
本发明提供了一种光学颗粒传感器，其包括用于顺序操作的不同波长的至少第一光源和第二光源。光学检测器用于检测来自光源的、被待感测颗粒反射或散射的光。还提供了电流注入补偿信号，其取决于光学装置的哪个光源在使用中。补偿信号意味着放大器不需要响应于与不同光源相关联的不同背景照明水平而重新稳定。以这种方式，可以从不同光源快速连续地获得检测信号。
图1示出了光学传感器的示例，可以将本发明应用于该光学传感器。存在从整个传感器装置的入口11到出口12的气流10。使用用于产生多个波长的光源装置14(特别是LED装置)来照射气流，以使得能够基于对散射和/或荧光的光学测量，来光学检测夹带的颗粒。LED装置在检测体积的一侧，而感测在相对的一侧处实施。备选设计可以利用光的反射。
因此，可以检测由颗粒发出的光(响应于UV光刺激)，或者可以检测被颗粒反射或散射的光。在后一种情况下，光是由光源输出的同一种光。
光学传感器16包括光电晶体管传感器18和聚焦透镜20，在该聚焦透镜处散射光(或荧光)被收集。
加热器22用于诱导通过传感器装置的对流。通过所导致的浮力，空气流向检测器的顶部，并携带着颗粒通过检测体积。
控制器24控制对传感器信号的处理以及对加热器和光源的操作。对传感器信号的这种处理包括将补偿信号施加到放大器链中，如下文详细解释的。
传感器还可以包括检测器，以用于检测颗粒何时进入气流10，然后控制LED装置的操作的定时。
第一光源为常开型。第一光源是例如高效大功率红色或近红外LED。一旦检测到颗粒(因为散射增加)，第一光源就被短暂切断并用接通的第二光源代替，以便确定与红色或近红外波长中的散射分开的散射或荧光。
光源装置可以仅包括LED，或者可以存在LED和激光二极管或实际上激光器的组合。优选地存在三个光源，但是可以将本发明应用于具有两个光源或实际上多于三个光源的***。更多的光源使得能够更准确地将颗粒类型区别开来，因为获得了更多数量的颗粒特性(即，在更多数量的波长下的荧光或散射性质)。
例如，结合近红外检测来使用荧光检测使得能够将有机荧光颗粒和无机非荧光颗粒区别开来。两者都将散射红光或近红外光，但只有生物荧光颗粒将给出荧光信号。
检测体积是放置在印刷电路板上的壳体的一部分，印刷电路板具有电子器件，以将由于颗粒所引起的信号转换成计数，以及提供一定程度的颗粒标识。壳体的内部形状使得光直接朝向光电晶体管传感器的泄漏(这将给出背景信号)保持到最小。此外，光电晶体管具有泄漏电流，即使在完全没有光的情况下，该泄漏电流也将显示为背景。通过电子地滤除任何剩余的DC信号，留下了脉冲颗粒信号。下文进一步详细描述该滤波过程。
如上文所提到的，光源装置14的不同LED(或其他光源)将具有不同的背景散射水平。这将在检测器-放大器链中产生大的干扰，因为检测器和电子器件无法足够快地对背景散射的新水平做出响应。
图2示出了经过的单个烟雾颗粒在该颗粒通过检测体积时如由单个LED所观察的散射信号。存在检测峰值，其具有大约0.2s的持续时间。如果这个颗粒需要被第二LED观察到，则这必须在0.1s内执行。
然而，当第一LED切断并且第二LED接通时，背景散射改变。由于检测器的慢响应和检测器电路中的滤波，通常需要差不多4秒，之后这样的电路才能够再次检测颗粒。
图3示出了在关闭第一LED并打开第二LED之后来自第二LED的响应。背景散射水平下降，因此当放大器调整其设定时放大信号下降。到检测电路准备好从第二LED接收散射信号的时候，颗粒已通过并且无法被测量。
优化检测器链可以将干扰时间限制到约1.5秒，但这仍然是太长了。
为了防止背景信号水平的变化引起的干扰，可以根据本发明来电子地补偿如由放大器所观察的背景水平变化。
图4示出了放大器检测电路。
光学检测器(即，图1的光电晶体管传感器18)被示为单个光电晶体管40，不过可以使用其他光学检测器和光学检测器电路。光水平控制被递送给节点42的电流，并因此控制该节点处的电压。因此，光学检测器的初始输出是检测电流，然后在检测和放大器电路中处理该检测电流，以提供电压水平来供放大和分析。
节点42是高通RC滤波器44的输入。给高通滤波器44的电容器充电实施了DC偏移消除功能。高通滤波信号被提供给放大器46的非反相输入，其中增益由负反馈路径48设定。放大器的输出被示为附图标记49。
存在可以用于偏移消除的其他电路以代替高通滤波器，诸如用于实施减法的运算放大器电路。许多其他信号消除电路是可能的。偏移消除可以在放大器自身的内部执行。
在上文所示的示例中，第二LED的背景水平低于第一LED的背景水平。因此，高通滤波器的电容器需要在可以测量信号之前放电，并且光电晶体管也是固有地是慢的。这种慢响应还自动地对高频噪声进行滤波。光电二极管将具有更快的响应但灵敏度降低。
图4的电路具有电流注入电路50，控制电压(即，用于控制补偿电流注入的水平的注入电压)52从电压源53(其可以是控制器24的一部分)被提供给该电流注入电路。电流注入电路用作背景水平补偿电路。存在RC低通滤波器54，其将输出节点充电到端子52处的电压。该电压用于产生通过二极管56的注入电流，该二极管被设置在低通滤波器54的输出和光学检测器的输出之间。二极管电流被提供给节点42，使得它被电路的其余部分视为等效于由检测器40产生的电流。因此，节点42执行对从电路50注入的补偿电流和从光学检测器输出的电流的电流加法。
该延迟匹配可以例如代替地通过使用可编程电压发生器来实施，使得原始电压波形提供与检测器电路的响应的期望匹配。
在所示的示例中，当从第一LED切换到第二LED时，需要附加的电流来表示在照射第一LED时存在的背景照明水平。
电流注入电路50包括时间延迟电路，该时间延迟电路在该示例中呈RC网络的形式。这使得补偿电流的变化与光电晶体管的响应时间相匹配。
图5将以下示为曲线60：当在近似1.4s从一个LED切换到另一个LED时，如在位于检测器40的输出处的节点42处所拾取的背景水平60。在约1秒之后，测量新的背景水平。
曲线62示出了背景水平，作为由补偿电路50所提供的电流注入的结果，该背景水平保持恒定。通过将附加电流与正确延迟相加(以与斜率信号60的减小相匹配)，可以观测到作为曲线62的几乎稳定的背景。
图6示出了放大器的输出处的对应信号49。曲线70示出了与图3中相同的曲线。曲线72示出了由上文所解释的背景补偿***提供的改进。除了短(<50ms)毛刺之外，简单的RC电流加法电路产生检测器电路，该检测器电路随时间的推移保持敏感。
当第二LED刚好具有更高的背景信号水平时，电路以类似的方式起作用。
利用更先进的信号处理电路，可以使毛刺甚至更小且更短。
所需的电流注入的精确水平及因此所需的补偿电压可以在没有颗粒(因为它涉及背景信号水平)的情况下被确定，并且可以作为(常规)***校准的一部分被自动实施。
图7示出了光学颗粒感测方法。
在步骤80中，将第一补偿信号C1施加到放大器链。
在步骤82中，操作第一光源LS1。
在步骤84中，通过利用背景信号消除进行放大，来获得第一检测器信号D1。步骤80、82和84是同时执行的。
在步骤86中，将第二补偿信号C2施加到放大器链。
在步骤88中，操作第二光源LS2。
在步骤90中，通过利用背景信号消除进行放大，来获得第二检测器信号D2。步骤86、88和90是同时执行的。
因此，按一定顺序操作不同波长的第一光源和第二光源。
在步骤92中，将这两个检测器信号进行组合，以基于在这两个不同波长下的组合的荧光或散射性质来确定颗粒类型。
可以将该方法扩展到第三或另外的光源和检测器信号。优选地，在通过颗粒传感器的单次转运期间针对单个颗粒获得检测器信号。因此，用于获得所有检测器信号的总感测周期通常小于0.5s。
本发明可以用于低成本的消费者空气净化器和相关产品。
以上示例利用单个光学检测器。然而，可以存在多个检测器，每个检测器针对不同的光源被优化。即使在多个检测器的情况下，不同光源之间的切换也将引起背景的移位，并且尽管所使用的光源发生了变化，上文所描述的补偿方法仍使得***能够保持敏感。
如上文所讨论的，实施例利用控制器24来实施对传感器信息的处理和对补偿电路的控制。控制器可以利用软件和/或硬件以许多种方式来实施，以执行所需的各种功能。处理器是采用一个或多个微处理器的控制器的一个示例，所述微处理器可以使用软件(例如，微码)来编程，以执行所需的功能。然而，该控制器可以在采用或不采用处理器的情况下实施，并且还可以被实施为执行一些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或多个已编程的微处理器和相关联电路)的组合。
可以在本公开的各种实施例中采用的控制器部件的示例包括但不限于：常规微处理器、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。
在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质相关联，所述存储介质诸如为：易失性和非易失性计算机存储器，诸如RAM、PROM、EPROM和EEPROM。存储介质可以利用一个或多个程序进行编码，所述程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时执行所需的功能。各种存储介质可以被固定在处理器或控制器内，或者可以是可移动的，使得存储在其上的一个或多个程序可以被加载到处理器或控制器中。
本领域技术人员在实践所要求保护的发明中，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的简单事实，并不表示无法有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种光学颗粒传感器，包括：
光学装置(14)，包括用于顺序操作的不同波长的至少第一光源和第二光源；
光学检测器(40)，用于检测从待感测颗粒发出的光、或来自所述光源的被待感测颗粒散射的光，以及用于产生检测电流；
放大器电路(44、46)，用于放大从所述光学检测器输出的所述检测电流；
补偿电路(50)，用于将电流注入补偿信号提供给所述放大器电路，所述电流注入补偿信号与所述检测电流相组合；以及
控制器(24)，其中所述控制器适于提供电流注入补偿信号，所述电流注入补偿信号具有取决于所述光学装置的哪个光源在使用中的水平；并且所述控制器适于控制所述光学装置(14)的所述光源的操作的定时、以及所述补偿信号的随时间推移的水平，由此为由所述放大器电路所观察的背景水平变化提供电子补偿，所述背景水平变化由与不同光源相关联的不同背景照明水平造成。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述补偿电路(50)包括用于控制电流注入的水平的电压源(53)。
3.根据权利要求2所述的传感器，其中所述补偿电路(50)包括延迟电路(54)，用于将来自所述电压源的所述电压耦合到所述放大器电路，以及用于产生所述电流注入补偿信号。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述延迟电路(54)包括低通滤波器，其中所述电流注入补偿信号从所述低通滤波器的输出被提供给所述光学检测器的输出。
5.根据任一前述权利要求所述的传感器，其中所述光学装置(14)包括红外光源和紫外光源，以及可选地还包括可见光光源。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其中所述放大器电路(44、46)包括运算放大器(46)。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述控制器(24)还适于在激活所述光学装置(14)的不同光源期间，基于对所述放大器输出的分析来提供对颗粒类型的标识。
8.根据权利要求1-4、7中任一项所述的传感器，其中所述放大器电路(44、46)包括高通滤波器(44)。
9.一种光学颗粒感测方法，包括：
按一定顺序操作光学装置的不同波长的至少第一光源和第二光源；
检测从待感测颗粒发出的光、或来自所述光源的被待感测颗粒散射的光，由此产生检测电流；
放大所述检测电流；以及
提供电流注入补偿信号，所述电流注入补偿信号与所述检测电流相组合，以与所述检测电流一起放大，其中所述补偿信号的水平和定时取决于所述光学装置的哪个光源在使用中，由此为由放大器电路所观察的背景水平变化提供电子补偿，所述背景水平变化由与不同光源相关联的不同背景照明水平造成。
10.根据权利要求9所述的方法，其中背景信号消除包括高通滤波。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述电流注入补偿信号由控制电流注入的水平的电压产生。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：向所述电流注入补偿信号提供延迟，所述延迟与光学检测器的时间响应相匹配。
13.根据权利要求9-10、12中任一项所述的方法，其中按一定顺序的所述操作包括：按一定顺序提供红外光输出和紫外光输出，以及可选地还提供可见光输出。
14.一种计算机可读介质，其上具有计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码装置，所述计算机代码装置当在计算机上运行时适于实施权利要求9至13中任一项所述的方法。
CN201880010957.0A 2017-02-09 2018-01-31 光学颗粒传感器和感测方法 Active CN110268246B (zh)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17155387.8 2017-02-09
EP17155387.8A EP3361232A1 (en) 2017-02-09 2017-02-09 Optical particle sensor and sensing method
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