[发明专利]具有单个的测量和参考检测器的汽车车载微型光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及汽车车载电子设备的领域。更特别地，本发明涉及光电子仪器。更具体地，本发明涉及适合于确定流体组分的光谱仪。

背景技术

各个汽车制造商之间的竞争导致不断继续地追求在燃料经济性和生态特性方面的更好操作性能。在由内燃机提供动力的车辆领域中，燃料的组分对发动机的性能具有直接影响。因此，知道燃料的精确组分允许调节发动机的某些操作参数以改进燃烧并减少测量污染。

此外，这种知识也可以允许检测可能损坏发动机的错误（用柴油填充汽油箱，反之亦然），并且可以允许向驾驶者发送警告或者阻挡点火以便防止不能修理的损坏。类似地，这种知识允许检测不满足法定质量标准的燃料。

类似的观测应用于发动机油，甚至应用于冷却剂或者应用于其属性影响车辆操作的其它流体。

一种获得流体的这种组分分析的手段是使用光谱测定技术。

据回顾，光谱仪是一种旨在确定光谱的某些波长被待分析的样品吸收的测量仪器。所吸收的波长形成吸收光谱中的峰值并且表征在样品中存在的某些分子或成分。

如在本发明的背景下定义的，光学光谱仪因此主要由以下组成：光源；光学组件，用于形成光束以便产生能够通过样品的平行束；波长滤波器，允许特定波长范围中的测量；以及光检测器，其测量在这个波长接收的光强。

在紫外、可见和近红外波长范围中工作的光谱仪已经日常用于许多领域。在这些领域当中可以列举如下：

-农业和食品生产（例如用于监测粮食的含水量、水果的成熟度、某些食品中包含的脂肪、等等）；

－生物医学（例如用于测量血糖水平而不取样品，等等）；以及

－燃料生产（控制原油的质量和组分、控制最终产品诸如汽油、柴油等等的质量）。

所有这些应用领域使用相同类型的测量仪器，只是其大小和便携性特性不同。这种仪器可选地使用各种技术（傅立叶变换、滤波器、单色仪、衍射系统等等）并且不在宽温度范围上操作。

这是因为由于这些仪器的性能根据温度漂移，所以这些仪器很少用于经历大温度变化的环境中。

此外，这些往往是基于实验室的仪器，或者在任何情况下都要求接近其部件以便维护检测器或光源（其寿命往往很短，或者在任何情况下都短于在车载环境中所需的时间，大约为十五年）。因而，这些仪器不适合于长期安装在实际上不便于进行维护的环境中。

最后，这些光谱仪不受要求单位生产成本的影响，并因此往往使用最昂贵的部件，例如非常温度稳定的但是与在大量生产的汽车中的安装不兼容的卤钨灯或白炽灯。

可以理解的是，温度漂移、部件可靠性及便于维护、以及最后制造成本的这些问题使得这些商用光谱仪不适合用于汽车和类似的环境中。

在诸如在监测汽车流体的领域中考虑的应用中，必要的是使用很低成本的部件，所述部件随时间是耐用的以便保证持久的操作。一种解决方案是使用发光二极管（LED）作为光源。

事实上，发光二极管是非常可靠的、众所周知的部件，其具有很低成本，因为它们被很大量地用于多种应用中。此外，发光二极管目前在许多波长版本中都是可用的，从而允许它们用于从300nm（近紫外）到2500nm（近红外）的光谱范围中。

如在图1中可以看到的，发光二极管通常具有由从35nm到多于100mm的半高宽表征的相当宽的光谱。因而有可能通过组合具有不同属性的众多二极管来产生具有很宽发射光谱的源。

发光二极管的发射光谱和光功率属性可以基本根据流过它们的电流和使用它们所处的环境温度而改变（在650nm下针对发光二极管测量的值的示例，参见图1、2、3和4）。然而，对所测量的吸收的解释要求精确地知道发送经过所分析样品的光波在给定波长下的强度。

在温度可能显著改变（例如在汽车中从-40℃到+105℃）的环境中，发光二极管作为光谱仪的光源的使用因此要求新颖的解决方案以便补偿它们属性的自然变化。更通常地，这些观测涉及其性能随老化和温度而变化的所有光源。

已经已知使用基于LED的技术的低成本光谱仪装置。这种类型的若干装置当前被给予专利权并且商用。

这些装置之一由Zeltex销售并且在专利US 6 369 388 B2中描述。它是在近红外中工作的便携式光谱仪，其旨在主要用于分析收获的谷物的质量。针对所描述的装置设想各种应用，从生物医学领域变化到农业和食品生产以及到燃料。

在针对这个装置所提出的应用当中，提及使用由在14个不同波长下的测量吸收所获取的离散光谱来测量汽油的辛烷等级，这种要求对应于美国各州加油站的燃料配置的法定质量标准。