CN106574989A - 用于烟雾探测器的圆锥形光吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟雾探测器，该烟雾探测器包括：光源，该光源用于产生光束并设置为沿着光轴传递光束；传感器，该传感器用于接收所述光束中被烟雾从所述光轴上散射开的光；以及光阱，该光阱包括限定体积的一个或多个壁，所述体积用于接收沿着所述光轴从所述光源未散射地通过所述传感器的光，其中所述体积包括在所述光轴上最靠近所述光源的第一端以及在所述光轴上离所述光源最远的第二端，其中所述体积在所述第一端开放，但是在所述第二端闭合，并且其中所述壁中的至少一个从所述第一端向第二端倾斜，以使得所述光阱在轴向上从所述第一端向所述第二端逐渐变窄。

Description

用于烟雾探测器的圆锥形光吸收器

技术领域

本发明的实施方式涉及一种烟雾探测器，尤其涉及散射光烟雾探测器。

背景技术

散射光烟雾探测器测量气溶胶散射的光量以推断烟雾密度，从而指示火灾。在典型的这种探测器中，允许气溶胶进入的腔体内安装有光探测器和光源。部分准直光束穿过气溶胶，但是不允许直接照射到光探测器上。当气溶胶含有足够浓度的烟雾颗粒时，光源发射的光被烟雾散射，其中一小部分将入射到光探测器上。利用光探测器的输出响应来推断烟雾密度。当烟雾密度达到典型的火灾水平时，光探测器上的入射光量大约为光源发射光量的1/100000到1/10000。

腔体的主要作用是防止未被烟雾散射的光到达光探测器，即，其必须是黑暗的。对杂散光的一个贡献是来自腔体壁的反射。虽然壁可以是黑色的，但是和烟雾散射的水平相比，仍然存在大量的反射光。来自腔体壁的反射随着灰尘进入腔体并覆盖壁而增加。

对杂散光的另一个贡献来自于外部光。探测器必须允许外部空气和空气/烟雾气溶胶到达腔体。但是，允许空气流动到腔体中的通道也可以允许光进入，例如通过反射进入。

为了确保传感器的正常运行，腔体必须：允许空气和空气/烟雾气溶胶到达传感器；当没有烟雾时，防止大量的光从光源反射到光探测器上；以及即使在灰尘环境中长期使用之后也能继续防止这些反射。

一种降低反射光影响的方法是使用具有较小发散的窄光束的光源。已授权的英国专利GB2404731公开了一种表面安装器件(SMD)，其包括产生窄光束的LED芯片器件，该窄光束在较小外壳(envelope)内具有低发散性。

发明内容

本发明提供了一种烟雾探测器，该烟雾探测器包括：光源，该光源用于产生光束并设置为沿着光轴传递光束；传感器，该传感器用于接收所述光束中被烟雾从所述光轴上散射开的光；以及光阱，该光阱包括限定体积的一个或多个壁，所述体积用于接收沿着所述光轴从所述光源未散射地通过所述传感器的光，其中所述体积包括在所述光轴上最靠近所述光源的第一端以及在所述光轴上离所述光源最远的第二端，其中所述体积在所述第一端开放，但是在所述第二端闭合，并且其中所述壁中的至少一个从所述第一端向第二端倾斜，以使得所述光阱在轴向上从所述第一端向所述第二端逐渐变窄。

优选地，当从所述烟雾探测器一侧查看时，所述光阱包括在与所述光轴平行或重合的方向的上方及下方延伸的壁，以及沿着所述方向延伸的壁。例如，所述光阱可以是圆锥体，并且可以是轴位于所述光轴上或者与所述光轴平行的直圆锥或斜圆锥。或者，其可以是角锥体，该角锥体具有位于所述光轴的上方和下方的相对的斜壁，以及沿着所述光轴延伸的相对的斜壁。

优选地，所述光阱的在所述方向的上方和下方延伸的壁沿着从所述第一端到所述第二端的方向朝着彼此倾斜。

优选地，所述光阱的沿着所述方向延伸的壁沿着从所述第一端到所述第二端的方向朝着彼此倾斜。

因此，优选给予所述光阱沿所述轴连续变细的形状。

优选地，所述体积具有与所述光轴平行的旋转对称轴。

所述对称轴可以是，但不一定是和所述光轴重合。它优选和所述第二端相交。

开放的第一端包围所述光束的基本上整个立体角。

优选地，所述光阱的内壁是弯曲的。

优选地，所述光阱的形状大体上为圆锥形。

优选地，所述光源、光探测器和光阱安装在腔体内，并且所述光阱从所述腔体的壁朝向所述光源向内突出。

优选地，所述光探测器位于所述光源和所述光阱之间。

优选地，在所述光源和所述光阱之间设置有无障碍光路。

优选地，所述传感器直接接收所述光束中被烟雾从所述光轴上散射开的光的至少一部分。

优选地，所述烟雾探测器包括大体上圆形的圆盘形基部，所述圆盘形基部和大体上圆顶形的盖子连接，所述基部和所述盖子之间包含有腔体层，所述腔体层包括所述光源、光探测器和光阱，所述光阱安装为该光阱的轴位于所述烟雾探测器的半径上，且所述盖子具有外围蛇形的进气口，从而允许承载烟雾的空气进入所述腔体，但是阻挡来自外部的直射光。

附图说明

下面以举例方式参照附图对本发明的实施方式进行描述，在这些附图中：

图1是根据一种实施方式的烟雾探测器的分解视图；

图2是根据图1所示实施方式的烟雾探测器的分解剖视图；

图3是授权专利GB2404731中描述的光具座组件；

图4是装配好的图1和图2所示烟雾探测器的剖视图；

图5是图1和图2所示烟雾探测器的腔体组件的剖视图；

图6是图5所示腔体组件的平面图；

图7是根据一种实施方式的烟雾探测器的腔体组件的剖视图；

图8是根据一种实施方式的烟雾探测器的腔体组件的平面图；

图9是根据一种实施方式的烟雾探测器的腔体组件的简化平面图；

图10是根据一种实施方式的光阱中的光线路径；

图11是根据一种实施方式的烟雾探测器的腔体层的分解剖视图；

图12是根据一种实施方式的烟雾探测器的空气入口路径；

图13是根据一种实施方式的烟雾探测器的剖视图；

图14是根据一种实施方式的烟雾探测器的剖视图，其中省略了光学特征；

图15是包括了光学特征的图14的视图；以及

图16是根据一种实施方式的烟雾探测器的光线射入路径。

具体实施方式

图1和图2是根据一种实施方式的烟雾探测器1的分解图。烟雾探测器1包括：大体上圆形的圆盘形基部2；安装在基部1上面并且大体上圆顶形的盖子7；电路板24；腔体层5和腔体盖6。腔体盖6安装在腔体层5上。腔体层5和电路板24具有弧形端部，所述弧形端部适应于基部2和盖子的外围，以安装在它们的内部；以及平行的直边，所述直边为它们提供从平面来看椭圆形或跑道形的形状。腔体盖6包括通风孔4。腔体层5安装在基部2上，位于盖子7和基部2之间。电路板24安装在基部2上，位于基部2和腔体层5之间。盖子7包括进气口8。

电路板24上安装有光具座组件9。图3显示了合适的光具座组件的一个示例。该光具座组件包括SMD LED芯片封装26和安装在电路板24上的光传感器30。示例的光具座组件9还包括棱镜载体34、载体基部36以及安装在载体基部36上的棱镜38。棱镜载体34的一部分形成为在光传感器30上方延伸的臂46。

在该实施方式中，光传感器30为光探测器。

棱镜38使LED26发出的光束改变方向，因此重定向的光束的光轴越过光传感器30。光具座组件9还包括透镜152，透镜152聚焦光束，因此LED的图像直接形成在光传感器30上方。

当烟雾颗粒进入光传感器30上方的空间中时，LED发射的光的一部分向着光探测器散射。臂46在其基部具有孔48，从而允许从重定向的光束散射的光直接穿过到达光传感器30。

传感器的位置确保散射光的至少一部分通过无障碍的光路直接向着光传感器30散射。至少散射光的这一部分不需要进一步反射就能够到达光传感器30。这样就确保即使探测器内发生灰尘积聚，探测器也依然有效。灰尘会影响表面的光反射能力，因此该结构确保即使发生了灰尘积聚，但是直接探测器直接散射的光的部分所产生的信号也不会受到影响。

该光具座组件形成授权专利GB2404731的基础，因此在这里不再详细描述。

图4是根据本发明实施方式的组装好的探测器的剖视图。当组装在一起时，在光具座组件9上方形成探测腔体111。空气通过入口8和通风孔4从探测器外部进入该腔体。如上所述，当烟雾进入腔体111时，光束朝着传感器散射。下面更详细地描述使空气/烟雾能够进入到腔体111中的机制。在该实施方式中，腔体111是大体上圆柱形的结构。

如同上面参考图1和图2所描述的那样，当组装在一起时，腔体层3安装在电路板24上。腔体3包括孔，光具座载体插入到所述孔中。图5显示了根据该实施方式的腔体组件的剖视图。图6显示了组件的平面图。

如上所述，为了确保传感器正常运行，有必要在腔体内不存在烟雾时防止大量的光从光源反射到光探测器上。在图1、图2和图3所示的实施方式中，利用光转储器(dump)或光阱(light trap)实现这一目的。现在详细描述根据该实施方式的光转储器。

腔体层包括光阱11。如图5和图6所示，当装配时，光阱11径向安装在探测器1上，并与设置在光具座组件9内的光源正好相反。设置在光具座组件9的臂46中的光探测器30(参见图3和相关描述)位于光源和光阱之间。

光阱的作用是诱捕(trap)未被烟雾颗粒散射的光，并防止这些光在腔体周围反射，特别是反射到光传感器上。光阱11有效吸收来自光具座组件9的光束，防止其在腔体周围进一步反射。光阱的大小设置为使其包围大部分来自光源的光束。在该示例中，圆锥形开口的直径大约是光束宽度的两倍，并且大小设置为使得由聚集在棱镜38或透镜150上的灰尘所引起的离开光具座孔径164的任何不必要反射被圆锥体收集。

在该实施方式中，在光具座组件和光阱之间设置有无障碍光路。这样就确保只有在光阱外部发生的光束反射是由烟雾颗粒引起的，而不是由来自探测器内部组件的反射引起的。在灰尘环境中，这一点特别重要，因为表面上的灰尘积聚会改变它们反射光的能力，并增加不需要的朝着探测器反射的机会。

图6显示了根据该实施方式的光阱和光具座组件的剖视图。图7显示了腔体111的平面图。光阱(在该实施方式中为圆锥体)11的位置设置为使得光束13的立体角在越过光探测器30之后被捕获。腔体外壳大体上为圆柱形，光阱径向设置在探测器上，并与发射器正好相反。

在本实施方式中，光阱11为直圆锥体。其具有和光轴平行或位于光轴上的旋转对称轴。但是，也可以使用其它形状。光阱的关键特征是光阱包括三维表面，该三维表面在接收光束的一端开放，在另一端闭合。优选地，内壁表面应该是连续的，不具有横向边缘或锋利部分。弯曲可以是恒定的，或者沿着轴和/或在轴周围平稳变化。此外，光阱的一个或多个壁从光阱的口部(开放端)朝着光阱的较窄相反端倾斜。因此，光阱在下游相对于光束变窄。光束通过宽阔的开放端，或者光阱的口部进入光阱，并且随后被反射到光阱的内壁上。由于光阱具有朝着光阱的较窄下游端倾斜的一个或多个壁，因此倾斜壁上的反射将光束向前引导，并进一步进入光阱中，因此有必要使光束前面的进一步反射能够从光阱逃逸。内壁表面的任何部分都没有角度，从而将来自轴向的光线反射回去。由于反射使光束减弱，这个过程减少了逃逸到探测器腔体中的光量。由于光阱只有一端开放，因为光阱表面上的灰尘积聚最小化。

光阱11在盘形腔体层5的范围内尽可能大。在该实施方式中，其内表面的轴向长度大约为烟雾探测器1的外半径的一半。该比例的范围优选为0.3至0.7，优选为0.4至0.6。

除直圆锥体之外，适于形成光阱的形状包括具有朝着彼此倾斜的侧壁，或者朝着彼此倾斜的上壁和下壁的形状，例如棱柱体或多面体。光阱的壁可以是平坦的，例如角锥体，或者可以是弯曲的，例如斜锥体。光阱的狭窄端可以是大体上圆锥形形状的顶点，或者可以是平坦的，例如截圆锥，或者弯曲的，例如半球形。还可以采用包括前述特征的任何其它形状作为光阱。

如同上面参考图3所描述的，在腔体的中心并位于设置在光具座组件的臂中的光传感器上方，光具座组件9和光阱设置为使得光束在点125上形成LED的图像。光束接下来通过无障碍光路发散到光阱中。

在该实施方式中，光阱11的开放端大小设置为使其包围光束的基本上整个立体角。如图7所示，“光束的基本上整个立体角”的意思是基本上整个由来自传感器30上方的点125的光束分散而形成的立体角。在该实施方式中，除了形成LED图像以及随后光朝着光阱发散之外，光具座组件和光阱之间的光路的任何一点上都不需要额外的光束的放大或压缩。例如，不需要透镜将光束聚焦到光阱中。

图9显示了根据该实施方式的腔体的更加简化的平面图，该图显示了光束和圆锥体11的方向。圆锥体11的表面和圆锥体的轴形成角度θ。圆锥体的轴和表面之间的内角θ选择为使每个光线的反射次数最大化。在该实施方式中，θ小于45°，确保离开圆锥体之前有至少两次反射。

在替代实施方式中，圆锥体的轴和光束的光轴平行，但是从所述光轴横向偏移。

对于直圆锥体，θ为22.5°或更小可以确保光束的至少四次内部反射。图10显示了从光源进入圆锥体的单个光线的路径。在该实施方式中，θ＝22.5°，光线在离开圆锥体之前在圆锥体内经历4次反射。在优选实施方式中，选择深色塑料作为内部圆锥表面。优选地，每次反射减弱90％以上的入射光。在该实施方式中，圆锥体内所有反射的复合衰减因此大于0.9999。

根据上述实施方式的圆锥体光阱具有接收腔体内产生的光束的宽广开放区域，并逐渐变细为单个顶点。在替代实施方式中，圆锥体稍微离开光束的光轴安装。在一种实施方式中，圆锥体稍微高于(通常为一个光束直径)光束的光轴安装。圆锥体的轴优选和光束轴平行，但是允许存在小偏差。这样就消除了在圆锥体的顶点上对尖点的需要，能够直接用热塑性塑料制造。

圆锥体的简单设计易于制造。圆锥体不需要锐利的边缘来实现其性能，从而限制了工具磨损。此外，圆锥体的较大口部易于清洁，限制灰尘在圆锥体表面上积聚。

在该实施方式中，光阱是模塑而成的。在该实施方式中，光阱由热塑性塑料，有利地，聚碳酸酯或ABS模塑而成。在该实施方式中，光阱通过注射模塑形成。注射模塑技术在本领域中是已知的。在一种实施方式中，光阱由深色抛光塑料模塑而成。在一种实施方式中，光阱的内表面光洁度选择为使得反射主要为镜面反射(相对于漫反射)，产生图10所示的反射模式。在该实施方式中，光阱模塑为两个部分。模具表面抛光至镜面光洁度。

根据上述实施方式的光阱有效降低由于其尺寸和形状而在光源和光探测器之间产生的杂散反射(stray reflections)。由于其位置和功能与空气/烟雾入口分离，光只经受其工作表面上有限积聚的灰尘，所述工作表面只有一端是开放的。此外，由于杂散光在光径中被有效吸收，因此其它内部腔体表面上的灰尘积聚不会对杂散反射的量产生实际影响。在产品性能方面，这转化为在传感器的性能受损之前，在灰尘环境中长时间使用的能力。

根据上述实施方式的光阱是紧凑的，并且能够有效衰减未散射的光束。锥形形状在光衰减方面的效率为使得不需要在腔体中设置外围挡板以进一步吸收光线。光阱的空间效率以及未散射的光相对接近于光电二极管被捕获这一事实意味着其它组件，例如热敏电阻可以容易地集成到烟雾探测器的设计中。由于光在光阱中被处理，因此不存在不需要的反射以及因此由于集成额外组件而造成性能降低的风险。

在该实施方式中，光阱的一部分是可拆卸的。图11中显示了这一点，其中显示了根据实施方式的腔体层的分解剖视图。圆锥体11的上部113是可拆卸的，易于制造和清洁。上部113包括支腿115，支腿钩到腔体层5中形成的孔中，从而将其固定到腔体层5上。圆锥体11的下部与腔体层5的其余部分一体形成。通过以这种方式形成圆锥体，在制造过程中这两半在组件上夹在一起，使生产简化。

虽然上述实施方式采用光具座，表面安装LED和光探测器，但是根据上述实施方式的光转储器也可以同样和其它LED-光探测器配置一起使用。在替代实施方式中，光转储器和通孔LED和/或光探测器一起使用。该LED包括电线，并水平安装以沿着相同的光轴水平地发射光束。

如上所述，腔体的第二个要求是在允许空气和烟雾到达光传感器的同时确保外部光不能到达光探测器。

在图1、图2和图4中，这是通过采用蛇形或U形的腔体空气路径入口实现的。

图12显示了根据优选实施方式的空气路径，其显示了根据该实施方式的探测器的剖视图。实线箭头表示空气必须遵循以从腔体外部进入腔体111的方向。空气通过通风孔8，接下来强制进入U形路径117。空气通过腔体盖6，特别是通过腔体盖6上形成的通风孔4进入腔体。

在该实施方式中，空气入口的蛇形轮廓是通过引入两个垂直壁实现的。图13对此进行了描述，显示了根据实施方式的探测器的剖视图。第一壁119突然扰乱气流，迫使空气改变方向并流动。第二壁121进一步使气流慢下来，并朝着腔体中心被重新定向。

图14显示了空气进入路径，其显示了根据实施方式的探测器的剖视图，为清楚起见省略了光学组件。如图所示，气流117进入腔体111之前围绕第一壁119和第二壁121的路径清晰可见。

图15是另一个示意图，其中包括有光学特征。

壁的这种设置阻止灰尘进入腔体，从而防止探测器由于灰尘积聚而发出警告。当携带有灰尘的空气撞击两个壁中的任何一个时，灰尘颗粒沉积，因为灰尘颗粒基本上比烟雾颗粒要大。烟雾气溶胶相对不受蛇形通道的阻碍。因此，该蛇形通道确保少量灰尘进入到腔体中，从而确保灰尘积聚所引起的假警报数量较少。所述蛇形通道的尺寸选择为优化对灰尘的阻碍，同时允许烟雾完全进入腔体。壁119的高度是阻碍灰尘进入和允许烟雾进入之间的折衷。上述情况也适应于壁119对面的通道的深度，即壁121的高度。该实施方式中选择的几何结构提供了具有近似恒定宽度的蛇形流动通道，即空气流动路径在弯曲时具有近乎恒定的横截面。网眼的主要作用是防止直径大于0.4mm的物体，例如昆虫进入。它还防止较大的灰尘块和/或纤维进入腔体。将其设置在蛇形通道后面是很重要的，因为蛇形通道本身可能促成大灰尘块的形成，形成的大灰尘块接下来会移动并进入腔体。

在一种实施方式中，腔体盖6的通风孔4覆盖有垂直网眼。

根据本实施方式的双壁结构进一步防止光进入腔体。通常，当光照射到表面上并被反射时，光的密度降低10倍。双壁结构所形成的U形入口意味着进入腔体中的所有光在到达腔体之前通常都需要反射四次以上。

图16显示了光线123从探测器外部到达光传感器30之前所遵循的路径。在到达探测器之前，光要反射四次。

根据上述实施方式的探测器组合使用上述蛇形空气路径和光转储器。但是，它们可以被单独使用。例如，在一种实施方式中，光转储器和与蛇形进气口不同的进气口设计一起使用。在另一种实施方式中，蛇形进气口和不同的光衰减组件一起使用。

尽管描述了某些实施方式，这些实施方式仅以示例方式给出，不对本发明的保护范围构成限制。事实上，在此描述的新方法，装置和系统可以通过多种其它形式实现，此外，在不偏离本发明精神的情况下，可以对此处描述的方法和系统做出省略，替换和改动。所附权利要求和其等价物应涵盖落入本发明精神范围的这些形式或修改。

Claims (17)

1.一种烟雾探测器，该烟雾探测器包括：

光源，该光源用于产生光束并设置为沿着光轴传递光束；

传感器，该传感器用于接收所述光束中被烟雾从所述光轴上散射开的光；以及

光阱，该光阱包括限定体积的一个或多个壁，所述体积用于接收沿着所述光轴从所述光源未散射地通过所述传感器的光，

其中所述体积包括：

第一端，该第一端在所述光轴上最靠近所述光源；以及

第二端，该第二端在所述光轴上离所述光源最远；其中所述体积在所述第一端开放，但是在所述第二端闭合，并且其中所述壁中的至少一个从所述第一端向所述第二端倾斜，以使得所述光阱在轴向上从所述第一端向所述第二端逐渐变窄，并且开放的所述第一端包围所述光束的基本上整个立体角。

2.根据权利要求1所述的烟雾探测器，其中，当从所述烟雾探测器一侧查看时，所述光阱包括在与所述光轴平行或重合的方向的上方及下方延伸的壁，以及沿着所述方向延伸的壁。

3.根据权利要求2所述的烟雾探测器，其中，所述光阱的在所述方向的上方和下方延伸的壁沿着从所述第一端到所述第二端的方向朝着彼此倾斜。

4.根据权利要求2或3所述的烟雾探测器，其中，所述光阱的沿着所述方向延伸的壁沿着从所述第一端到所述第二端的方向朝着彼此倾斜。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述体积具有与所述光轴平行的旋转对称轴。

6.根据权利要求5所述的烟雾探测器，其中，与所述光轴平行的所述对称轴不与所述光轴重合。

7.根据权利要求5或6所述的烟雾探测器，其中，所述对称轴与所述第二端相交。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光阱的内壁是弯曲的。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光阱是圆锥体。

10.根据权利要求10所述的烟雾探测器，其中，所述圆锥体是直圆锥。

11.根据权利要求10所述的烟雾探测器，其中，所述圆锥体是斜圆锥。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光阱的形状大体上为圆锥形。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光源、光探测器和光阱安装在腔体内，并且所述光阱从所述腔体的壁朝向所述光源向内突出。

14.根据权利要求13所述的烟雾探测器，其中，所述烟雾探测器包括大体上圆形的圆盘形基部，所述圆盘形基部和大体上圆顶形的盖子连接，所述圆盘形基部和所述盖子之间包含有腔体层，该腔体层包括所述光源、光探测器和光阱，所述光阱安装为所述光阱的轴位于所述烟雾探测器的半径上，并且所述盖子具有外围蛇形的进气口，以允许承载烟雾的空气进入所述腔体，但是阻挡来自外部的直射光。

15.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光探测器位于所述光源和所述光阱之间。

16.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述光源和所述光阱之间设置有无障碍光路。

17.根据前述权利要求中任意一项所述的烟雾探测器，其中，所述传感器直接接收所述光束中被烟雾从所述光轴上散射开的光的至少一部分。