DE102014018537A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Ein optischer Sensor (1) hat eine Strahlungsquelle (2), zu der eine Optik gehört. Mittels der Strahlungsquelle (2) ist ein Lichtstrahl (3) abstrahlbar. Zu dem optischen Sensor (1) gehört des Weiteren ein Empfängerelement. Um mit einem geringen Aufwand dauerhaft zuverlässige Messwerte für die Partikelbefrachtung des mittels des optischen Sensors (1) zu überwachenden Luftvolumens zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass das Empfängerelement (5) so zu dem von der Strahlungsquelle (2) abstrahlbaren Lichtstrahl (3) angeordnet ist, dass kein direktes Licht des Lichtstrahls (3) sondern nur von im Lichtstrahl (3) befindlichen Partikeln zum Empfängerelement (5) reflektiertes Licht auf das Empfängerelement (5) auftrifft.An optical sensor (1) has a radiation source (2) to which an optics belongs. By means of the radiation source (2), a light beam (3) can be emitted. To the optical sensor (1) further includes a receiver element. In order to achieve permanently reliable measured values for the particle loading of the air volume to be monitored by means of the optical sensor (1) with a low outlay, it is proposed that the receiver element (5) be arranged to the light beam (3) which can be emitted by the radiation source (2) in that no direct light of the light beam (3) but only light reflected by the particles located in the light beam (3) to the receiver element (5) impinges on the receiver element (5).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor mit einer Strahlungsquelle, der eine Optik zugehörig und mittels der ein Lichtstrahl abstrahlbar ist, und einem Empfängerelement.The invention relates to an optical sensor with a radiation source, which is associated with an optical system and by means of which a light beam can be emitted, and a receiver element.
Derartige optische Sensoren werden u. a. zur Partikelmessung verwendet. Hierbei ist es ein gängiges Prinzip, die Lichtstreuung an Partikeln zu messen und aus den entsprechenden Signalen die Partikelkonzentration oder die Partikelgrößenverteilung zu berechnen.Such optical sensors are u. a. used for particle measurement. Here, it is a common principle to measure the light scattering of particles and to calculate from the corresponding signals, the particle concentration or the particle size distribution.
Im Laufe der Betriebszeit ist es unvermeidlich, dass die optischen Elemente derartiger optischer Sensoren verschmutzen und daraus folgend zu verfälschten Signalen führen. Die Verschmutzung optischer Bauteile des optischen Sensors führt in der Regel dazu, dass das Licht der Strahlungsquelle des optischen Sensors bzw. das von im Luftvolumen befindlichen Partikeln reflektierte Licht gedämpft wird. Entsprechend weisen die mittels des optischen Sensors erzeugten Messsignale eine reduzierte Amplitude auf. Die Höhe der Signalamplitude ist jedoch neben anderen Signaleigenschaften, z. B. der Pulsbreite, der Flankensteilheit oder der Häufigkeit, eine sehr wichtige Größe, um auf die Eigenschaften der Partikel zu schließen und einen Ausgabewert des optischen Sensors zu bestimmen.During operation, it is inevitable that the optical elements of such optical sensors pollute and consequently lead to corrupted signals. As a rule, the contamination of optical components of the optical sensor causes the light of the radiation source of the optical sensor or the light reflected by the particles in the air volume to be damped. Accordingly, the measurement signals generated by means of the optical sensor have a reduced amplitude. The magnitude of the signal amplitude is, however, in addition to other signal properties, eg. As the pulse width, the slope or the frequency, a very important size to conclude on the properties of the particles and to determine an output value of the optical sensor.
Eine verfälschte Höhe der Signalamplitude führt entsprechend zu einem fehlerhaften Ausgabewert des optischen Sensors.A corrupted height of the signal amplitude correspondingly leads to a defective output value of the optical sensor.
Durch aus dem Stand der Technik bekannte Maßnahmen können die vorstehend erwähnten nachteiligen Effekte reduziert werden, z. B. ist es bekannt, in professionellen Messgeräten den zu überwachenden Luftstrom in einen sauberen, gefilterten Luftstrom einzubetten, so dass hierdurch der Kontakt zwischen den im Luftvolumen befindlichen Partikeln und optischen Komponenten des optischen Sensors verhindert wird. Hierdurch kann das Intervall für eine zyklische Reinigung der optischen Elemente des optischen Sensors bzw. die Standzeit des optischen Sensors deutlich verlängert werden. Nachteilig ist jedoch, dass zur Schaffung des sauberen Luftstroms ein Filter erforderlich ist, der regelmäßig gewechselt werden muss.By measures known from the prior art, the aforementioned adverse effects can be reduced, for. For example, it is known to embed the air flow to be monitored into a clean, filtered air stream in professional measuring devices, so that in this way the contact between the particles in the air volume and optical components of the optical sensor is prevented. In this way, the interval for a cyclical cleaning of the optical elements of the optical sensor or the service life of the optical sensor can be significantly extended. The disadvantage, however, is that to create the clean air flow, a filter is required, which must be changed regularly.
Bei einem Einsatz derartiger optischer Sensoren in Kraftfahrzeugen muss dieser über einen Zeitraum, der sich über mehrere Jahre erstrecken kann, zuverlässig und ohne Service zuverlässige Messergebnisse bzw. Ausgabewerte liefern. Dies deshalb, da derzeit in Betrieb befindliche Automobilwerkstätten auf absehbare Zeit nicht in der Lage bzw. darauf eingerichtet sind, entsprechend empfindliche optische Sensoren regelmäßig zu warten.When such optical sensors are used in motor vehicles, they must reliably and without service provide reliable measurement results or output values over a period of time that can extend over several years. This is because in the foreseeable future, automobile workshops currently in operation are unable or regularly to service correspondingly sensitive optical sensors on a regular basis.
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs geschilderten gattungsbildenden Art zur Verfügung zu stellen, der für einen Zeitraum, der im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten entsprechenden optischen Sensoren erheblich verlängert ist, zuverlässige Ausgabewerte zur Verfügung stellt.Based on the above-described prior art, the present invention seeks to provide an optical sensor of the generic type described above, which is considerably extended for a period of time compared to corresponding optical sensors known from the prior art, provides reliable output values.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Empfängerelement des optischen Sensors so zu dem von der Strahlungsquelle abstrahlbaren Lichtstrahl angeordnet ist, dass kein direktes Licht des Lichtstrahls sondern nur von im Lichtstrahl befindlichen Partikeln zum Empfängerelement reflektiertes Licht auf das Empfängerelement auftrifft. Da die Anordnung des Empfängerelements des optischen Sensors unabhängig von dem Verlauf des Lichtstrahls, wie er von der Strahlungsquelle des optischen Sensors abgestrahlt wird, gewählt werden kann, ist es ohne weiteres möglich, das Empfängerelement und ggf. auch die Strahlungsquelle so anzuordnen, dass diese in weitaus geringerem Ausmaß als beim Stand der Technik Verschmutzungsgefahren ausgesetzt sind. Hierdurch kann die Nutzungsdauer des optischen Sensors erheblich verlängert werden, ohne dass überhaupt irgendwelche Reinigungs- oder Kalibriermaßnahmen des optischen Sensors eingeleitet werden müssten.This object is achieved in that the receiver element of the optical sensor is arranged so as to be emitted by the radiation source light beam that no direct light of the light beam but only from particles in the light beam to the receiver element reflected light impinges on the receiver element. Since the arrangement of the receiver element of the optical sensor can be selected independently of the course of the light beam, as emitted by the radiation source of the optical sensor, it is readily possible to arrange the receiver element and possibly also the radiation source so that they are in far less extent than the prior art pollution risks are exposed. As a result, the useful life of the optical sensor can be significantly extended without any cleaning or calibration measures of the optical sensor would have to be initiated.
Wenn das Empfängerelement parallel zu einer Strahlungsmittelachse des von der Strahlungsquelle abstrahlbaren Lichtstrahls angeordnet ist, werden vom Empfängerelement im Wesentlichen von den Partikeln rechtwinklig reflektierte Anteile des Lichtstrahls erfasst, wobei aus diesen Anteilen des Lichtstrahls mit einem vergleichsweise geringen Rechner- und Auswertungsaufwand aussagekräftige Informationen zu den im Luftvolumen vorhandenen Partikeln auffindbar sind.If the receiver element is arranged parallel to a beam central axis of the light beam which can be emitted by the radiation source, portions of the light beam reflected substantially at right angles by the receiver element are detected by the receiver element, meaningful information from the components of the light beam having a comparatively low computer and evaluation effort Air volume of existing particles are found.
Bei besonderen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, wenn senkrecht zum Lichtstrahl durch diesen hindurch mit Partikeln befrachtete Luft leitbar ist, wobei dann besonders aussagekräftige Ergebnisse zu dieser durch den Lichtstrahl geleiteten Luftströmung erreicht werden können.In special applications, it may be advantageous if perpendicular to the light beam through this particle-laden air can be conducted, then particularly meaningful results can be achieved for this guided by the light beam air flow.
Wenn der optische Sensor eine Steuereinheit aufweist, mittels der die Strahlungsquelle und/oder das Empfängerelement so verstellbar ist bzw. sind, dass der von der Strahlungsquelle abgestrahlte Lichtstrahl in einstellbaren Einfallswinkeln auf das Empfängerelement richtbar ist, kann der erfindungsgemäße optische Sensor mit einem vergleichsweise geringen Aufwand in regelmäßigen Zeitabständen kalibriert werden.If the optical sensor has a control unit by means of which the radiation source and / or the receiver element is or can be adjusted such that the light beam emitted by the radiation source can be directed onto the receiver element at adjustable angles of incidence, the optical sensor according to the invention can be operated with relatively little effort be calibrated at regular intervals.
Hierzu ist es zweckmäßig, wenn in der Steuereinheit des optischen Sensors für einen vorgebbaren Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Empfängerelement ein für einen unverschmutzten und neuwertigen optischen Sensor geltender Sollwert abgespeichert ist, ein nach einer vorgebbaren Einsatzdauer des optischen Sensors für den vorgebbaren Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Empfängerelement aktueller Istwert erfassbar ist und aus dem Vergleich des Sollwerts mit dem aktuellen Istwert ein Korrekturwert für den Ausgabewert des optischen Sensors errechenbar ist. Unabhängig von einer Verschmutzung einzelner optischer Bauteile des optischen Sensors kann hierdurch für eine quasi beliebig lange Einsatzdauer eine hohe Qualität des Ausgabewerts des optischen Sensors gewährleistet werden.For this purpose, it is expedient if in the control unit of the optical sensor for a predeterminable angle of incidence of the light beam is stored on the receiver element valid for an unpolluted and new optical sensor target value, after a predetermined period of use of the optical sensor for the predetermined angle of incidence of the light beam to the receiver element current actual value can be detected and from the comparison of the setpoint with the current Actual value is a correction value for the output value of the optical sensor can be calculated. Regardless of a contamination of individual optical components of the optical sensor, a high quality of the output value of the optical sensor can thereby be ensured for a virtually unlimited duration of use.
Hierzu kann in der Steuereinheit des optischen Sensors der Ausgabewert desselben auf der Grundlage des Korrekturwerts angepasst werden.For this purpose, in the control unit of the optical sensor, the output value thereof can be adjusted on the basis of the correction value.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Abstrahlleistung der Strahlungsquelle des optischen Sensors mittels der Steuereinheit entsprechend dem Korrekturwert nachzuführen bzw. einzustellen.Alternatively or additionally, it is possible to track or adjust the emission power of the radiation source of the optical sensor by means of the control unit in accordance with the correction value.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der optische Sensor eine der Strahlungsquelle und/oder dem Empfängerelement zugeordnete Reinigungsvorrichtung aufweist, die mittels der Steuereinheit in Betrieb gesetzt werden kann, wenn der vorstehend geschilderte Korrekturwert einen vorgebbaren Schwellwert überschreitet.In addition, it can be provided that the optical sensor comprises a cleaning device associated with the radiation source and / or the receiver element, which can be put into operation by means of the control unit if the above-described correction value exceeds a predefinable threshold value.
Selbstverständlich kann der Korrekturwert mittels der Steuereinheit an eine übergeordnete Steuervorrichtung und/oder an eine Signalvorrichtung weitergeleitet werden.Of course, the correction value can be forwarded by means of the control unit to a higher-level control device and / or to a signaling device.
Um Beschädigungen des im Falle des erfindungsgemäßen optischen Sensors vergleichsweise empfindlichen Empfängerelements sicher auszuschließen, ist es vorteilhaft, wenn mittels der Steuereinheit des optischen Sensors die Abstrahlleistung der Strahlungsquelle, z. B. um einen Faktor 100, reduzierbar ist, bevor die Strahlungsquelle und/oder das Empfängerelement so verschwenkt bzw. verstellt werden, dass der von der Strahlungsquelle abgestrahlte Lichtstrahl in dem vorgebbaren Einfallswinkel auf das Empfängerelement trifft.In order to safely exclude damage in the case of the optical sensor according to the invention relatively sensitive receiver element, it is advantageous if by means of the control unit of the optical sensor, the radiation power of the radiation source, for. B. by a factor of 100, can be reduced before the radiation source and / or the receiver element are pivoted or adjusted so that the radiated from the radiation source light beam impinges on the receiver element in the predetermined angle of incidence.
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann dem Empfängerelement bzw. der Steuereinheit eine Umschalt- oder Reduzierstufe zugeordnet sein, mittels der das vom Empfängerelement empfangene Signal, z. B. um einen Faktor 100, reduzierbar ist.Additionally or alternatively, a switching or Reduzierstufe may be assigned to the receiver element or the control unit, by means of which the signal received from the receiver element, for. B. by a factor of 100, can be reduced.
Diese Umschalt- oder Reduzierstufe kann zweckmäßigerweise als einschränkbarer Filter oder als Blende ausgebildet sein, wobei der Filter bzw. die Blende in einem vorzugsweise abgeschlossenen Bereich zwischen der Strahlungsquelle und einer der Strahlungsquelle zugeordneten Linse angeordnet ist, um Verschmutzungen oder vergleichbare Beeinträchtigungen wirksam auszuschließen.This switching or Reduzierstufe may conveniently be formed as a restrictable filter or as a diaphragm, wherein the filter or the diaphragm is arranged in a preferably closed region between the radiation source and a radiation source associated lens to effectively exclude contamination or similar impairments.
Um einen mit einem sparsamen Energieverbrauch einhergehenden Betrieb des erfindungsgemäßen optischen Sensors sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn die Strahlungsquelle und/oder das Empfängerelement im normalen Messbetrieb des optischen Sensors mittels Federelementen in ihre Betriebsstellungen vorgespannt sind. Energie zur Verstellung der Strahlungsquelle und/oder des Empfängerelements wird somit nur dann benötigt, wenn zwecks Durchführung eines Kalibriervorgangs die Strahlungsquelle und/oder das Empfängerelement so verstellt werden müssen, dass der von der Strahlungsquelle abgestrahlte Lichtstrahl mit dem vorgebbaren Einfallwinkel auf das Empfängerelement trifft.In order to ensure an operation of the optical sensor according to the invention associated with economical energy consumption, it is advantageous if the radiation source and / or the receiver element are biased into their operating positions in the normal measuring operation of the optical sensor by means of spring elements. Energy for adjusting the radiation source and / or the receiver element is thus only required if the radiation source and / or the receiver element must be adjusted so that the radiated from the radiation source light beam strikes the receiver element with the predetermined angle of incidence for the purpose of performing a calibration.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung der Partikelbefrachtung eines Luftvolumens, zu dem vorzugsweise ein optischer Sensor gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche eingesetzt wird, wird auf dem Empfängerelement des optischen Sensors nur solche Lichtstrahlung erfasst, die von im von der Strahlungsquelle des optischen Sensors abgestrahlten Lichtstrahl vorhandenen Partikeln auf das Empfängerelement reflektiert wird.In a method according to the invention for detecting the particle loading of an air volume to which an optical sensor according to one of the preceding claims is preferably used, only those light radiation is detected on the receiver element of the optical sensor, which is present in the particles emitted by the light beam emitted by the radiation source of the optical sensor is reflected on the receiver element.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors prinzipiell darstellt.In the following the invention will be explained in more detail by means of an embodiment with reference to the drawing, the single figure of which represents in principle an embodiment of an optical sensor according to the invention.
Ein in der Figur prinzipiell dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors
Zum optischen Sensor
Auf das Empfängerelement
In bestimmten Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, eine Luftströmung, deren Partikelbefrachtung erfasst werden soll, in einem bestimmten Winkel, z. B. senkrecht, durch den Lichtstrahl
Eine des Weiteren in der einzigen Figur gezeigte Steuereinheit
Des Weiteren ist im dargestellten Ausführungsbeispiel die Steuereinheit
In der Steuereinheit
Nach einer vorgebbaren Einsatzdauer des optischen Sensors
Selbstverständlich kann der vorstehend erwähnte Korrekturwert auch dazu verwendet werden, um mittels der Steuereinheit
Sobald der vorstehend geschilderte Korrekturwert einen je nach Einsatzzweck des optischen Sensors
Vor und nach einem Reinigungsvorgang durchgeführte entsprechende Messvorgänge können darüber hinaus Rückschlüsse darauf geben, wie die ggf. in den optischen Sensor
Selbstverständlich ist es auch möglich, die bei dem der Überprüfung des optischen Sensors
Da das Empfängerelement
Der Messvorgang, bei dem der Lichtstrahl
Des Weiteren wird bei diesem Messvorgang durch Erfassung der Temperatur und der Feuchte sichergestellt, dass der Messvorgang nur dann realisiert wird, wenn die Gefahr der Betauung einzelner Komponenten des optischen Sensors
Die vorstehend mehrfach erwähnten Stellantriebe der Strahlungsquelle
Die im Normalbetrieb des optischen Sensors
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |