CN107543784B

CN107543784B - 颗粒物质检测器

Info

Publication number: CN107543784B
Application number: CN201710516391.6A
Authority: CN
Inventors: B.E.科尔; R.P.科斯特洛
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: EP3264065B1; EP3264065A1; US20180003612A1; US9921144B2; CN107543784A

Abstract

公开了颗粒物质检测器。本文中描述了用于检测颗粒物质的设备和方法。一个设备包括激光器、反射器、椭球反射器和检测器，其中激光器被配置成发射光束，反射器被配置成朝向椭球反射器反射光束，并且椭球反射器具有位于反射光束的路径上的第一焦点区域和位于检测器的表面处的第二焦点区域。

Description

颗粒物质检测器

技术领域

本公开涉及用于检测颗粒物质的设备和方法。

背景技术

空中的颗粒物质造成各种各样的健康和环境问题。例如由燃烧（例如烧煤、木材、香烟和/或汽车尾气）引起的烟尘可能是一些区域中的主要污染物，因为烟尘可能占了空气中存在的颗粒质量的大部分。然而，虽然如此，个体的烟尘颗粒（particle）可能常常相对小。例如，烟尘颗粒可能在直径上比1微米更小。

用来检测颗粒物质的先前方法可能随着颗粒散射激光而对它们计数。当颗粒穿过检测器附近的激光光束时可用检测器对从每个颗粒散射的光计数。然而，这些方法可能依赖于精确气流控制来测量计数率以便确定颗粒数密度。此外，在先前方法中检测的90度散射光可能只是强到足以使得仅在直径上约1微米或更大的颗粒被计数。在这些方法中，较小颗粒的米氏散射可能太弱而不能被检测到。

为了估计真正的颗粒空气质量，这些先前方法可能使用颗粒计数乘以标度（或校正）因子。然而，因为当对颗粒进行计数时实际空气质量被如此少计了，所以所使用的标度因子需要是大的（例如被计数的颗粒质量的大约20倍）。因此，为了确定以微克每立方米计的空气质量，先前方法可能依赖于不合期望地大的标度因子。

发明内容

本发明的一个实施例包括一种用于检测颗粒物质的设备，包括：激光器、反射器、椭球反射器、第一挡板、第二挡板和检测器，其中：激光器被配置成发射光束；反射器被配置成朝向椭球反射器反射光束；以及椭球反射器具有位于反射光束的路径上的第一焦点区域和位于检测器的表面处的第二焦点区域，并且第一挡板位于反射器和椭球反射器之间以阻挡椭球反射器反射到第一焦点区域之外的光到达检测器，第二挡板位于反射器和第二焦点区域之间以阻挡椭球反射器反射到第一焦点区域之外的光到达检测器，其中反射器位于第一焦点区域和第二焦点区域之间。

附图说明

图1图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的透视图。

图2图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的部分分解图。

图3图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。

图4图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。

图5图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的另一透视图。

图6图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。

图7图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的计算设备。

具体实施方式

本文中描述了用于检测颗粒物质的设备和方法。例如，一个或多个实施例可以包括激光器、反射器、椭球反射器和检测器，其中激光器被配置成发射光束，反射器被配置成反射朝向椭球反射器的光束，并且椭球反射器具有位于反射光束的路径上的第一焦点区域和位于检测器的表面处的第二焦点区域。

本公开的实施例可以将前向散射光用作信号来检测颗粒物质（在下文中被称为“烟尘”、“颗粒”、或“烟尘颗粒”）并且因此可以比先前方法对小的颗粒更敏感。当按照每单位质量的散射光来考虑时，与在先前方法中计数的一些大颗粒相比，许多更小的颗粒的前向散射可以提供更强的信号。本公开的实施例可以通过从小颗粒存在于环境空气中的空间中的区域收集前向散射光来利用前向散射光的益处。

在一些实施例中，激光器可以发射光束，所述光束可能指向反射器（例如反射镜）。在一些实施例中，反射器可以是椭球的；在一些实施例中，反射器可以基本上是球形的。在本文中反射器被称为“椭球反射器”，虽然如所指出的，本公开的实施例不被如此限制。

在一些实施例中，激光器可以直接朝向椭球反射器发射光束。在一些实施例中，可以通过被配置成引导光束朝向椭球反射器的反射器来反射所发射的光束。随着光束穿过椭球反射器的焦点区域（例如焦点），烟尘颗粒可以散射激光。可以通过椭球反射镜将散射激光反射回到检测器。该检测器可以测量散射光的强度（例如“云强度”）来确定空气质量。要注意到，所测得的强度与空中的颗粒质量成比例。在一些实施例中，颗粒可以被另外计数。例如，在空气由几个大的颗粒而不是较小颗粒主导的情况下，此类实施例可能是有益的。

依赖于对颗粒进行计数的先前方法（例如90度散射粉尘传感器）可以对在直径上大于0.5微米（或者在一些情况下大于0.8微米）的颗粒计数。然而，大部分空气质量可能由在直径上在0.1微米和0.6微米之间的颗粒组成。此外，数字上，环境空气中的大部分颗粒可能落在直径上0.1微米和0.4微米之间。因此，先前方法可能少计了实际颗粒含量并且依赖于校正因子（例如6x到20x）来生成真正的细颗粒污染（PM2.5）质量值。

本公开的实施例可以降低与大的校正因子相关联的不准确性并且可以降低与在先前方法中看到的精确气流控制相关联的成本。此外，可以以相对低的成本来制造本文中的实施例。例如，可避免要求密集对准或校准的透镜和/或专门光学装备的使用。

在一些实施例中，多个固定的挡板（baffle）可以被定位成阻挡未在椭球反射器的焦点区域中散射的散射光。因此，可以防止检测器接收重复信号并且可以检测器对一个有限区域的环境空气进行采样。

例如，虽然颗粒可以沿着激光光束的整个路径散射光，但是椭球反射器连同挡板的使用可以允许路径长度的小区域（例如焦点区域）的成像。检测器可以被放置在椭球反射器的另一焦点处。从（不在焦点区域中的）其他区域中的颗粒散射的光可以以不使光聚焦到检测器上而是代之以将光反射到阻挡和/或吸收光的一个或多个挡板上的角度从椭球反射镜反射。

通过确定（一个或多个）挡板和/或椭球反射器的特定尺寸，本公开的实施例可以允许检测器接收颗粒在狭窄的前向散射范围内散射的光。例如，椭球反射器可以反射在20度到35度的范围内的散射光。例如，较小的前向角度可以增大信号。在一些实施例中，选择在提供用来以每立方米25微克空气载荷检测散射放射物的足够大信号的同时允许处于0.2微米到0.7微米的范围中的颗粒的检测的角度范围。

本公开的实施例可以被用作空气清洁器中的监测器，例如用以展示空气清洁器正在适当地运行和/或提供空气质量的测量。本公开的实施例可以被用来控制空气清洁器的风扇速度以使得当空气被高度污染时，风扇以更高的吞吐速度运行。可以以比先前方法更低的成本将本公开的实施例用作PM2.5空气质量监测器。

本公开不限于特定设备或方法，其可能变化。本文中所使用的术语是为了描述特定实施例的目的，并且不意图是限制性的。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括单数和复数指示物，除非该内容以其他方式清楚地规定。此外，遍及本申请在许可的意义上（即具有潜力、能够）而不是在强制的意义上（即必须）使用词语“可以”和“可”。术语“包括”以及其派生词意味着“包括但不限于”。

如将领会的，可以添加、交换和/或消除在本文中的各种实施例中示出的元件，以便提供本公开的多个附加实施例。此外，如将领会的，图中提供的元件的比例和相对标度意图图示本公开的某些实施例，并且不应该在限制性的意义上来理解。

图1图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备100的透视图。如图1中所示的，设备100包括第一端102和与第一端102相对的第二端104。光轴106穿过第一端102和第二端104。

设备100包括激光器108。激光器108可以发射光束118并且可以被定位成使得光束118基本上垂直于光轴106来发射（如图1中所示）。在一些实施例中，光束108相对于光轴106成90度角。不意图通过本文中的实施例将激光器108限于特定类型、制造和/或型号。要理解，光束118的波长可能影响散射和/或所测得的强度。例如，蓝光可提供增加的散射但是可提供降低的强度。

设备100包括反射器110。在一些实施例中，反射器110可以是反射镜。在一些实施例中，反射器110可以是分束器。如在图1中图示的示例中所示的，反射器110可以关于光轴106成角度。在一些实施例中，该角度可以基本上是关于光轴106的45度。例如，该角度可以基于激光器108的定位和/或角度来选择。反射器110可以反射光束118以使得它作为反射光束119沿着光轴106朝向第二端104行进。

如图1中所示的，设备100包括基本上以第二端104处的光轴106为中心的椭球反射器（例如反射镜）112。例如，椭球反射器112可以是具有两个焦点的椭球和/或椭圆反射镜。如图1中所示的，第一焦点（在本文中有时被称为“焦点区域”）120被定位在反射器110和椭球反射器112之间。第二焦点区域122被定位接近检测器116（下面讨论）。可以通过例如使用椭球印记（stamp）冲压金属箔来形成椭球反射器112。

如图1中所示的，椭球反射器112可以具有通过其的开口。在一些实施例中，该开口基本上居中于椭球反射器112中。该开口可以允许反射光束119穿过椭球反射器112。在一些实施例中，该光束可以进入光束收集器（举例来说，例如诸如图4中图示的光束收集器）。

如图1中所示的，第一焦点区域120可以位于反射光束119的路径上。空中的颗粒124可以行进通过第一焦点区域120。颗粒124可以散射反射光束119的光。散射光126（例如前向散射光）可以从椭球反射器112反射并且朝向第一端102行进以在第二焦点区域122处会聚。

设备100可以包括检测器116。如图1中所示的，检测器116可以被定位在第二焦点区域122处并且可以基本上垂直于光轴106。在一些实施例中，检测器116的表面（例如检测表面）可以被定位在第二焦点区域122处（例如接近第二焦点区域122）。例如，检测器116可以是光传感器。在一些实施例中，检测器116可以包括光电二极管（例如硅光电二极管）。检测器116可以接收散射光126并且基于散射光126的强度（亮度和/或发光强度）将散射光126转换成信号（例如模拟信号）。该信号的强度可能与空气中颗粒物质的质量成比例。

图2图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的部分101分解图。如图2中图示的示例中所示的，根据本公开的设备可以包括挡板114-1和挡板114-2（在本文中被统称为“挡板114”）。虽然图2中示出了两个挡板，但是本文中的实施例不被限于特定数目的挡板。挡板114可以被定位成阻挡未在椭球反射器112的第一焦点区域120中散射的散射光（即阻挡不是散射光126的散射光）。因此，可以防止检测器116接收重复信号并且检测器116可以对一个有限区域的环境空气进行采样。

通过确定（一个或多个）挡板114和/或椭球反射器112的特定尺寸，本公开的实施例可以允许检测器116接收颗粒在狭窄的前向散射范围内散射的光。例如，椭球反射器112可以反射在20度到35度的范围内的散射光。例如，较小的前向角度可以增大信号。在一些实施例中，选择在提供用来以每立方米25微克空气载荷检测散射放射物的足够大信号的同时允许处于0.2微米到0.7微米的范围中的颗粒的检测的角度范围。

如在图2中图示的示例中看到的，在一些实施例中，椭球反射器112可以脱离激光器108、挡板114和检测器116。在一些实施例中，椭球反射器112可以是第一组件的一部分。第一组件可以包括例如椭球反射器112、光束收集器（下面进一步讨论）和流鞘（flowsheath）（下面进一步讨论），如果适用的话。

在一些实施例中，激光器108、检测器116、反射器110（在图2中被挡板114遮盖）和挡板114可以是第二组件的一部分。在一些实施例中，第一和第二组件可以包括它们的构成部件可以被附加到的外壳的相应部分。在一些实施例中，第一和第二组件可以被彼此固定。在一些实施例中，第一和第二组件可以使用舌槽接合或滑动鸠尾接合沿着光轴一起滑动。在一些实施例中，第一组件和第二组件彼此固定使其内的光学部件对准。

图3图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。如图3中看到的，散射光126可以被椭球反射器112反射并且被检测器116以特定角度范围134接收。在一些实施例中，角度范围134可以在25度和35度之间（即距光轴的度数）。

如图3中看到的，该设备包括外壳128。在一些实施例中，外壳128可以是对环境光不透明的。在一些实施例中，该外壳可以包括吸收光（或特定波长的光）的一个或多个材料。外壳128可以包括限定允许环境空气进入外壳的开口的至少一个表面。

图4图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。如图4中所示的，根据本公开的颗粒物质检测器可以包括光束收集器132。光束收集器132是被设计成吸收能量光束（例如反射光束119）内的光子或其他颗粒的能量的设备。

图4中图示的示例包括流鞘130。在一些实施例中，例如，可以添加流鞘130以将空中的粉尘（和其他污染物）与诸如椭球反射镜112、激光器108和/或反射器110之类的部件分离。例如，流鞘130可以是圆管。在一些实施例中，流鞘130可以是矩形管。在一些实施例中，流鞘130可以由种类组成。可以在流鞘130中提供开口以使得反射光束119和/或散射光126越过流鞘130而不是通过它，这将改变光的性质。

在一些实施例中，该设备可以包括被配置成推动空气并且因此推动空中的烟尘通过流鞘130的风扇。例如，可以由控制器和/或计算设备来控制风扇，在一些实施例中，所述控制器和/或计算设备可以是用来确定散射光126的强度的同一设备。

图5图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的另一透视图。可以看到散射光126从椭球反射器112反射、经过挡板114并且返回朝向检测器116。

图6图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的设备的俯视图。如图6中所示的，该设备包括第一端102和与第一端102相对的第二端104。光轴106穿过第一端102和第二端104。

该设备包括激光器108。激光器108可以发射光束118并且可以被定位成使得光束118基本上平行于光轴106来发射（如图6中所示）。不意图通过本文中的实施例将激光器108限于特定类型、制造和/或型号。要理解，光束118的波长可能影响散射和/或所测得的强度。例如，蓝光可提供增加的散射但是可提供降低的强度。

图6中图示的设备不包括如上所述的反射器。相反，激光器108可以发射光束118以使得它沿着光轴106朝向第二端104行进。

如图6中所示的，设备100包括基本上以第二端104处的光轴106为中心的反射器（例如反射镜）112。在一些实施例中，反射器112可以是椭球的。在一些实施例中，反射器可以是球形的。在图6中，反射器被称为“椭球的”，虽然如先前所讨论的，本公开的实施例不被如此限制。椭球反射器112可以具有两个焦点。如图6中所示的，第一焦点（在本文中有时被称为“焦点区域”）120被定位在激光器108和椭球反射器112之间。第二焦点区域122被定位接近检测器116（下面讨论）。可以通过例如使用椭球印记冲压金属箔来形成椭球反射器112。

如图6中所示的，椭球反射器112可以具有通过其的开口。在一些实施例中，该开口基本上居于于椭球反射器112中。该开口可以允许反射光束118穿过椭球反射器112。如图6中所示的，光束118可以进入光束收集器132（举例来说，例如，诸如图4中图示的光束收集器132）。

如图6中所示的，第一焦点区域120可以位于光束118的路径上。空中的颗粒124可以行进通过第一焦点区域120。颗粒124可以散射光束118的光。散射光126（例如前向散射光）可以从椭球反射器112反射并且朝向第一端102行进以在第二焦点区域122处会聚。

该设备可以包括检测器116。如图6中所示的，检测器116可以被定位在第二焦点区域122处并且可以基本上垂直于光轴106。在一些实施例中，检测器116的表面（例如检测表面）可以被定位在第二焦点区域122处（例如接近第二焦点区域122）。例如，检测器116可以是光传感器。在一些实施例中，检测器116可以包括光电二极管（例如硅光电二极管）。检测器116可以接收散射光126并且基于散射光126的强度（亮度和/或发光强度）将散射光126转换成信号（例如模拟信号）。该信号的强度可以与空气中颗粒物质的质量成比例。

如图6中图示的示例中所示的，根据本公开的设备可以包括挡板114-1和挡板114-2（在本文中被统称为“挡板114”）。虽然图6中示出了两个挡板，但是本文中的实施例不被限于特定数目的挡板。挡板114可以被定位成阻挡未在椭球反射器112的第一焦点区域120中散射的散射光（即阻挡不是散射光126的散射光）。因此，可以防止检测器116接收重复信号并且检测器116可以对一个有限区域的环境空气进行采样。

图7图示根据本公开的一个或多个实施例的用于检测颗粒物质的计算设备740。除了其他类型的计算设备之外，计算设备740还可以是例如手持式网络分析器、膝上型计算机、台式计算机或移动设备（例如移动电话、个人数字助理等）。

如图7中所示的，计算设备740包括存储器742以及耦合至存储器742的处理器744。存储器742可以是可以被处理器744访问以执行本公开的各种示例的任何类型的存储介质。例如，存储器742可以是非瞬时计算机可读介质，其具有存储在其上的可被处理器744执行以用于基于由检测器接收到的光的发光强度来确定烟尘的质量浓度的计算机可读指令（例如计算机程序指令）。

存储器742可以是易失性或非易失性存储器。存储器742还可以是可移动（例如便携式）存储器，或非可移动（例如内部）存储器。例如，除了其他类型的存储器之外，存储器742还可以是随机存取存储器（RAM）（例如动态随机存取存储器(DRAM)和/或相变随机存取存储器(PCRAM)）、只读存储器（ROM）（例如电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）和/或致密盘只读存储器（CD-ROM））、闪存、激光盘、数字多功能盘（DVD）或其他光盘贮存器，和/或磁性介质（诸如磁带盒、磁带或盘）。

进一步地，虽然存储器742被图示为位于计算设备740中，但是本公开的实施例不被如此限制。例如，存储器742还可以位于（例如使得能够通过因特网或另一有线或无线连接来下载计算机可读指令的）另一计算资源内部。

虽然已经在本文中图示和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将领会，可以用实现相同技术所计算的任何布置替代所示的具体实施例。意图使本公开覆盖本公开的各种实施例的任何以及所有改编或变化。

要理解，已经以说明性方式而不是限制性方式做出了上面的描述。在查看上面的描述时，上面的实施例以及未在本文中具体描述的其他实施例的组合将对本领域技术人员而言显而易见。

本公开的各种实施例的范围包括其中使用上面的结构和方法的任何其他应用。因此，应该参考所附权利要求连同此类权利要求有权享有的等同物的全范围来确定本公开的各种实施例的范围。

在前面的具体实施方式中，为了使本公开流线化的目的，在图中图示的示例实施例中将各种特征组合在一起。不要将本公开的该方法解释为反映本公开的实施例要求比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。

相反，如以下权利要求反映，有创造性的主题在于少于单个公开的实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求依靠其自己作为单独的实施例。

Claims

1.一种用于检测颗粒物质（124）的设备（100），包括：

激光器（108）、反射器（110）、椭球反射器（112）、第一挡板（114-1）、第二挡板（114-2）和检测器（116），其中：

激光器（108）被配置成发射光束（118）；

反射器（110）被配置成朝向椭球反射器（112）反射光束（119）；以及

椭球反射器（112）具有位于反射光束（119）的路径上的第一焦点区域（120）和位于检测器（116）的表面处的第二焦点区域（122），并且

第一挡板（114-1）位于反射器（110）和椭球反射器（112）之间以阻挡椭球反射器（112）反射到第一焦点区域（120）之外的光到达检测器（116），

第二挡板（114-2）位于反射器（110）和第二焦点区域（122）之间以阻挡椭球反射器（112）反射到第一焦点区域（120）之外的光到达检测器（116），

其中反射器（110）位于第一焦点区域（120）和第二焦点区域（122）之间。

2.根据权利要求1所述的设备（100），其中在第一焦点区域（120）中散射的光被椭球反射器（112）反射到第二焦点区域（122）。

3.根据权利要求1所述的设备（100），其中检测器（116）被配置成：

接收由椭球反射器（112）反射的光；以及

确定由椭球反射器（112）反射的光的发光强度。

4.根据权利要求1所述的设备（100），进一步包括：

光轴（106），其中：

反射器（110）被定位在检测器和椭球反射器（112）之间的光轴（106）上并且关于光轴（106）成角度；

激光器（108）被配置成在垂直于光轴（106）的方向上发射光束（118）以使得光束（118）被反射器（110）朝向椭球反射器（112）反射；

椭球反射器（112）被定位在光轴（106）上，其中在第一焦点区域（120）中散射的光被椭球反射器（112）反射到检测器（116）；以及

检测器（116）被定位在光轴（106）上。

5.根据权利要求4所述的设备（100），其中椭球反射器（112）包括一表面，该表面限定被配置成允许被反射器（110）反射的光束穿过的开口。

6.根据权利要求5所述的设备（100），其中设备（100）包括光束收集器，其被配置成接收被反射器（110）反射的光束（119）。

7.根据权利要求5所述的设备（100），其中开口在椭球反射器（112）上居中。

8.根据权利要求4所述的设备（100），其中该设备（100）包括在反射器（110）和椭球反射器（112）之间且与光轴（106）垂直的流鞘。

9.根据权利要求8所述的设备（100），其中流鞘包括允许在第一焦点区域（120）中散射的光束穿过的开口。

10.根据权利要求4所述的设备（100），其中在第一焦点区域（120）中散射的光被椭球反射器（112）反射并且以特定角度范围（134）被检测器（116）接收。

11.根据权利要求10所述的设备（100），其中角度范围（134）在距光轴（106）的25度和35度之间。

12.根据权利要求4所述的设备（100），其中该设备（100）包括第一组件和第二组件，并且其中第一组件包括椭球反射器（112），并且第二组件包括激光器（108）、反射器（110）、第一挡板（114-1）和第二挡板（114-2）。

13.根据权利要求12所述的设备（100），其中第一组件和第二组件可彼此固定。

14.根据权利要求13所述的设备（100），其中第一组件和第二组件可通过滑动接合沿着光轴彼此固定。