专利名称：改进的波导和相关联的汽车车载光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及汽车车载电子装置的领域。更具体地，本发明涉及光电子仪器。更准确地说，本发明涉及适用于确定流体的组成的光谱测定法。
背景技术：
不同汽车制造商之间的竞争导致了在燃料消耗和经济特性方面的对更好的工作性能的不断更新的追求。在由内燃机驱动的车辆的领域，燃料的组成对发动机的性能有直接影响。因此，了解燃料的精确组成允许调整发动机的某些操作参数，以改进燃烧并且使车辆的污染更小。此外，这种了解还可以允许检测可能损坏发动机的错误操作(将柴油充入汽油箱， 并且反之亦然)，并且允许使驾驶员警觉甚或允许(对于受控的内燃机)阻止点火，以便于防止不可修复的损坏。这种了解还可能检测并不符合法定质量标准的燃料。相似的观察应用于机油，甚至应用于冷却剂或者属性影响车辆的操作的其它流体。一种实现这种流体组成分析的手段是使用光谱测定技术。我们记得，光谱仪是一种旨在确定待分析的样本对光谱(通常是光的光谱)的某些波长的吸收的测量仪器。所吸收的波长形成吸收光谱中的峰值并且表征所述样本中存在的某些分子或成分。如在本发明的上下文中所定义的那样，因此光学光谱仪(spectron^tre optique) 主要由以下部件组成光源、用于使光束成形以便于创建能够通过样本的平行光束的光学组件、允许在某个波长范围中的测量的波长滤波器、以及测量在该波长处接收到的光强度的光检测器。工作在紫外(UV)、可见光和近红外(IR)波长范围中的光谱仪已被日常用在许多领域中。所有这些应用领域使用相同类型的测量仪器，仅测量仪器的尺寸和便携特性变化。这些仪器可选地使用各种技术(傅里叶变换、滤波器、单色仪、衍射系统等)并且在宽的温度范围上并不工作。这是因为，出于与其性能中的取决于温度的漂移的原因，这些仪器极少用在呈现剧烈温度变化的环境中。这是这些仪器用在要求在-40°C到+105°C之间有效的车载硬件的汽车领域中的主要障碍。而且，在诸如在测量汽车流体的领域中考虑的应用的应用中，需要使用单位成本非常低且随着时间的推移稳健的部件，以便于保证可靠的和持久的操作。一种解决方案是将发光二极管(英语“Light Emitting Diodes”的首字母缩写词为LED)用作光源。事实上，发光二极管是众所周知的、非�？煽康�、成本非常低的部件，因此这些发光二极管被大量用在多种应用中。此外，目前可以得到许多波长版本的发光二极管，从而允许这些发光二极管用于从300nm (近紫外)到2500nm (近红外)的光谱范围中。然而，发光二极管的发射光谱和光功率属性根据流过它们的电流和使用它们的周围温度而显著变化。解释所测量的吸收需要精确地了解通过待分析的样本所发送的光波在给定波长处的强度。因此，在温度可能显著变化(例如在汽车中，从-40°C到+105°C)的环境中，这些发光二极管作为光谱学的光源的使用需要创新的解决方案，以便于补偿它们的属性的自然变化。更一般地，这些观察涉及性能随老化和温度变化的所有光源。使用基于LED的技术的低成本光谱仪设备已经是公知的，能够考虑光源中的漂移。例如，如图1中所示，光谱仪10包括 -至少一个光源2 ；
-用于使由至少一个光源2输出的至少一个入射光束成形的装置100 ； -测量单元4 ；
-测量检测器5，所述测量检测器5被置于测量光束22的光路上，所述测量光束22与测量单元4相遇，以及
-自校准装置，所述自校准装置允许考虑由于环境条件或使用条件引起的光源2的任何漂移而不依赖于待分析的流体是存在于测量单元4中还是不存在于测量单元4中，所述自校准装置包括
-用于创建参考光束23的装置200，所述参考光束由光源2输出，并且未与测量单元4 相遇；以及
-参考检测器6，所述参考检测器6被置于参考光束23的光路上。成形装置100是例如透镜或反射镜的系统。透镜的光功率由其表面形状、其尺寸、制造其的材料以及制造透镜的材料与透镜所浸入的介质之间的折射率差(斯涅尔定律)来表征。通常，在空气中使用透镜，空气是具有接近于1的折射率的介质。反射镜的光功率对其来说基本上由其表面的形状来表征。如在汽车领域中频繁发生的那样，在温度明显下降期间，空气中存在的湿气在光谱仪的光学部件的表面上凝结，由此引起不可忽略的干扰。一方面，小液滴沉积在光学部件的表面上使得这些光学部件的光功率被修改(水是具有1. 33的折射率的介质)，因此危及光线的形成并且由此使光谱仪的特性劣化。另一方面，在所监控的其它量中，旨在测量流体 (例如，燃料)中的水的量的将水滴引入到测量光路上的光谱仪致使在流体的水的量的测量结果中引入了误差。因此，在温度可能显著变化的环境中在光谱仪内使用光学部件需要创新的解决方案，以便于消除冷凝或污垢的影响。第一解决方案在于将光学部件置于真空下或者置于惰性气体中。该解决方案需要确保密闭气氛或者维持真空的容器，以便于确保密封的环境。然而，该解决方案(主要在制造成本方面)不适合用在汽车环境中。另一解决方案在于将光学部件嵌入到如下树脂中该树脂在光谱仪使用的波长处是透明的，例如硅树脂或环氧树脂。然而，用于这种嵌入的材料的折射率取决于在树脂聚合期间创建的压力和应力，并且该解决方案导致了不容易控制的变化，由此危及光线的成形。因此，公知的解决方案不适合将该技术用在诸如测量燃料的化学成分或其属性的车载应用的背景中。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种光谱仪设计，该光谱仪设计满足与汽车应用兼容的尺寸、可靠性及性能约束条件。本发明的第二目的在于实现低成本生产，从而使其使用是可行的。本发明的第三目的在于提供一种车载光谱仪，该车载光谱仪可以在没有硬件修改的情况下用于多个针对不同流体的应用。出于该目的，本发明的一个主题是一种用于测量光束在预先选择的波长范围中的光谱的设备(该类型的测量设备通常被称为光谱仪)，其中所述光谱由待分析的流体生成。 该光谱仪包括
-至少一个光源；
-测量单元，所述测量单元包括待分析的流体；
-测量检测器，所述测量检测器被置于测量光束经过的光路上，所述测量光束由光源发射并且与测量单元相遇；以及
-参考检测器，所述参考检测器被置于参考光束经过的光路上，所述参考光束由光源发射并且未与测量单元相遇。根据本发明，光谱仪被装在汽车上，并且进一步包括用于使(由至少一个光源发射的)入射光束成形并且用于将所述光束分离为测量光束和参考光束的装置。该成形装置是波导。该波导包括
-第一容积，用于使由光源发射的入射光束成形并且分离由光源发射的入射光束，所述光源被压在第一容积的第一端上；
-第二容积，用于朝向测量检测器引导测量光束，所述第二容积经由自由端被压在测量单元的第一壁上；
-第三容积，用于朝向测量检测器引导参考光束，所述第三容积经由自由端被压在参考检测器上。第一容积在与第一端相对的被称为第二端的端部处包括被称为反射面的面，该面至少在其表面的部分上被加工，以便于反射光源所发射的入射光束。此外，基本上在第一端处并且在光源的任一侧，第一容积包括如下的面，该面被加工以便于分别将测量光束和参考光束分别导向到波导的第二容积和第三容积中。该波导包括第四容积，用于支承测量检测器，所述测量检测器借助于所述第四容积被压在测量单元的第一壁上。优选地，该波导的未加工的面吸收光源所发射的波长或使该波长漫射 (diffusantes)。有利地，该波导由允许光源所发射的光谱通过的塑性材料制成。在一个实施例中， 该波导由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)制成。在一个实施例中，使用注射成型方法生产该波导。替换于塑性材料，该波导由玻璃制成并且允许光源所发射的光谱通过。
优选地，待分析的流体所发射的光谱是吸收光谱。在另一实施例中，待分析的流体所发射的光谱是发射光谱。优选地，测量检测器和参考检测器分别与波长滤波器相关联。在优选实施例中，光源由四个发光二极管(LED)形成，这四个发光二极管(LED)的发射光谱覆盖对应于待分析的流体的波长范围，所述发光二极管被布置为正方形并且尽可能彼此靠近。 可替换地，光源是白炽灯。本发明还涉及一种旨在永久性地安装在车辆中的燃料、油、冷却剂或尿素质量传感器，该传感器包括如所描述的光谱仪。本发明还涉及一种用于控制车辆发动机的至少一个操作参数的方法，所述车辆配备有如所描述的传感器以及连接到所述传感器的电子控制单元。该方法包括如下步骤
-选择待分析的流体； -定期接通光源；
-等待考虑所述光源的正常初始化时间的适当时间段；
-控制可变滤波器，以便于依次地将所述滤波器设置到不同的波长，从而形成用于确定所分析的流体的组成所需的序列，其中这些波长被预先存储在很可能被传感器分析的每种流体的所述控制单元的存储器中；
-对于所选择的每个波长，使用测量检测器和参考检测器测量在该波长处接收到的光强度；
-定期将待分析的流体的吸收光谱的测量结果和参考光谱的测量结果传送到控制单
元；
-使用控制单元比较测量值和参考值； -使用控制单元确定由于测量单元中包含的样本引起的吸收； -使用控制单元，基于存储器中存储的算法或数据表格，定期确定对发动机的操作参数的修改。本发明还涉及一种使用如所描述的设备或者如所描述的方法的车辆。
参照如下附图给出了本发明的详细描述
一在图1 (已经提及的)中示出了根据现有技术的光谱仪；
一在图2中示出了根据本发明的光谱仪到汽车的燃料回路中的示例性集成；
一在图3中示出了本发明的第一实施例中的光谱仪的透视一在图4中示出了图3的波导沿线AA的横截面的示意一在图5中示出了图4的波导沿线BB的横截面的示意一在图6中示出了根据本发明的一个实施例的用于困难环境的光谱仪的示意性功能顶视一在图7中示出了根据本发明的第二实施例的用于困难环境的光谱仪的示意性功能顶视一在图8中示出了根据本发明的第二实施例的波导的透视图；以及一在图9a和9b中示出了根据本发明的第二实施例的波导的变型的不同透视图。
具体实施例方式在用于测量燃料的质量而应用于汽车的燃料回路的应用的情况下，描述了根据本发明的用于测量光束光谱的设备(称为光谱仪10)的示例性实施例。然而，本发明还适用于例如用于测量油、冷却剂或尿素的汽车的其它回路。更一般地，本发明适用于在(温度、物理接入方面)困难的环境中测量流体的质量。如在图2中所示，根据本发明的光谱仪10被有利地置于燃料管道11上，该燃料管道11位于油箱12和燃料泵13的下游以及燃料过滤器14的下游(以便于减少测量误差)， 但是位于喷油泵15和内燃机16的上游。光谱仪10被连接到电子控制单元17，该电子控制单元17还被连接到喷油泵15或者被连接到发动机16，电子控制单元17能够控制喷油泵15或者发动机16的某些设置。注意，该电子控制单元17可以是常规地存在于汽车中的发动机控制单元或者是光谱仪的将所分析的流体的参数值直接发送到发动机控制单元的控制单元。相对于图3描述的根据本发明的光谱仪10被构造在测量单元4周围，待分析的流体(在该示例性应用中是燃料)在测量单元4中流动(箭头F)。光谱仪10包括 -光源2 ；
-波导3，用于引导光源2所发射的入射光束； -测量单元4，该测量单元4包含待分析的流体；
-测量检测器5，该测量检测器5被置于测量光束22经过的光路上，所述测量光束22 由光源2发射并且与测量单元4相遇；以及
-参考检测器6，该参考检测器6被置于参考光束23经过的光路上，所述参考光束23 由光源2发射并且未与测量单元4相遇。在下面的描述中，定义以光源2为中心的正交坐标系XYZ。Z定义了对应于流体在测量单元4中的流动方向的纵轴，Y定义了垂直于测量单元4的壁41、44的横轴，并且X定义了与另外两个轴正交的轴。发射光谱对应于与待分析的流体相对应的波长范围的光源2包括至少一个发光
二极管。在本非限制性情况下，光源2由四个发光二极管形成，这四个发光二极管在XY平面中的同一支承件上被布置为正方形并且彼此尽可能靠近，以便于使相对于四个发光二极管之间的距离的测量偏差最小。光源2在正的Z方向上发射。发光二极管的发射峰值分别位于约 810nm、875nm、935nm 和 1020nm。例如，光源具有0. 3X0. 3mm的面积，其中两个毗邻的发光二极管之间的距离是 0. Imm0波导3具有两个目的。一方面，波导3使由光源2发射的入射光束成形。另一方面，波导3将入射光束分离为两个光束，以便于创建指向参考检测器6的第一光束(参考光束23)以及指向测量检测器5的第二光束(测量光束22)。优选地，波导3由诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)的塑性材料制成。在变型中，波导3可由使用公知技术成型的玻璃实现。有利地，使用注射成型技术生产波导3，从而允许以合理的成本生产复杂的部件。波导3由如下单个单元组成，该单个单元被分解为三个容积，以便于使入射光束朝向参考检测器6或者朝向测量检测器5返回
-第一纵向容积31，主要沿正的Z方向延伸； -第二横向容积32，主要沿正的Y方向延伸； -第三容积33，也是横向的，主要沿负的Y方向延伸。波导3的第一容积31在尺寸上较大并且允许使入射光束成形。表述“使成形”被理解为意思是入射光束被准直并且被分离为两个基本上平行且相同的光束。如在图4和5中所示的那样，第一容积31在XL和TL平面中是对称的并且具有沿 X轴的厚度e、沿Z轴的高度H以及沿Y轴的长度L。在该示例性应用中，高度H等于30mm，长度L等于15mm并且厚度e等于15mm。第二容积32和第三容积33分别具有与第一容积相同的厚度和足以分别使测量光束22和参考光束23通过的高度h (约2mm)。第三容积33的长度L3可以根据针对参考检测器23期望的位置进行调整。在该实例中，L3介于5mm到15mm之间。光源2被有利地压在(优选地接合到)第一容积31的第一端311的外部面314上， 并且在正的Z方向上发射。参考检测器6被有利地压在(优选地接合到(coller))第三容积33的自由端331 的外部面332上。将光学部件压在(或者接合到)波导上有利地允许消除在光谱仪10的外部环境中的剧烈的温度变化期间可能出现在光学部件的表面上的冷凝的问题
第一容积31在与第一端311相对的第二端312处包括球形的凹入面313，该球形的凹入面313在YL平面中具有半径R而在TL平面中具有半径R'。面313被加工，以便于反射从光源2入射的光束。在随后的描述中，面313被称为内部反射面。根据高度H、长度L和厚度e选择反射面313的半径R和R'，使得由所述面313 反射的光束平行于Z轴。在本发明的示例性实施例中，半径R等于61. 65mm并且半径R'等于61. 65mm (在本实例中，反射面313的表面是球体的部分)。半径位于Z轴上，恰好在光源的中心上方(在图示的实施例中，恰好在四个二极管的中心上方)。举例来说，对于为61. 65mm的球形表面半径R，第一容积31的长度L是30mm。因此，由光源2发射的未准直的入射光束被指引朝向反射面313，该反射面313使光束准直并且将该光束分离为两个分离的反射光束(参考光束23和测量光束22)，这两个分离的反射光束都平行于Z轴并且处于负的Z方向上。第一容积31基本上在第一端311处并且在光源2的任一侧上都包括面3112、 3113，所述面3112、3113被加工，以便于反射由内部面313所反射的光束22、23。面3112、 3113例如被覆盖有反射所述光源的波长的物质的层。两个面3112、3113彼此成90°取向。 第一面3113允许参考光束23被引向第三容积33中，另一面3112允许测量光束22被引向
9第二容积32中。这里应当注意，面3113和3112还可以使用在塑性材料和空气之间的全反射(45° 入射角)来发挥作用。因而问题在于，该全反射可能被冷凝破坏。这就是为什么在优选实施例中这些面被覆盖有反射物质(例如金)的原因。两个面3112、3113由如下表面形成这些表面在波导3的整个厚度上是平坦的并且针对第一面在H平面中成45°取向，而对于第二面在该同一平面中成135°取向。这些表面被空腔3114分离，该空腔3114允许入射光束进入波导3的第一容积31中。面3112和3113分别都具有分别使所有测量光束22和参考光束23分别朝向测量检测器5和参考检测器6返回的尺寸。通过使用本领域技术人员公知的手段对面313、3112和3113进行抛光和敷金属 (例如利用铬)，获得了所述三个面的反射特性。优选地，为了防止杂散光线的传播(通过来自部件3的非光学面的多次反射的传播)，例如，通过向未被抛光和/或被敷金属的波导3的内部面施加黑色涂料层，这些内部面在光源2的波长处是光学吸收的(或漫射的)。未被抛光和/或被敷金属的波导3的外部面对于位于外部环境中的光束是光学不透明的。然而，如果光谱仪10被置于并不允许外部光朝向波导传播的不透明的(例如黑色的)盒子中，则不需要该布置。波导3经由第二容积32的外部面322的自由端321被压在(优选地接合到)测量单元4的壁41中的第一窗口 42上。测量检测器5被压在(优选地接合到)测量单元4的壁44中的第二窗口 43上。在图3和6中图示的光谱仪的第一实施例中，测量检测器5独立于波导3。测量单元4此处由一段具有矩形横截面的管形成，该管配备有两个平行的窗口 42、43，这两个平行的窗口 42、43在测量单元4的两个相对的壁41、44上彼此面对。两个窗口 42、43可以例如由玻璃或者塑性材料制成，该材料必须相对于所分析的流体是化学中性的，不会随着温度变化而变形，并且在用于测量的波长范围中是透明的(这里的波长范围是近红外，但是在不修改所描述的光谱仪的情况下，也可以使用在UV/可见光中的波长范围)。测量单元4由金属或由刚性塑性材料制成，使得两个窗口之间的距离随着温度变化保持基本上不变，目的在于防止干扰测量。窗口 42、43通过接合或者任何其它公知的手段被固定到测量单元4的壁41、44。测量单元4通过本领域技术人员公知的手段在其两个开放端(未示出)处被连接到先前安装在车辆中的用于使燃料循环的管11。为了测量吸收光谱，测量光束22因此在从波导3输出时通过第一窗口 42，通过待分析的流体的等于测量单元4沿横轴Y的宽度的厚度，并且随后通过测量单元4的第二窗口 43。在此穿过期间，光源2的发射光谱的某些波长由于流体中存在的分子在这些波长处吸收光子而被衰减。由测量单元4沿横轴Y发射的已衰减的测量光束22被测量检测器5感测到，该测量检测器5被置于测量光束22的光路上，并且例如借助于支承件51被压在(优选地接合到) 第二窗口 43上，该支承件51由优选地与波导3相同的材料制成。参考光束23在从波导3的第三容积33输出时被参考传感器6感测到。
在示例性实施例中，测量检测器5和/或参考检测器6是与可变滤波器相关联的热电检测器，诸如例如法布里-珀罗干涉测量空腔。法布里-珀罗干涉仪是MEMS (英语 "Micro Electronic Mechanical Systems (微机电系统)”的首字母缩写词)并且其空腔宽度可以进行电子控制(由此使得可能选择通过空腔的波长)。在另一实例中，测量检测器5和/或参考检测器6是与一个或多个线性可变的或离散的光学滤波器相关联的CCD (英语“Charged Couples Device (电荷耦合器件)”的首字母缩写词)矩阵或 CMOS (英语“Complementary Metal Oxide Semi-conductor (互补金属氧化物半导体)”的首字母缩写词)矩阵。滤波器然后允许在所考虑的波长范围(从SOOnm到1250 nm)中的许多波长处实现测量。在另一实施例中，如在图7和8中所示的那样，测量检测器5位于与波导3相同的一侧并且借助于第四容积34被紧固到所述波导，该第四容积34在正的X方向上与第二容积32连结(accoler)。第四容积34是用于支承测量检测器5的容积。该第四容积34在第一面341上被压在(优选地接合到)测量单元4的第二窗口 43上。测量检测器5对于其来说被压在(优选地接合到)第四容积34的与第一面341相对的第二面342上。测量单元4仍被示为一段具有矩形横截面的管的形式。在该实施例中，测量单元 4在壁41上包括两个尺寸基本上相同的矩形的共面窗口 42、43。在相对的侧壁44上，包括两个彼此成90°取向的反射刻面45、46的用于反射光的区域允许经由第一窗口 42 (在沿正的Y方向取向的方向上)进入的光束朝向第二窗口 43 (在沿负的Y方向取向的方向上)反射。两个反射刻面45、46在本实例中由平坦表面形成， 对于第一反射刻面在XY平面中成45°取向而对于第二反射刻面在同一平面中成135°取向。这两个反射刻面由刻面47隔开，刻面47主要是平坦的并且平行于X轴。两个反射刻面45、46的尺寸被确定为使从第一窗口 42射出的整个测量光束22朝向第二窗口 43返回。在本实施例中，它们的反射特性通过对形成测量单元4的侧面的表面抛光和局部敷金属(例如通过铬)来获得，其中该敷金属通过本领域技术人员公知的手段实现。这些刻面还可以通过将反射镜接合到成45°和135°取向的面上来获得，或者通过其它适当的手段获得。因此，为了测量吸收光谱，如图7中所示的那样，测量光束22在从波导3输出时通过第一窗口 42，在测量单元4中被分析的流体内被两个板45、46反射并且通过第二窗口 43 离开所述测量单元4。被衰减的测量光束22最终由置于测量光束22的光路上的测量检测器5来感测。参考光束23在从波导3的第三容积33输出时针对其来说由参考传感器6来感测。测量检测器5和参考检测器6与上述实施例中的测量检测器5和参考检测器6相同。在波导3的变型实施例中，为了改进光源2所发射的光束的准直和分离，波导3的第一容积31的球面313未在整个长度L上被敷金属，而是具有对光源2的波长有吸收力的区域。厚度为e、相对于Z轴对称并且中心位于Z轴上的所述区域既未被抛光也未被敷金属。
在改进的变型实施例中，如在图9a和9b中所示的那样，第一容积31在)(Z平面中在第二端312处被截平并且通过基本上V形的切口相对于Z轴对称。第一容积31在H平面中基本上是M形的(图％)。与光源相对的两个面313a、31!3b被抛光和被敷金属。注意， 该V形切口并不具有光学功能。该V形切口被用于使容积最优化并且因此使生产该部件的成本最优化。在操作中，当与光谱仪10相关联的控制单元17针对待分析的流体的类型已被初始化(选择待观察的波长)时，所述控制单元17定期接通光源2，其间距是预先选择的。在考虑所述光源2的正常初始化时间的适当的时间段之后，当光谱仪10配备有可变滤波器时，控制单元17控制用于改变可变滤波器的值以便于将所述滤波器依次地设置到不同波长的装置，从而形成用于确定所分析的流体的组成所需的序列，其中这些波长被预先存储在所述控制单元17的存储器中。对于每个所选择的波长，测量检测器5供给表征在该波长处接收到的光强度的测
量结果。光谱仪10因此定期向控制单元17供给待分析的流体的吸收光谱的测量结果。同时，对于相同的波长，参考检测器6供给在每个波长处接收到的光强度的特征
测量结果。控制单元17比较测量值和参考值并且由此得出由于包含在测量单元4中的样本而引起的吸收。基于存储在存储器中的算法或值的表格，控制单元17定期确定对发动机16的操作参数的修改。例如燃料是否适用于发动机、点火提前的设置、喷射的设置等等。对从根据本发明的光谱仪10输出的信号的处理超出了本发明的范围，并且在这里将不做更详细的描述。因此，在其各种优点中，如所描述的光谱仪10是一种可靠的系统，其使用简单和稳健的部件，能够考虑漂移和老化，并且因此可以用在诸如汽车环境的困难环境中。根据本发明的波导3的使用在没有附加成本的情况下有利地允许替换常规的光谱仪的准直透镜和分束器，由于现在仅存在单个部件所以允许减少波导3的机械公差，并且允许消除光学部件的表面上的冷凝带来的问题。所实现的测量几乎是连续的，由此允许该系统与测量之间的所需间隔是不同长度的不同测试(燃料、油、尿素等)相匹配。参考光路的使用允许考虑光源(例如发光二极管)中的明显的漂移。因此可能设想在宽的温度范围(通常在对应于汽车领域的范围中-40°C至+105°C)上使用光谱仪10。光谱仪10借助其参考光路还允许在不腾空测量单元的情况下进行自校准(在切断光和最大光的情况下实现的测量表征检测器的电子噪声)，这是在诸如汽车的燃料箱或管道的环境中的简单测量的绝对要求。此外，该自校准可以以按照需要密集的间隔进行，以便于考虑光谱仪的部件的老化。还应当注意，在五个以上的波长处进行测量的情况下，所描述的概念对于工业规模的大批量生产是特别经济的，其中所述在五个以上的波长处进行测量的情况是用于测量
12燃料参数或者适用于各种待分析的流体的多用途仪器的情况，并且因此必须适应数十个波长处的吸收测量。在相反的情况下，例如对于需要在五个预设波长处的测量的光谱仪10，如下配置提供了较廉价的设备(原因在于不再需要与每个检测器相关联的波长滤波器)该配置包括五个不同波长的发光二极管并且一起用作光源2，其中每个发光二极管都精确地与测量波长匹配。在可以考虑用于上述光谱仪的应用中，自然可能提及车载的燃料、油、冷却剂或尿素质量传感器。本发明的范围并不限于上文通过实例考虑的实施例的细节，相反，该范围包括本领域技术人员的能力内的修改。作为变型，测量单元4具有圆柱形横截面。在该变型中，只要测量单元4的几何形状是准确已知的，测量原理就保持不变。更一般地，假设能校准光谱仪10，则任何测量单元 4的几何形状都是可接受的。显然，光源2可以由单个宽发射光谱的发光二极管形成，或者相反地由多个二极管形成，如果发光二极管的发射特性和期望的发射光谱要求这样进行。这些发光二极管的组合功率并不超过数十瓦特，并且通过已知装置供电，这里未给出其细节。针对包括发光二极管的光源2描述了示例性实施例。显然，或者根据现有技术的具有较宽的光谱的低单位成本的二极管或者以创建另一波长范围中的光谱为目的，可以单独地或者组合地使用其它二极管。应当理解，所选择的发光二极管是具有非常低的单位成本的市面上可得到的产品。因此，以使光谱仪10的整体成本最小化为目的，已基于非常廉价的可用部件创建了等效的光源2。而且，已知发光二极管具有数万小时的使用寿命(发射的功率减半之前的时间段)，因此与汽车车载仪器所需的使用寿命相兼容。然而，本发明仍可被任何光源使用，例如白炽灯等。所给出的描述涉及透射型光谱仪，针对该透射型光谱仪，所测量的光谱是已通过流体的光的光谱。所描述的原理同样适用于测量由流体反射的光的反射型光谱仪，而无需在实质上对设备进行修改。其它变型实施例也是可能的，如例如由相同的材料生产集成的波导3和测量单元 4。
权利要求
1.一种用于汽车的、用于测量光在预先选择的波长范围中的光谱的车载设备，所述设备被称为光谱仪(10)，所述光谱由待分析的流体生成，所述光谱仪包括-至少一个光源(2)；-具有波导的形式的装置(3)，用于使由至少一个光源(2)发射的入射光束成形，并且用于将所述光束分离为测量光束(22)和参考光束(23)；-测量单元(4)，所述测量单元(4)包括待分析的流体；-测量检测器(5)，所述测量检测器(5)被置于测量光束(22)经过的光路上，与测量单元(4)相遇；以及-参考检测器(6 )，所述参考检测器(6 )被置于参考光束(23 )经过的光路上，未与测量单元(4)相遇；其特征在于，波导包括-第一容积(31)，用于使由光源(2)所发射的入射光束成形并且分离由光源(2)所发射的入射光束，所述光源被压在所述第一容积(31)的第一端(311)上；-第二容积(32)，用于朝向测量检测器(5)引导测量光束(22)，所述第二容积(32)经由自由端(321)被压在测量单元(4)的第一壁(41)上；以及-第三容积(33 )，用于朝向测量检测器(5 )引导参考光束(23 )，所述第三容积(33 )经由自由端(331)被压在参考检测器(23)上。
2.根据权利要求1所述的光谱仪(10)，其中，第一容积(31)在与第一端(311)相对的第二端(312)处包括内部反射面(313)，至少在所述内部反射面(313)的表面的部分上加工所述内部反射面(313)，以便于反射光源(2)所发射的入射光束。
3.根据权利要求1或2所述的光谱仪(10)，其中，第一容积(31)基本上在第一端 (311)处并且在光源(2)的任一侧上包括面(分别为3112和3113)，所述面(分别为3112和 3113)被加工以便于分别将测量光束(22)和参考光束(23)分别引入到波导(3)的第二容积(32)和第三容积(33)中。
4.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，波导(3)包括第四容积(34)，用于支承测量检测器(5)，所述测量检测器(5)借助于所述第四容积(34)被压在测量单元(4) 的第一壁(41)上。
5.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，波导的未加工的面吸收光源(2) 所发射的波长或者使光源(2)所发射的波长漫射。
6.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，波导由允许光源(2)所发射的光谱通过的塑性材料制成。
7.根据权利要求1至5之一所述的光谱仪(10)，其中，波导由玻璃制成并且允许光源 (2)所发射的光谱通过。
8.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，测量检测器(5)和参考检测器 (6)均与波长滤波器相关联。
9.根据权利要求8所述的光谱仪(10)，其中，波长滤波器是可变滤波器并且包括用于改变所述可变波长滤波器的值的装置。
10.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其中，光源(2)由四个发光二极管 (LED)形成，所述四个发光二极管(LED)的发射光谱覆盖对应于待分析的流体的波长范围，所述发光二极管被布置为正方形并且尽可能彼此靠近。
11.根据权利要求1至9之一所述的光谱仪(10)，其中，光源(2)是白炽灯。
12.根据前述权利要求之一所述的光谱仪(10)，其特征在于，波导(3)和测量单元(4) 被集成。
13.—种旨在永久性地被安装在车辆中的燃料、油、冷却剂或尿素质量传感器，其特征在于，所述传感器包括根据权利要求1至12之一所述的光谱仪(10)。
14.一种用于控制车辆发动机的至少一个操作参数的方法，所述车辆装备有根据权利要求13所述的传感器，所述传感器配备有可变波长滤波器以及连接到所述传感器的电子控制单元(17)，其特征在于所述方法包括如下步骤-选择待分析的流体；-定期接通光源(2);-等待考虑所述光源(2)的正常初始化时间的适当的时间段；-控制可变波长滤波器，以便于依次地将所述滤波器设置到不同波长，从而形成用于确定所分析的流体的组成所需的序列，所述波长被预先存储在很可能被传感器分析的每种流体的所述控制单元(17)的存储器中；-对于所选择的每个波长，使用测量检测器(5)和参考检测器(6)来测量在该波长处接收到的光强度；-定期将待分析的流体的吸收光谱的测量结果和参考光谱的测量结果传送到控制单元(17)；-使用控制单元(17)来比较测量值和参考值；-使用控制单元来确定由于测量单元(4)中包含的样本而引起的吸收；-使用控制单元(17)，基于在存储器中存储的算法或数据表格，定期确定对发动机 (16)的操作参数的修改。
15.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括根据权利要求13所述的传感器或者使用根据权利要求14所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量光束在预先选择的波长范围中的光谱的设备，该设备被称为光谱仪(10)，其中光谱由待分析的流体生成，所述光谱仪包括至少一个光源(2)；包括待分析的流体的测量单元(4)；被置于测量光束(22)经过的光路上的测量检测器(5)，所述测量光束(22)由光源(2)发射并且与测量单元(4)相遇；以及被置于参考光束(23)经过的光路上的参考检测器(6)，所述参考光束(23)由光源(2)发射并且未与测量单元(4)相遇，其特征在于，光谱仪(10)被装在汽车上并且包括具有波导的形式的用于使由至少一个光源(2)发射的入射光束成形并且用于将所述光束分离为测量光束(22)和参考光束(23)的装置(3)。
文档编号G01N21/31GK102265134SQ200980151783
公开日2011年11月30日 申请日期2009年12月15日 优先权日2008年12月23日
发明者莱诺雷 B. 申请人:法国欧陆汽车公司
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