JP2018141632A - Moisture amount sensor - Google Patents
Moisture amount sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018141632A JP2018141632A JP2017034162A JP2017034162A JP2018141632A JP 2018141632 A JP2018141632 A JP 2018141632A JP 2017034162 A JP2017034162 A JP 2017034162A JP 2017034162 A JP2017034162 A JP 2017034162A JP 2018141632 A JP2018141632 A JP 2018141632A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- wavelength band
- wavelength
- light receiving
- band
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、水分量センサに関する。 The present invention relates to a moisture sensor.
従来、水分による赤外線の吸収を利用して、水分量を測定する赤外線水分計が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された赤外線水分計では、互いに異なる複数の波長域の赤外光を紙などの対象物に照射し、対象物によって透過及び散乱された赤外光の強度に基づいて、対象物に含まれる水分量を検出する。赤外線水分計では、湿気（水蒸気）の影響を軽減するために、赤外光の波長域をフィルタによって調整している。
Conventionally, an infrared moisture meter that measures the amount of moisture using absorption of infrared rays by moisture is known (see, for example, Patent Document 1). In the infrared moisture meter described in
上記従来の赤外線水分計は、クローズ系のセンサであるために、自由空間で使用すると、対象物までの距離が長くその距離も一定ではないことから、湿気の影響が強くなり、正確な水分量の検出が困難である。 Since the conventional infrared moisture meter is a closed sensor, when used in free space, the distance to the object is long and the distance is not constant. Is difficult to detect.
そこで、本発明の目的は、自由空間であっても、湿気の影響を抑制して、水分量検出の正確性を高めることである。 Therefore, an object of the present invention is to suppress the influence of moisture even in a free space and improve the accuracy of moisture content detection.
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る水分量センサは、対象物に対して光を発し、当該対象物からの反射光に基づいて対象物の水分量を検出する水分量センサであって、水による吸収が大きな第一波長帯の光と、水による吸収が前記第一波長帯よりも小さい第二波長帯の光とを前記対象物に向けて発する発光部と、第一波長帯の光を抽出する第一バンドパスフィルタと、第二波長帯の光を抽出する第二バンドパスフィルタと、対象物によって反射され、第一バンドパスフィルタを透過した第一波長帯の光を受光し、第一電気信号に変換する第一受光部と、対象物によって反射され、第二バンドパスフィルタを透過した第二波長帯の光を受光し、第二電気信号に変換する第二受光部と、第一電気信号及び第二電気信号に基づいて対象物の水分量を算出する演算処理部と、を備え、第二波長帯の平均波長は、第一波長帯の平均波長よりも長く、光学的なバンドパスフィルタの最大透過率の半値である波長の中心値で定義される中心波長に関して、第二波長帯の中心波長は、水蒸気の吸光度の複数のピークのうち、１つのピークと、当該１つのピークの次のピークとの間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長となっている。 In order to achieve the above object, a moisture sensor according to one embodiment of the present invention is a moisture sensor that emits light to an object and detects the moisture content of the object based on reflected light from the object. A light emitting unit that emits light in a first wavelength band, which is largely absorbed by water, and light in a second wavelength band, in which absorption by water is smaller than the first wavelength band, toward the object; and a first wavelength A first bandpass filter for extracting light in the band, a second bandpass filter for extracting light in the second wavelength band, and light in the first wavelength band reflected by the object and transmitted through the first bandpass filter. A first light receiving unit that receives light and converts it into a first electric signal; and a second light receiving unit that receives light in the second wavelength band reflected by the object and transmitted through the second bandpass filter and converts the light into a second electric signal. And based on the first electrical signal and the second electrical signal An arithmetic processing unit for calculating the moisture content of the second wavelength band, the average wavelength of the second wavelength band is longer than the average wavelength of the first wavelength band, and is a half value of the maximum transmittance of the optical bandpass filter With respect to the center wavelength defined by the center value, the center wavelength of the second wavelength band is the absorbance of water vapor between one peak of the plurality of peaks of water vapor absorbance and the peak next to the one peak. Is a wavelength smaller than a predetermined value.
本発明によれば、自由空間であっても、湿気の影響を抑制して、水分量検出の正確性を高めることができる。 According to the present invention, even in a free space, the influence of moisture can be suppressed and the accuracy of moisture content detection can be improved.
以下では、本発明の実施の形態に係る水分量センサについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Below, the moisture content sensor which concerns on embodiment of this invention is demonstrated in detail using drawing. Note that each of the embodiments described below shows a preferred specific example of the present invention. Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, component arrangements, connection forms, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present invention. Therefore, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims showing the highest concept of the present invention are described as optional constituent elements.
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、例えば、各図において縮尺などは必ずしも一致しない。また、各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。 Each figure is a mimetic diagram and is not necessarily illustrated strictly. Therefore, for example, the scales and the like do not necessarily match in each drawing. Moreover, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the substantially same structure, The overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.
（実施の形態）
［概要］
まず、実施の形態に係る水分量センサの概要について説明する。
(Embodiment)
[Overview]
First, the outline | summary of the moisture content sensor which concerns on embodiment is demonstrated.
図１は、実施の形態に係る水分量センサ１の構成と対象物２とを示す模式図である。図２は、実施の形態に係る水分量センサ１の制御構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
水分量センサ１は、対象物２に対して光を発し、当該対象物２からの反射光に基づいて対象物２の水分量を検出する水分量センサである。
The
本実施の形態では、図１及び図２に示すように、水分量センサ１は、空間３を隔てて離れた位置に位置する対象物２に含まれる水分を検出する。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the
対象物２は、特に限定されない場合、例えば衣類などである。衣類以外の対象物２としては、シーツ、枕カバーなどの寝具が挙げられる。例えば、水分量センサ１を衣類乾燥装置などに取り付けることで、衣類の乾燥具合を確認することができる。これにより、乾燥のし過ぎによる衣類の痛みの発生などを抑制することができる。
The
空間３は、水分量センサ１と対象物２との間の空間（自由空間）であり、湿気（水蒸気）を含んでいる。空間３は、水分量センサ１の筐体１０の外部空間である。
The
図１及び図２に示すように、水分量センサ１は、筐体１０と、発光部２０と、第一受光モジュール３０と、第二受光モジュール４０と、信号処理回路５０とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
以下では、水分量センサ１の各構成要素について詳細に説明する。
Below, each component of the
［筐体］
筐体１０は、発光部２０と、第一受光モジュール３０と、第二受光モジュール４０と、信号処理回路５０とを収容する筐体である。筐体１０は、遮光性の材料から形成されている。これにより、外光が筐体１０内に入射するのを抑制することができる。具体的には、筐体１０は、第一受光モジュール３０と第二受光モジュール４０とが受光する光に対して遮光性を有する樹脂材料又は金属材料から形成されている。
[Case]
The
筐体１０の外壁には、複数の開口が設けられており、これらの開口に、発光部２０のレンズ２１と、第一受光モジュール３０のレンズ３１と、第二受光モジュール４０のレンズ４１とが取り付けられている。
A plurality of openings are provided on the outer wall of the
［発光部］
発光部２０は、水による吸収が所定値よりも大きな第一波長帯を含む検知光と、水による吸収が所定値以下である第二波長帯を含む参照光とを対象物２に向けて発する発光部である。具体的には、発光部２０は、レンズ２１と、光源２２とを備えている。
[Light emitting part]
The
レンズ２１は、光源２２が発した光を、対象物２に対して集光する集光レンズである。レンズ２１は、樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
The
光源２２は、検知光をなす第一波長帯と参照光をなす第二波長帯とを含み、ピーク波長が第二波長帯側にある連続した光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源である。具体的には、光源２２は、化合半導体からなるＬＥＤ光源である。
The
図３は、水分と水蒸気との吸光スペクトルを示す図である。図３に示すように、水分は、約１４５０ｎｍ及び約１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。水蒸気は、水分の吸収ピークよりやや低い波長、具体的には約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍ及び約１８００ｎｍ〜１９００ｎｍの波長に吸収ピークを有する。 FIG. 3 is a diagram showing absorption spectra of moisture and water vapor. As shown in FIG. 3, moisture has absorption peaks at wavelengths of about 1450 nm and about 1900 nm. Water vapor has absorption peaks at wavelengths slightly lower than the absorption peak of moisture, specifically at wavelengths of about 1350 nm to 1400 nm and about 1800 nm to 1900 nm.
このため、検知光をなす第一波長帯としては、水の吸光度が高い波長帯を選択し、参照光をなす第二波長帯としては、第一波長帯よりも水の吸光度が小さい波長帯を選択する。そして、第二波長帯の平均波長は、第一波長体の平均波長よりも長くする。また、光学的なバンドパスフィルタの最大透過率の半値である波長の中心値で定義される中心波長に関して、第二波長帯の中心波長は、水蒸気の吸光度の複数のピークのうち、１つのピークと、当該１つのピークの次のピークとの間で、水蒸気の吸光度が所定値（例えば０．０００１）よりも小さい波長となっている。例えば、水蒸気の吸光度が所定値（例えば０．０００１）よりも小さい波長とは、吸光度が０となる波長が挙げられる。 For this reason, a wavelength band with a high water absorbance is selected as the first wavelength band for the detection light, and a wavelength band with a lower water absorbance than the first wavelength band is selected as the second wavelength band for the reference light. select. And the average wavelength of a 2nd wavelength band is made longer than the average wavelength of a 1st wavelength body. Regarding the center wavelength defined by the center value of the wavelength which is half the maximum transmittance of the optical bandpass filter, the center wavelength of the second wavelength band is one peak among the plurality of peaks of water vapor absorbance. And the next peak of the one peak, the water vapor absorbance has a wavelength smaller than a predetermined value (for example, 0.0001). For example, the wavelength at which the absorbance of water vapor is smaller than a predetermined value (for example, 0.0001) includes a wavelength at which the absorbance is zero.
ただし、図３の吸光度は、各々光路長１ｃｍ、水は純水１００％、水蒸気は２３℃、５０％Ｒ．Ｈ．の条件での値で、各々の波数ライン幅は水が０．２３ｃｍ−１、水蒸気が０．０１５ｃｍ−１である。 However, the absorbance in FIG. 3 is 1 cm in optical path length, water is 100% pure water, water vapor is 23 ° C., 50% R.D. H. The value in the condition, each of the wave number linewidth water 0.23 cm -1, steam is 0.015 cm -1.
図３では、水蒸気の吸光度は、約１３５０ｎｍ〜１４００ｎｍの波長にピーク（第一ピークＰ１）があり、約１８００ｎｍ〜１９４０ｎｍの波長にピーク（第二ピークＰ２）がある場合を図示している。例えば、第一ピークＰ１を基準とした場合には、第一波長帯の中心波長を１４５０ｎｍとし、第二波長帯の中心波長を、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２との間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、第一波長帯の中心波長の１．２倍以内とすればよい。第二波長帯の中心波長は、１４５０ｎｍ×１．２≒１７４０ｎｍ以内とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は、１７００ｎｍとする。 In FIG. 3, the absorbance of water vapor shows a case where there is a peak (first peak P1) at a wavelength of about 1350 nm to 1400 nm and a peak (second peak P2) at a wavelength of about 1800 nm to 1940 nm. For example, when the first peak P1 is used as a reference, the center wavelength of the first wavelength band is set to 1450 nm, and the center wavelength of the second wavelength band is changed between the first peak P1 and the second peak P2 with water vapor. The absorbance is set to a wavelength smaller than a predetermined value. Specifically, the center wavelength of the second wavelength band may be within 1.2 times the center wavelength of the first wavelength band. The center wavelength of the second wavelength band is set within 1450 nm × 1.2≈1740 nm. Specifically, the center wavelength of the second wavelength band is 1700 nm.
なお、図３では、水蒸気の吸光度における第一ピークＰ１及び第二ピークＰ２のみを図示しているが、水蒸気の吸光度は、第二ピークＰ２よりも長い波長のピークが複数（第三ピーク、第四ピーク…、第ｎピーク）存在している。つまり、第二波長帯の中心波長は、隣り合うピークの間で、水蒸気の吸光度が所定位置よりも小さい波長であればよい。 In FIG. 3, only the first peak P1 and the second peak P2 in the absorbance of water vapor are shown. However, the absorbance of water vapor has a plurality of peaks having a wavelength longer than the second peak P2 (third peak, first peak P2). (Four peaks ..., n-th peak). That is, the center wavelength of the second wavelength band may be a wavelength at which the water vapor absorbance is smaller than a predetermined position between adjacent peaks.
例えば、第二ピークＰ２を基準とした場合には、第一波長帯の中心波長を１８５０ｎｍとし、第二波長帯の中心波長を、第二ピークＰ２と、第三ピークとの間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長とする。この場合においても、第二波長帯の中心波長は、第一波長帯の中心波長の１．２倍以内とすればよい。第二波長帯の中心波長は、１８５０ｎｍ×１．２≒２２２０ｎｍ以内とする。具体的には、第二波長帯の中心波長は２２００ｎｍとする。 For example, when the second peak P2 is used as a reference, the center wavelength of the first wavelength band is set to 1850 nm, and the center wavelength of the second wavelength band is set between the second peak P2 and the third peak. The absorbance is set to a wavelength smaller than a predetermined value. Even in this case, the center wavelength of the second wavelength band may be within 1.2 times the center wavelength of the first wavelength band. The center wavelength of the second wavelength band is within 1850 nm × 1.2≈2220 nm. Specifically, the center wavelength of the second wavelength band is 2200 nm.
このように、光源２２が、第一波長帯と第二波長帯とを連続して含む光を照射するので、対象物２には、水による吸収が大きな第一波長帯を含む検知光と、水による吸収が第一波長帯よりも小さく、水蒸気による吸収もほとんどない第二波長帯を含む参照光が照射される。
Thus, since the
［第一受光モジュール］
図１に示すように第一受光モジュール３０は、レンズ３１と、第一バンドパスフィルタ３２と、第一受光部３３とを備えている。
[First light receiving module]
As shown in FIG. 1, the first
レンズ３１は、対象物２によって反射された反射光を第一受光部３３に集光するための集光レンズである。レンズ３１は、例えば、焦点が第一受光部３３の受光面に位置するように筐体１０に固定されている。レンズ３１は、例えば、樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
The
第一バンドパスフィルタ３２は、反射光から第一波長帯の光を抽出するバンドパスフィルタである。具体的には、第一バンドパスフィルタ３２は、レンズ３１と、第一受光部３３との間に配置されており、レンズ３１を透過して第一受光部３３に入射する反射光の光路上に設けられている。そして、第一バンドパスフィルタ３２は、第一波長帯の光を透過し、かつ、それ以外の波長帯の光を吸収する。
The first
第一受光部３３は、対象物２によって反射され、第一バンドパスフィルタ３２を透過した第一波長帯の光を受光し、第一電気信号に変換する受光素子である。第一受光部３３は、受光した第一波長帯の光を光電変換することで、当該光の受光量（すなわち、強度）に応じた第一電気信号を生成する。生成された第一電気信号は、信号処理回路５０に出力される。第一受光部３３は、例えば、フォトダイオードであるが、これに限定されない。例えば、第一受光部３３は、フォトトランジスタ、又は、イメージセンサでもよい。
The first
［第二受光モジュール］
第二受光モジュール４０は、レンズ４１と、第二バンドパスフィルタ４２と、第二受光部４３とを備えている。
[Second light receiving module]
The second
レンズ４１は、対象物２によって反射された反射光を第二受光部４３に集光するための集光レンズである。レンズ４１は、例えば、焦点が第二受光部４３の受光面に位置するように筐体１０に固定されている。レンズ４１は、例えば、樹脂製の凸レンズであるが、これに限らない。
The
第二バンドパスフィルタ４２は、反射光から第二波長帯の光を抽出するバンドパスフィルタである。具体的には、第二バンドパスフィルタ４２は、レンズ４１と、第二受光部４３との間に配置されており、レンズ４１を透過して第二受光部４３に入射する反射光の光路上に設けられている。そして、第二バンドパスフィルタ４２は、第二波長帯の光を透過し、かつ、それ以外の波長帯の光を吸収する。
The
第二受光部４３は、対象物２によって反射され、第二バンドパスフィルタ４２を透過した第二波長帯の光を受光し、第二電気信号に変換する受光素子である。第二受光部４３は、受光した第二波長帯の光を光電変換することで、当該光の受光量（すなわち、強度）に応じた第二電気信号を生成する。生成された第二電気信号は、信号処理回路５０に出力される。第二受光部４３は、第一受光部３３と同形の受光素子である。つまり、第一受光部３３がフォトダイオードである場合には、第二受光部４３もフォトダイオードである。
The second
［信号処理回路］
信号処理回路５０は、発光部２０の光源２２を点灯制御するとともに、第一受光部３３及び第二受光部４３から出力された第一電気信号及び第二電気信号を処理することで、水分量を演算する回路である。
[Signal processing circuit]
The
信号処理回路５０は、筐体１０に収容されていてもよく、又は、筐体１０の外側面に取り付けられていてもよい。あるいは、信号処理回路５０は、無線通信などの通信機能を有し、第一受光部３３からの第一電気信号及び第二受光部４３からの第二電気信号を受信してもよい。
The
具体的には、図２に示すように、信号処理回路５０は、光源制御部５１、第一増幅部５２、第二増幅部５３、第一信号処理部５４、第二信号処理部５５及び演算処理部５６を備えている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
光源制御部５１は、駆動回路及びマイクロコントローラで構成される。光源制御部５１は、光源２２の制御プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。
The light
光源制御部５１は、光源２２の点灯及び消灯が所定の発光周期で繰り返されるように、光源２２を制御する。具体的には、光源制御部５１は、所定の周波数（例えば、１ｋＨｚ）のパルス信号を光源２２に出力することで、光源２２を所定の発光周期で点灯及び消灯させる。
The light
第一増幅部５２は、第一受光部３３が出力した第一電気信号を増幅して第一信号処理部５４に出力する。具体的には、第一増幅部５２は、第一電気信号を増幅するオペアンプである。
The
第一信号処理部５４は、マイクロコントローラで構成される。第一信号処理部５４は、第一電気信号に対する処理プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。第一信号処理部５４は、第一電気信号に対して、通過帯域制限を行うとともに当該通過帯域制限による位相遅延を補正してから、光源２２の発光周期との乗算処理を施す。この第一電気信号に対する処理は、いわゆるロックインアンプ処理である。これにより、外乱光に基づくノイズを第一電気信号から抑制することが可能である。
The first
第二増幅部５３は、第二受光部４３が出力した第二電気信号を増幅して第二信号処理部５５に出力する。具体的には、第二増幅部５３は、第二電気信号を増幅するオペアンプである。
The
第二信号処理部５５は、マイクロコントローラで構成される。第二信号処理部５５は、第二電気信号に対する処理プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。第二信号処理部５５は、第二電気信号に対して、通過帯域制限を行うとともに当該通過帯域制限による位相遅延を補正してから、光源２２の発光周期との乗算処理を施す。この第二電気信号に対する処理は、いわゆるロックインアンプ処理である。これにより、外乱光に基づくノイズを第二電気信号から抑制することが可能である。
The second
演算処理部５６は、第一受光部３３から出力された第一電気信号と、第二受光部４３から出力された第二電気信号とに基づいて、対象物２が含む成分を検出する。具体的には、演算処理部５６は、第一電気信号の電圧レベルと第二電気信号の電圧レベルとの比（信号比）に基づいて、対象物２が含む水分量を検出する。本実施の形態では、演算処理部５６は、第一信号処理部５４によって処理された第一電気信号と、第二信号処理部５５によって処理された第二電気信号とに基づいて、対象物２が含む水分量を検出する。具体的な水分量の検出（算出）方法については後で説明する。
The
演算処理部５６は、例えば、マイクロコントローラである。演算処理部５６は、信号処理プログラムが格納された不揮発性メモリ、プログラムを実行するための一時的な記憶領域である揮発性メモリ、入出力ポート、プログラムを実行するプロセッサなどを有する。演算処理部５６は、検出した対象物２の水分量を入出力ポートから外部の機器に出力する。なお、水分量センサ１自体に表示部を設けて、当該表示部に水分量を表示してもよい。
The
［信号処理（検出処理）］
続いて、演算処理部５６による信号処理（水分量の検出処理）について説明する。
[Signal processing (detection processing)]
Next, signal processing (moisture content detection processing) by the
本実施の形態では、演算処理部５６は、反射光に含まれる検知光の光エネルギーＰｄと、参照光の光エネルギーＰｒとを比較することで、対象物２に含まれる成分量を検出する。なお、光エネルギーＰｄは、第一受光部３３から出力される第一電気信号の強度に対応し、光エネルギーＰｒは、第二受光部４３から出力される第二電気信号の強度に対応する。
In the present embodiment, the
光エネルギーＰｄは、次の（式１）で表される。 The light energy Pd is expressed by the following (Formula 1).
（式１） Ｐｄ＝Ｐｄ０×Ｇｄ×Ｒｄ×Ｔｄ×Ａａｄ×Ｉｖｄ (Formula 1) Pd = Pd0 × Gd × Rd × Td × Aad × Ivd
ここで、Ｐｄ０は、光源２２が発した光のうち、検知光をなす第一波長帯の光の光エネルギーである。Ｇｄは、第一波長帯の光の第一受光部３３に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｄは、光源２２が発した光のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射光に含まれる検知光）になる部分の割合に相当する。
Here, Pd0 is the light energy of the light in the first wavelength band that forms the detection light among the light emitted from the
Ｒｄは、対象物２による検知光の反射率である。Ｔｄは、第一バンドパスフィルタ３２により検知光の透過率である。Ｉｖｄは、第一受光部３３における反射光に含まれる検知光に対する受光感度である。
Rd is the reflectance of the detection light from the
Ａａｄは、対象物２に含まれる成分（水分）による検知光の吸収率であり、次の（式２）で表される。
Aad is the absorptance of the detection light by the component (moisture) contained in the
（式２） Ａａｄ＝１０−αａ×Ｃａ×Ｄ (Formula 2) Aad = 10 −αa × Ca × D
ここで、αａは、予め定められた吸光係数であり、具体的には、成分（水分）による検知光の吸光係数である。Ｃａは、対象物２に含まれる成分（水分）の体積濃度である。Ｄは、検知光の吸収に寄与する成分の厚みの２倍である寄与厚みである。
Here, αa is a predetermined extinction coefficient, specifically, the extinction coefficient of the detection light by the component (water). Ca is a volume concentration of a component (moisture) contained in the
より具体的には、水分が均質に分散した対象物２では、光が対象物２に入射し、内部で反射して対象物２から出射する場合において、Ｃａは、対象物２の成分に含まれる体積濃度に相当する。また、Ｄは、内部で反射して対象物２から出射するまでの光路長に相当する。例えば、対象物２が繊維などの網目状の固形物、又は、スポンジなどの多孔性の固形物である場合、固形物の表面で光が反射されると仮定する。この場合、例えば、Ｃａは、固形物を覆っている液相に含まれる水分の濃度である。また、Ｄは、固形物を覆っている液相の平均的な厚みとして換算される寄与厚みである。
More specifically, in the
したがって、αａ×Ｃａ×Ｄは、対象物２に含まれる成分量（水分量）に相当する。以上のことから、対象物２に含まれる水分量に応じて、第一電気信号の強度に相当する光エネルギーＰｄが変化することが分かる。なお、水分と比べて湿気の吸光度は極端に小さいので、無視することができる。
Therefore, αa × Ca × D corresponds to the amount of component (water content) contained in the
同様に、第二受光部４３に入射する参照光の光エネルギーＰｒは、次の（式３）で表される。
Similarly, the optical energy Pr of the reference light incident on the second
（式３） Ｐｒ＝Ｐｒ０×Ｇｒ×Ｒｒ×Ｔｒ×Ｉｖｒ (Formula 3) Pr = Pr0 * Gr * Rr * Tr * Ivr
本実施の形態では、対象物２に含まれる成分（水分）による第一波長帯の検知光の吸収と、第二波長帯の参照光の吸収との差分から水分による吸収率Ａａｄを求めている。なお、参照光は、対象物２に含まれる成分によって実質的には吸収されないとみなすことができるので、（式１）と比較して分かるように、水分による吸収率Ａａｄに相当する項は（式３）には含まれていない。
In the present embodiment, the absorption rate Aad due to moisture is obtained from the difference between the absorption of the detection light in the first wavelength band by the component (water) contained in the
（式３）において、Ｐｒ０は、光源２２が発した光のうち、参照光をなす第二波長帯の光の光エネルギーである。Ｇｒは、光源２２が発した参照光の第二受光部４３に対する結合効率（集光率）である。具体的には、Ｇｒは、参照光のうち、対象物２で拡散反射される成分の一部（すなわち、反射光に含まれる参照光）になる部分の割合に相当する。Ｒｒは、対象物２による参照光の反射率である。Ｔｒは、第二バンドパスフィルタ４２による参照光の透過率である。Ｉｖｒは、第二受光部４３の反射光に対する受光感度である。
In (Expression 3), Pr0 is the light energy of the light in the second wavelength band that forms the reference light among the light emitted from the
本実施の形態では、光源２２から照射される光、つまり、検知光と参照光とは、同軸かつ同スポットサイズで照射されるため、検知光の結合効率Ｇｄと参照光の結合効率Ｇｒとは略等しくなる。また、検知光と参照光とはピーク波長が比較的近いので、検知光の反射率Ｒｄと参照光の反射率Ｒｒとが略等しくなる。
In the present embodiment, the light emitted from the
なお、本実施の形態では、参照光の中心波長が、水蒸気による吸光度が所定値よりも小さい波長となっているので、参照光は、空間３中の水蒸気によって吸収されないとみなすことができる。
In the present embodiment, since the center wavelength of the reference light is a wavelength at which the absorbance due to water vapor is smaller than a predetermined value, it can be considered that the reference light is not absorbed by the water vapor in the
したがって、空間３に含まれる水蒸気の影響を考えなくとも、（式１）と（式３）との比を取ることにより、次の（式４）が導き出される。
Therefore, the following (Expression 4) is derived by taking the ratio of (Expression 1) and (Expression 3) without considering the influence of water vapor contained in the
（式４） Ｐｄ／Ｐｒ＝Ｚ×Ａａｄ (Formula 4) Pd / Pr = Z × Aad
ここで、Ｚは、定数項であり、（式５）で示される。 Here, Z is a constant term and is represented by (Equation 5).
（式５） Ｚ＝（Ｐｄ０／Ｐｒ０）×（Ｔｄ／Ｔｒ）×（Ｉｖｄ／Ｉｖｒ） (Formula 5) Z = (Pd0 / Pr0) × (Td / Tr) × (Ivd / Ivr)
光エネルギーＰｄ０及びＰｒ０はそれぞれ、光源２２の初期出力として予め定められている。また、透過率Ｔｄ及び透過率Ｔｒはそれぞれ、第一バンドパスフィルタ３２及び第二バンドパスフィルタ４２の透過特性により予め定められている。受光感度Ｉｖｄ及び受光感度Ｉｖｒはそれぞれ、第一受光部３３及び第二受光部４３の受光特性により予め定められている。したがって、（式５）で示されるＺは、定数とみなすことができる。
Each of the light energies Pd0 and Pr0 is predetermined as an initial output of the
演算処理部５６は、第一電気信号に基づいて検知光の光エネルギーＰｄを算出し、第二電気信号に基づいて参照光の光エネルギーＰｒを算出する。具体的には、第一電気信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｄに相当し、第二電気信号の信号レベル（電圧レベル）が光エネルギーＰｒに相当する。
The
したがって、演算処理部５６は、（式４）に基づいて、対象物２に含まれる水分の吸収率Ａａｄを算出することができる。これにより、演算処理部５６は、（式２）に基づいて水分量を算出することができる。
Therefore, the
［効果など］
以上のように、本実施の形態によれば、対象物２に対して光を発し、当該対象物２からの反射光に基づいて対象物２の水分量を検出する水分量センサ１であって、水による吸収が大きな第一波長帯の光（検知光）と、水による吸収が第一波長帯よりも小さい第二波長帯の光（参照光）とを対象物２に向けて発する発光部２０と、第一波長帯の光を抽出する第一バンドパスフィルタ３２と、第二波長帯の光を抽出する第二バンドパスフィルタ４２と、対象物２によって反射され、第一バンドパスフィルタ３２を透過した第一波長帯の光を受光し、第一電気信号に変換する第一受光部３３と、対象物２によって反射され、第二バンドパスフィルタ４２を透過した第二波長帯の光を受光し、第二電気信号に変換する第二受光部４３と、第一電気信号及び第二電気信号に基づいて対象物２の水分量を算出する演算処理部５６と、を備えている。第二波長帯の平均波長は、第一波長帯の平均波長よりも長い。光学的なバンドパスフィルタの最大透過率の半値である波長の中心値で定義される中心波長に関して、第二波長帯の中心波長は、水蒸気の吸光度の複数のピークのうち、１つのピークと、当該１つのピークの次のピークとの間で、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長となっている。
[Effects, etc.]
As described above, according to the present embodiment, the
この構成によれば、参照光に含まれる第二波長帯の中心波長が、水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長となっているので、参照光が水蒸気によって吸光されることを抑制することができる。一方、検知光に含まれる第一波長帯は、水による吸収が大きな波長帯であるが、水による吸収に比べると水蒸気の影響は極端に小さいものであり、無視することができる。このように、検知光及び参照光においては、水蒸気の影響を抑制することができるので、自由空間であっても水蒸気（湿気）の影響を抑制することができる。したがって、水分量検出の正確性を高めることができる。 According to this configuration, since the central wavelength of the second wavelength band included in the reference light is a wavelength at which the absorbance of water vapor is smaller than a predetermined value, it is possible to suppress the reference light from being absorbed by the water vapor. it can. On the other hand, the first wavelength band included in the detection light is a wavelength band in which absorption by water is large, but the influence of water vapor is extremely small compared to absorption by water, and can be ignored. Thus, since the influence of water vapor can be suppressed in the detection light and the reference light, the influence of water vapor (humidity) can be suppressed even in a free space. Therefore, the accuracy of water content detection can be improved.
また、例えば、第二波長帯の中心波長は、第一波長帯の中心波長の１．２倍以内である。 For example, the center wavelength of the second wavelength band is within 1.2 times the center wavelength of the first wavelength band.
上述したように、第二波長帯の平均波長は、第一波長帯の平均波長よりも長いので、第二波長帯の中心波長は、第一波長の中心波長よりも大きいことが前提である。さらに、第二波長帯の中心波長が第一波長帯の中心波長の１．２倍以内であるので、第二波長帯の中心波長を、水蒸気の影響の小さい波長に容易に設定することができる。 As described above, since the average wavelength of the second wavelength band is longer than the average wavelength of the first wavelength band, it is assumed that the center wavelength of the second wavelength band is larger than the center wavelength of the first wavelength band. Furthermore, since the center wavelength of the second wavelength band is within 1.2 times the center wavelength of the first wavelength band, the center wavelength of the second wavelength band can be easily set to a wavelength that is less affected by water vapor. .
また、例えば、発光部２０は、第一波長帯の光と第二波長帯の光とを含み、ピーク波長が第二波長帯側にある連続した光を発するＬＥＤ光源（光源２２）を備える。
In addition, for example, the
この構成によれば、１つの光源２２によって、第一波長帯の光と第二波長帯の光とを照射することができる。また、この光源２２がＬＥＤ光源であるので、経年変化による第一波長帯と第二波長帯とのエネルギーが同率で変化する。これにより、熱型の光源に比べて、経年変化による影響を抑制することができる。さらに、光源２２は、水分の吸収が小さい第二波長帯側をピーク波長としているので、水分量による減衰率の温度変化を抑制することができる。
According to this configuration, it is possible to irradiate light in the first wavelength band and light in the second wavelength band by one
また、例えば、第一受光部３３と第二受光部４３とは、互いに同型の受光素子を備えている。
In addition, for example, the first
この構成によれば、第一受光部３３と第二受光部４３とが互いに同形の受光素子を備えているので、第一受光部３３と第二受光部４３との感度の経年変化が同傾向となり、経年変化の影響を抑制することができる。
According to this configuration, since the first
また、例えば、演算処理部５６は、第一電気信号及び第二電気信号の信号比に基づいて、対象物２の水分量を算出する。
For example, the
第一電気信号及び第二電気信号は、１つの光源２２から発せられた光が対象物２によって反射して、第一受光部３３及び第二受光部４３で受光されたことで得られた電気信号である。つまり、水分量センサ１から対象物２までの距離、光源２２の経年変化、第一受光部３３及び第二受光部４３の経年変化があったとしても、第一電気信号及び第二電気信号は同条件で取得されている。このため、上記したように、第一電気信号及び第二電気信号の信号比に基づいて、対象物２の水分量が算出されていれば、水分量センサ１から対象物２までの距離、光源２２の経年変化、第一受光部３３及び第二受光部４３の経年変化の影響を軽減することができ、より高い精度で水分量を検出することができる。
The first electric signal and the second electric signal are obtained by reflecting the light emitted from one
（その他）
以上、本発明に係る水分量センサ１について、上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。
(Other)
As mentioned above, although the
例えば、上記実施の形態では、光源２２がＬＥＤ光源である場合を例示したが、光源は半導体レーザ素子又は有機ＥＬ素子などでもよい。
For example, in the above embodiment, the case where the
また、上記実施の形態では、検知光をなす第一波長帯と参照光をなす第二波長帯とを含む連続した光を１つの光源２２が発する場合を例示して説明した。しかしながら、複数の光源を設け、１つの光源が検知光を発し、他の光源が参照光を発するようにしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the case where the one
また、上記実施の形態では、信号処理回路５０に備わる光源制御部５１、第一信号処理部５４、第二信号処理部５５及び演算処理部５６がそれぞれ専用のマイクロコントローラからなる場合を例示して説明したが、信号処理回路は、全体として１つのマイクロコントローラで実現されてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the case where the light
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。 In addition, the embodiment can be realized by arbitrarily combining the components and functions in each embodiment without departing from the scope of the present invention, or a form obtained by subjecting each embodiment to various modifications conceived by those skilled in the art. Forms are also included in the present invention.
１ 水分量センサ
２ 対象物
２０ 発光部
２２ 光源（ＬＥＤ光源）
３０ 第一受光モジュール
３２ 第一バンドパスフィルタ
３３ 第一受光部
４０ 第二受光モジュール
４２ 第二バンドパスフィルタ
４３ 第二受光部
５６ 演算処理部
DESCRIPTION OF
30 first
Claims (5)
水による吸収が大きな第一波長帯の光と、水による吸収が前記第一波長帯よりも小さい第二波長帯の光とを前記対象物に向けて発する発光部と、
前記第一波長帯の光を抽出する第一バンドパスフィルタと、
前記第二波長帯の光を抽出する第二バンドパスフィルタと、
前記対象物によって反射され、前記第一バンドパスフィルタを透過した前記第一波長帯の光を受光し、第一電気信号に変換する第一受光部と、
前記対象物によって反射され、前記第二バンドパスフィルタを透過した前記第二波長帯の光を受光し、第二電気信号に変換する第二受光部と、
前記第一電気信号及び前記第二電気信号に基づいて前記対象物の水分量を算出する演算処理部と、を備え、
前記第二波長帯の平均波長は、前記第一波長帯の平均波長よりも長く、
光学的なバンドパスフィルタの最大透過率の半値である波長の中心値で定義される中心波長に関して、
前記第二波長帯の中心波長は、水蒸気の吸光度の複数のピークのうち、１つのピークと、当該１つのピークの次のピークとの間で、前記水蒸気の吸光度が所定値よりも小さい波長となっている水分量センサ。 A moisture sensor that emits light to an object and detects the moisture content of the object based on reflected light from the object,
A light emitting unit that emits light in a first wavelength band having a large absorption by water and light in a second wavelength band in which the absorption by water is smaller than the first wavelength band toward the object;
A first bandpass filter for extracting light in the first wavelength band;
A second bandpass filter for extracting light in the second wavelength band;
A first light receiving unit that receives the light in the first wavelength band reflected by the object and transmitted through the first bandpass filter, and converts the light into a first electric signal;
A second light receiving unit that receives the light in the second wavelength band reflected by the object and transmitted through the second bandpass filter, and converts the light into a second electrical signal;
An arithmetic processing unit that calculates a moisture content of the object based on the first electric signal and the second electric signal,
The average wavelength of the second wavelength band is longer than the average wavelength of the first wavelength band,
For the center wavelength defined by the center value of the wavelength, which is half the maximum transmittance of the optical bandpass filter,
The center wavelength of the second wavelength band is a wavelength at which the water vapor absorbance is smaller than a predetermined value between one peak of the plurality of water vapor absorbance peaks and a peak next to the one peak. Moisture sensor.
請求項１に記載の水分量センサ。 The moisture sensor according to claim 1, wherein a center wavelength of the second wavelength band is within 1.2 times a center wavelength of the first wavelength band.
請求項１又は２に記載の水分量センサ。 The said light emission part is equipped with the LED light source which emits the continuous light which contains the light of said 1st wavelength band, and the light of said 2nd wavelength band, and has a peak wavelength in the said 2nd wavelength band side. The moisture sensor described.
請求項１〜３のいずれか一項に記載の水分量センサ。 The moisture sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the first light receiving unit and the second light receiving unit include light receiving elements of the same type.
請求項１〜４のいずれか一項に記載の水分量センサ。
The moisture sensor according to claim 1, wherein the arithmetic processing unit calculates a moisture content of the object based on a signal ratio between the first electrical signal and the second electrical signal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017034162A JP2018141632A (en) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | Moisture amount sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2017034162A JP2018141632A (en) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | Moisture amount sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018141632A true JP2018141632A (en) | 2018-09-13 |
Family
ID=63527933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017034162A Pending JP2018141632A (en) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | Moisture amount sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2018141632A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021060175A1 (en) * | 2019-09-27 | 2021-04-01 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Blower |
| CN113841040A (en) * | 2019-06-20 | 2021-12-24 | 松下知识产权经营株式会社 | Sensitivity adjustment plate and method for manufacturing sensor device |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6093334A (en) * | 1983-09-26 | 1985-05-25 | ザ・ウイギンズ・テイープ・グループ・リミテツド | Method and device for measuring water content |
| JPS61500931A (en) * | 1984-01-20 | 1986-05-08 | アキユレイ コ−ポレ−シヨン | Infrared radiation meter for measuring the percentage of water contained in paper |
| JPH03231140A (en) * | 1990-02-06 | 1991-10-15 | Japan Tobacco Inc | Infrared moisture measuring apparatus |
| JPH05249032A (en) * | 1992-03-09 | 1993-09-28 | Masaya Yabe | Semiconductor spectroscopic detector |
| JPH06123700A (en) * | 1992-06-03 | 1994-05-06 | Hamamatsu Photonics Kk | Method and device for measuring infrared-ray absorption |
| JPH10232200A (en) * | 1997-02-19 | 1998-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Dryness informing device |
| US5892229A (en) * | 1996-04-22 | 1999-04-06 | Rosemount Analytical Inc. | Method and apparatus for measuring vaporous hydrogen peroxide |
| US20080179530A1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-07-31 | Xiang Liu | Background Compensation By Multiple-Peak Measurements For Absorption Spectroscopy-Based Gas Sensing |
| JP2011137467A (en) * | 2009-12-31 | 2011-07-14 | General Electric Co <Ge> | System and device for monitoring and controlling selective catalytic reduction process |
| JP2012532324A (en) * | 2009-07-10 | 2012-12-13 | ハネウェル・アスカ・インコーポレーテッド | Optical fiber sensor using high-bandwidth light source |
-
2017
- 2017-02-24 JP JP2017034162A patent/JP2018141632A/en active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6093334A (en) * | 1983-09-26 | 1985-05-25 | ザ・ウイギンズ・テイープ・グループ・リミテツド | Method and device for measuring water content |
| JPS61500931A (en) * | 1984-01-20 | 1986-05-08 | アキユレイ コ−ポレ−シヨン | Infrared radiation meter for measuring the percentage of water contained in paper |
| JPH03231140A (en) * | 1990-02-06 | 1991-10-15 | Japan Tobacco Inc | Infrared moisture measuring apparatus |
| JPH05249032A (en) * | 1992-03-09 | 1993-09-28 | Masaya Yabe | Semiconductor spectroscopic detector |
| JPH06123700A (en) * | 1992-06-03 | 1994-05-06 | Hamamatsu Photonics Kk | Method and device for measuring infrared-ray absorption |
| US5892229A (en) * | 1996-04-22 | 1999-04-06 | Rosemount Analytical Inc. | Method and apparatus for measuring vaporous hydrogen peroxide |
| JPH10232200A (en) * | 1997-02-19 | 1998-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Dryness informing device |
| US20080179530A1 (en) * | 2007-01-30 | 2008-07-31 | Xiang Liu | Background Compensation By Multiple-Peak Measurements For Absorption Spectroscopy-Based Gas Sensing |
| JP2012532324A (en) * | 2009-07-10 | 2012-12-13 | ハネウェル・アスカ・インコーポレーテッド | Optical fiber sensor using high-bandwidth light source |
| JP2011137467A (en) * | 2009-12-31 | 2011-07-14 | General Electric Co <Ge> | System and device for monitoring and controlling selective catalytic reduction process |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113841040A (en) * | 2019-06-20 | 2021-12-24 | 松下知识产权经营株式会社 | Sensitivity adjustment plate and method for manufacturing sensor device |
| CN113841040B (en) * | 2019-06-20 | 2024-03-22 | 松下知识产权经营株式会社 | Sensitivity adjustment plate and method for manufacturing sensor device |
| WO2021060175A1 (en) * | 2019-09-27 | 2021-04-01 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | Blower |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2018155291A1 (en) | Water content sensor and clothes-drying apparatus | |
| EP2946195B1 (en) | Method and apparatus for monitoring a level of a gaseous species of interest | |
| US9322756B2 (en) | Nondispersive infrared micro-optics sensor for blood alcohol concentration measurements | |
| JP7253598B2 (en) | sensor device | |
| JP2006275980A (en) | Infrared-type gas detector | |
| CN111051855B (en) | Water content sensor and road surface state detection device | |
| JP2018141632A (en) | Moisture amount sensor | |
| WO2009157407A1 (en) | Noninvasive alcohol sensor | |
| WO2017043263A1 (en) | Gas concentration detection device | |
| JP2017161424A (en) | Optical component sensor | |
| JP6712792B2 (en) | Dryness sensor | |
| Lou et al. | Sulfur dioxide measurements using an ultraviolet light-emitting diode in combination with gas correlation techniques | |
| JP2019148454A (en) | Component detection sensor | |
| JPWO2018155290A1 (en) | Optical component sensor | |
| JP2019148450A (en) | Component detection sensor | |
| JP2008180597A (en) | Light detection device and optical measurement unit | |
| JP5985909B2 (en) | Gas sensor | |
| WO2022138464A1 (en) | Water leakage sensor | |
| EP3677900B1 (en) | Moisture amount detection device | |
| JP2006275641A (en) | Spectroscopic gas sensor | |
| JP7170237B2 (en) | SENSITIVITY ADJUSTMENT PLATE AND SENSOR DEVICE MANUFACTURING METHOD | |
| JP2008292321A (en) | Gas concentration measuring instrument | |
| JP2019045186A (en) | Moisture content detection unit | |
| JP2016109629A (en) | Particle measuring apparatus, air cleaner, and particle measuring method | |
| JP2019037196A (en) | Scattering device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20191212 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200819 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200825 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201009 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210126 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20210803 |