CN113990023B - 一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法，通过硬件上的检测校准电路包括发光管的压降检测、发光管的电流检测以及针对接收管的跨导放大器的校准电路，以及结合软件补偿方法包括从检测发光管压降推算当前温度较工厂常温校准值的偏差、根据检测到的发光管电流来调整驱动电流至预期标称电流以及根据接收管跨导放大器增益误差来补偿接收信号，其能够主动监测，实现设备自校准和补偿，克服单独使用温度传感器带来的弊端，克服光学器件之间的误差以及温度和老化带来的误差，使光电式烟雾探测器稳定工作于不同的实际使用场景中，保证了产品的一致性。

Description

一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法

技术领域

本发明属于烟雾探测器相关技术领域，具体涉及一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法。

背景技术

目前市场上的烟雾探测器主要是光电式烟雾探测器，即根据Mie式散射原理搭建的光学信号采集系统，其工作原理为：发射管发出光束照亮某片区域，如果这片区域里没有烟雾的话，接收管接收不到任何信号或者接收信号是一个恒定的背景值，如果有烟雾进入检测区域的话，接收管的信号将会发生变化。

在先申请的专利号CN201911345207.1所述的校准方法是针对光电式烟雾探测器的光学系统整体进行的校准，不涉及每个具体系数的校准，光电式烟雾探测器也不具备自校准功能，主要用于常温下的工厂校准。虽然这已经极大地改善了系统误差，但该校准方法仍然没有考虑到真实使用情况下的温度变化、长时间老化等因素的影响。

在真实使用情况下，光电式传感器器件受环境温度变化的影响很大，体现在器件的温漂以及在高温下的稳定性差。因此很多光电式烟雾探测器已经内置单独的温度传感器，但是简单地集成温度传感器和烟雾传感器的方案是根据温度来补偿光学器件的偏差，存在如下的问题：只限于补偿到典型值而不是精确补偿；不能补偿个体设备的差异，如果设备间的离散度较大则大大降低补偿的效果；并且由于温度传感器感应的是环境温度，而光学器件的温度取决于内部的结温，因此温度传感器采集的温度与光学器件的真实温度可能存在不一致性，体现在时延以及温度差；简单的温度传感器(如NTC电阻)虽然成本较低但需要偏置电压或者激励电流，工作功耗较大，不利于连续工作；而且经过长时间老化，光电式传感器器件的发光和感光效率会随着时间而衰减，这会导致检测阈值不再符合出厂设定，此时需要设备自校准。

同时新的复杂应用场景给光电式传感器的稳定性提出了新的要求，比如智能家居场景下，房间内部打开或者关闭空调都会引起环境温度的骤变，浴室附近的水蒸气涌出也会引起温度的变化，储能或汽车应用场景下烟雾探测器有可能工作于较高的环境温度下，因此实际使用环境中的影响因素都是变化的，比如温度不一定是稳定缓慢变化的，存在交替变化以及回滞问题。

因此当前急需提供一种设备自校准方法，用于温度范围大、长时间老化的实际使用场景中，来对现有的工厂校准进行补偿和提高，保证设备的稳定性和一致性。另外温度传感器也不需要实时工作，只需要按需工作以节省功耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法，以解决上述背景技术中提出的问题，其能够主动监测，实现设备自校准和补偿，克服单纯使用温度传感器带来的弊端，克服光学器件之间的误差以及温度和老化带来的误差，使光电式烟雾探测器稳定工作于不同的实际使用场景中，保证了产品的一致性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路，其包括发光管和接收管，所述发光管和接收管的外部罩有迷宫；

其特征在于：所述发光管与电流传感电阻相串联，串联后的整体一端连接发光管电源，另一端连接发光管驱动模块，所述发光管的两端分别通过第一输入选择开关与第三放大器的两个输入端连接，所述电流传感电阻的两端分别通过第一输入选择开关与第四放大器的两个输入端连接，所述第三放大器和第四放大器的输出端均通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与数字电路模块连接，所述数字电路模块与处理器连接，所述数字电路模块还与数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端与发光管驱动模块连接；当所述发光管的数量为M(M可取值为大于等于1的自然数)时，每个发光管均采用上述电路；

所述接收管的正极端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接，所述接收管的负极端通过第一输入选择开关与第一放大器的正极输入端连接，所述第一放大器的负极输入端与输出端之间连接有跨导电阻，所述第一放大器与跨导电阻构成跨导放大器，所述第一放大器的正极输入端还连接至第一参考电压，所述第一放大器的输出端通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接；所述电路还包括校准电阻，所述校准电阻的一端通过第一输入选择开关连接至第二参考电压，另一端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接；

所述第一放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N(N可取值为1或2或3)个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述三个放大器的功能。

所述数字电路模块还分别与第一输入选择开关、第二输入选择开关连接；所述处理器用于通过数字电路模块分别控制第一输入选择开关和第二输入选择开关的通路选通，还用于通过数字电路模块接收模数转换器的输出值、向数模转换器输出设置值。

进一步的，所述电路还包括热敏电阻，所述热敏电阻一端通过上拉电阻连接至电源，并通过第一输入选择开关与第二放大器的正极输入端连接，另一端接地，并通过第一输入选择开关与第二放大器的负极输入端连接；所述第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N(N可取值为1或2或3或4)个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述四个放大器的功能。

基于上述的电路，本发明还提供了一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.烟雾传感器上电、初始化后进入烟雾传感模式；

步骤2.处理器读取检测数据，具体包括：读取接收管数据、检测发光管驱动电流、检测发光管压降；

步骤3.处理器通过读取接收管数据，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据；

步骤4.处理器通过检测发光管压降，获取温度漂移值，用于后续的补偿系数计算；

步骤5.处理器通过检测发光管驱动电流，将发光管驱动电流调整至标称电流；

所述步骤3、步骤4、步骤5之间可按任意步骤顺序执行；

步骤6.处理器对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆'以及接收管的效率变化系数k'₁，计算补偿后的功率传输比PTR'；

步骤7.处理器进行烟雾检测及判断流程。

进一步的，所述步骤3中通过读取接收管数据，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据，具体为：处理器控制第一输入选择开关将第一放大器与校准电阻连接，并与接收管断开，则跨导电阻

这里VREF1为第一参考电压、VREF2为第二参考电压、R_cal为校准电阻值，V₁是模数转换器的测量值；然后处理器计算获得增益系数k₃，k₃为R_f理想值与校准值的比值

进一步的，所述步骤4中通过检测发光管压降，获取温度漂移值，用于后续的补偿系数计算，具体为：第三放大器测量发光管两端的压降并放大再经模数转换后发给处理器，然后处理器计算得到温度漂移值

其中V_d0为出厂测试的正向压降，V_d1为实际测得的发光管两端的压降，TC_V为发光管的压降随温度变化系数。

进一步的，所述步骤5中通过检测发光管驱动电流，将发光管驱动电流调整至标称电流，具体为：第四放大器测量电流传感电阻两端的电压值并放大再经模数转换后发给处理器，然后处理器通过数模转换器来调整发光管驱动模块的输出电流使得发光管驱动电流等于标称电流。

进一步的，所述步骤6中对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆'以及接收管的效率变化系数k'₁，计算补偿后的功率传输比PTR'，具体为：处理器计算得到最终补偿后的功率传输比

其中PTR₀为出厂时的功率传输比，C为产线校准获取的系统补偿系数，k_3o为产线校准时获取的接收管后端的跨导放大器的增益系数,令k'₂＝1；k'₁为接收管的效率变化系数，先由温度漂移值ΔT根据TC_λ计算得到波长变化Δλ＝ΔT×TC_λ，再根据Δλ和接收管的响应曲线获得k'₁，TC_λ表示发光管的波长随温度变化系数；发光管亮度随温度的变化系数k₆'＝1+ΔT×TC_I，其中TC_I为发光管的亮度随温度变化系数。

由于在先申请的专利号CN201911345207.1所述的校准方法是针对光电式烟雾探测器的光学系统整体进行的校准，不涉及每个具体系数的校准，而本专利要求工厂校准、补偿并记录k₃₀，因此计算公式为

进一步的，所述步骤3中读取接收管数据可以设置为多次采样来读取模数转换器的测量值。

进一步的，处理器中还设置有校准系数表格，所述校准系数表格用于更新保存不同温度下发光管两端的压降、增益系数k₃、接收管的效率变化系数k'₁、发光管的亮度随温度的变化系数k₆'的值。考虑到利用发光管压降检测法推导出的温度差在整个温度范围下不一定是线性的，我们在研发的验证时就要有一张对应于不同温度的初始典型值表，可以由设备高低温试验获得，真实使用时可结合设备自身的温度传感器进行校准并匹配。因此，设备可以在没有温度传感器的情况下靠自身的自校准工作，也可以结合自身场温度传感器来标定温差估计结果，因此温度传感器不需要适时工作，只需要按需工作，不用的时候关闭电源，这样可以大大节约功耗。

进一步的，所述步骤2中处理器读取检测数据还可以包括：处理器通过第二放大器测量热敏电阻两端电压，获取温度传感器值。

进一步的，所述方法还包括离线校准步骤，所述离线校准步骤具体为：首先校准跨导放大器，然后使用双电流校准温度，最后记录校准数据并更新校准系数。如果系统中还设置有热敏电阻时，所述离线校准步骤还可以包括获取温度传感器值。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路和方法，具备以下有益效果：

本发明在先申请的专利号CN201911345207.1所述的校准方法的基础上，通过硬件上的检测校准电路包括发光管的压降检测、发光管的电流检测以及针对接收管的跨导放大器的校准电路，以及结合软件补偿方法包括从检测发光管压降推算当前温度较工厂常温校准值的偏差、根据检测到的发光管电流来调整驱动电流至预期标称电流以及根据接收管跨导放大器增益误差来补偿接收信号，实现了光电式烟雾探测器的自校准和补偿，克服了单独使用温度传感器带来的弊端，克服了光学器件之间的误差以及温度和老化带来的误差，使光电式烟雾探测器稳定工作于不同的实际使用场景中，保证了产品的一致性。

附图说明

图1为本专利技术方案的电路示意图；

图2为本专利技术方案的方法流程示意图；

图3为本专利技术方案的电路采样时序示意图。

具体实施方式

一、首先解释下本发明技术方案实现的原理：

1.引入PTR(Power Transfer Rate，功率传输比)的概念，单位为nW/mW，这是一种衡量光学系统转换效率的通用方法，即发射管每发射出1mW能量，经迷宫和烟雾散射后到达接收管的能量(以nW为单位)。因为每个电路板的器件参数存在误差，器件老化程度也有所不同，使用功率传输比作为度量单位可以有效地规避系统电气参数的影响。

2.基本理论解释和公式推导：

1)PTR＝P_PD/P_LED，

PTR的单位为nW/mW；P_PD是接收管的接收功率，单位为nW；P_LED是发光管发光功率，单位为mW。烟雾探测器法规里面的减光率或者遮蔽系数与PTR是直接相关的，所以解决PTR的误差就是解决系统误差。

2)P_PD＝η_PD×I_PD，

P_PD是接收管的接收功率，单位为nW；I_PD是补偿后的接收管接收电流，单位为nA；η_PD是接收管在对应发光管波长下的接收效率，单位为nW/nA。

3)P_LED＝η_LED×I_LED，

P_LED是发光管发光功率，单位为mW；I_LED是发光管驱动电流，单位为mA；η_LED是发光管在I_LED电流下的效率，单位为mW/mA。

4)η_PD＝η_PD0×k₁×k₂，

η_PD是接收管在对应发光管波长下的接收效率，单位为nW/nA；η_PD0是接收管在发射管中心波长下的灵敏度；k₁表示接收管的波长灵敏度系数，原因是发射管的波长会有一些波动从而导致接收管的接收灵敏度变化；k₂是个体接收管的灵敏度系数，它不但跟具体的接收管有关，而且与环境温度或者老化程度有关。k₁×k₂导致最终的接收管的接收效率与预期的不一样。

5)I_PD＝I_PD0×k₃，

I_PD是补偿后的接收管接收电流，单位为nA；I_PD0是硬件读取的原始接收管电流值；k₃是接收管后端的跨导放大器的增益系数。

6)η_LED＝η_LED0×k₆，

η_LED是发光管在I_LED电流下的效率，单位为mW/mA；η_LED0是发光管在标称电流I_LED0下的效率；k₆是个体发光管的效率系数，它不但跟具体的发光管有关，而且与环境温度或者老化程度有关。因此k₆导致最终的发光管的效率与预期的不一样。

7)I_LED＝I_LED0×k₇，

I_LED是发光管驱动电流，单位为mA；I_LED0是发光管的标称电流，一般选用规格书的典型值，这个标称电流也是工厂测试用的电流值，每个发光管至少选用一个标称电流；k₇是设置电流与标称电流的系数，与设置有关，举例说明：如果标称电流I_LED0为100mA，此时设置发光管驱动电流I_LED为95mA，那么k₇＝0.95。k₇导致最终的发光管驱动电流与预期的标称电流不一样。

3.光学电路的校准和补偿方法：

整理后的功率传输比PTR如上式所示。k₁是表示接收管的波长灵敏度系数，与发光管的波长有关；k₂反映的是个体接收管的灵敏度系数，它不但跟具体的接收管有关，而且与环境温度或者老化程度有关；k₃是接收管后端的跨导放大器的增益系数，这可以被校准和补偿；k₆是个体发光管的效率系数，它不但跟具体的发光管有关，而且与环境温度或者老化程度有关，k₆导致最终的发光管的效率与预期的不一样；k₇是设置电流与标称电流的系数，与设置有关，k₇导致最终的发光管驱动电流与预期的标称电流不一样。

可以通过检测发光管电流的方法获得真实驱动电流值，从而计算出k₇的值，通过调整发光管驱动电流使得测量值与标称电流一致从而使得k₇＝1，这是最简单的做法。因此我们在产线上只需要校准几个常用的发光管电流及其效率即可，而不是每个电流都校准，这样节省时间和成本。

将最终影响PTR误差的各个系数的校准和补偿情况总结如下：

1)增益系数k₃可以由自校准获得并补偿，具体细节在下面章节介绍；

2)k₇可以由调整发光管驱动电流来自校准获得并补偿，当发光管驱动电流大小为标称电流时，k₇＝1；

3)上述自校准不但用于设备自校准也适用于工厂出厂校准；

4)剩下的系数k₁，k₂，k₆也包括器件间差异、温度以及老化因素的结果，但不能直接被测量，需要结合工厂校准和设备自补偿，具体细节在下面章节介绍。

4.工厂校准和设备自补偿：

1)参考公开专利号CN201911345207.1所述的校准方法对系统整机校准，主要用于工厂校准。专利CN201911345207.1是针对系统的光学系统整体进行的校准，不涉及每个系数的校准，设备也不具备自校准功能。我们可以参考上述专利方法结合自校准进行系统校准，用自校准数据补偿系统校准结果。工厂校准的意义是将各个设备校准到平均值，从而减少设备间的误差，但只能保证在常温下的一致性。当k₇＝1时，发光管电流被补偿到标称值，因此公开专利号CN201911345207.1中的发射管功率X是恒定的，因此在工厂环境下个体接收管的功率Y与平均功率

的比值等于PTR的比值。针对跨导放大器增益系数k₃的校准也可以融合到工厂校准环节。因此本专利可以作为公开专利号CN201911345207.1的补充和扩展。

2)设备自补偿，发光管驱动电流补偿：

I_LED发光管的驱动电流，这可以通过电流传感电阻上的电压来测量，假设电流传感电阻为1Ω，如果发光管驱动电流为100mA，那么测量的电阻两端电压为100mV。当测量电流不等于标称电流时根据实测结果将驱动电流大小调整为标称电流，发光管的电流驱动由电流型数模转换电路来完成，调整驱动电流至标称电流使得k₇约等于1，考虑到电路精度，误差在一定范围内即可接受，如±2％。

本发明使用硬件补偿方法，将驱动电流调整至标称电流，令k₇＝1，如果需要使用多个标称电流则需要产线测试校准多个电流点。发光管的规格书中一般都有一个标称电流，这个是典型值，因此如果只有一个标称电流的话则默认选择规格书的典型值。

3)设备自补偿，接收管跨导放大器补偿：

接收管跨导放大器可能存在器件固有误差或者由温漂引起的误差，利用外部参考电阻来校准内部的跨导电阻从而获得增益系数k₃，由于跨导电阻的选项和步长做不到非常精细，我们使用软件来补偿，假设接收管读到的数据是I_PD0，那么软件补偿获得

考虑到电路精度，误差在一定范围内即可接受，如±1％，外部参考电阻选用低温漂的0.1％精度电阻。

在工厂校准时，可利用上述跨导放大器的校准方法，获取产线校准时接收管后端的跨导放大器的增益系数k₃₀。

4)设备自补偿，系数C补偿：

PTR＝PTR₀×C，这里令

因为根据专利CN201911345207.1中的校准方法，系数C可以由产线校准结合本发明的自校准获得，这里的发光管驱动电流已经被调整为标称电流，故k₇＝1被省略。

在系数C的公式里，k₃可以通过外部参考电阻校准进行更新并替换原增益系数k_3o，原增益系数k_3o为产线校准时获取的接收管后端的跨导放大器的增益系数，k₁,k₂,k₆可以根据硬件测量值来估计。根据二极管的PN结的负温度系数的原理，我们通过监控发光管的压降V_d并与其常温或出厂数值V_d0进行比较将会粗略计算出其偏离常温或者出厂温度之间的温度差(即温度漂移值)ΔT，即ΔT＝(V_d-V_d0)/TC_V，TC_V表示发光管的压降随温度变化系数，单位为mV/K，可以从发光管手册或供应商处获得。由ΔT可以进一步根据TC_I计算亮度随温度的变化系数k'₆，TC_I表示发光管的亮度随温度变化系数，单位为％/K，可以从发光管数据手册或者供应商处获得。再由ΔT可以进一步根据TC_λ计算波长的变化Δλ，由根据Δλ和接收管的响应曲线获得接收管的效率变化系数k′₁，TC_λ表示发光管的波长随温度变化系数，单位为nm/K，可以从发光管数据手册或者供应商处获得。系数k'₂也体现在硬件读取的原始接收管电流值I_PD0上，I_PD0已经包括了器件间和温漂引起的误差，故令k'₂＝1。

因此，我们将系数C进行进一步的补偿为C'：

最终补偿后的数据为PTR'：

PTR'＝PTR₀×C'。

二、基于上述原理，本发明提供如下技术方案：

如图1所示，一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路，其包括发光管和接收管，所述发光管和接收管的外部罩有迷宫；发光管和接收管以及迷宫构成了烟雾探测器的核心部件，迷宫既具备透气性又具备遮挡环境光的作用，烟雾需要从迷宫侧壁进入迷宫后进行烟雾检测工作。

所述发光管与电流传感电阻相串联，串联后的整体一端连接发光管电源，另一端连接发光管驱动模块，所述发光管的两端分别通过第一输入选择开关与第三放大器的两个输入端连接，所述电流传感电阻的两端分别通过第一输入选择开关与第四放大器的两个输入端连接；当所述发光管的数量为M(M可取值为大于等于1的自然数)时，每个发光管均采用上述电路。测量发光管的压降和驱动电流参数的工作由第三放大器和第四放大器来完成。第三放大器默认地用来测量发光管的两端电压，测量输出的电压为V3。第四放大器默认地用来测量电流传感电阻两端的电压，测量输出的电压为V4。电流传感电阻位于发光管和发光管驱动模块的链路上，默认是在二者之间。举例说明：如果电流传感电阻为0.499Ω(精度为0.5％或更好，温漂为50ppm/℃或更好，如Yageo的PE0805DRE470R499L)，编程的驱动电流为100mA，第四放大器的增益为2，那么第四放大器的目标输出电压V3＝0.499Ω×100mA×2≈100mV。如果测量的输出电压为98mV，则说明发光管驱动电流偏小，需要调高2mA电流；如果测量的输出电压为105mV，则说明发光管驱动电流偏大，需要调小5mA电流。通过检测并补偿调整发光管电流可以使系数k₇等于1，从而达到自检测校准的目的。

所述第三放大器和第四放大器的输出端均通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与数字电路模块连接，所述数字电路模块与处理器连接，所述数字电路模块还与数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端与发光管驱动模块连接。所述数模转换器具体为电流型数模转换器。发光管由发光管驱动模块来驱动，电流型数模转换器提供至少200mA的最大电流范围，最小电流调整步长不大于1mA。电流型数模转换电路不但要提供足够的电流驱动范围，而且要具备足够的调整精度，原因是驱动电流可能存在误差，保证精度的代价较高，因此我们反过来测量发光管的真实电流来补偿发光管的驱动电流至标称值。所述数字电路模块还分别与第一输入选择开关、第二输入选择开关连接；所述处理器用于通过数字电路模块分别控制第一输入选择开关和第二输入选择开关的通路选通，还用于通过数字电路模块接收模数转换器的输出以及通过数字电路模块向数模转换器进行输出。处理器是烟雾探测器的控制中枢，与数字电路模块连接，实现数据读取、寄存器配置以及相关的流程算法等处理。

所述接收管的正极端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接，所述接收管的负极端通过第一输入选择开关与第一放大器的正极输入端连接，所述第一放大器的负极输入端与输出端之间连接有跨导电阻，所述第一放大器和跨导电阻构成跨导放大器。所述跨导放大器用于检测接收管的输出电流信号，接收管的电流流经跨导电阻转变成电压V1，这个校准实际上是对整个接收信号链路的校准，由于主要误差来自于跨导放大器的跨导电阻，我们将这个步骤称为跨导放大器的增益校准。所述第一放大器的正极输入端还连接至第一参考电压，所述第一放大器的输出端通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接。所述电路还包括校准电阻，所述校准电阻的一端通过第一输入选择开关连接至第二参考电压，另一端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接；校准电阻是低温漂的精密电阻，进行校准时第一输入选择开关将第一放大器的输入与校准电阻连接，与接收管断开。低温漂的精密电阻典型值为100KΩ，精度0.5％或更好，温漂50ppm/℃或更好，如Yageo的RT0603BRD07100KL。

所述第一放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N(N可取值为1或2或3)个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述三个放大器的功能；例如：可实际采用两个放大器，其中一个放大器作为第一放大器，由于电路不需要同步采样，在第一输入选择开关的通路选通控制下，另一个放大器可以先与电流传感电阻连接作为第四放大器，再与发光管连接作为第三放大器；具体设置电路时，这两个实际采用的放大器也可以互换。

进一步的，所述电路还包括热敏电阻，所述热敏电阻一端通过上拉电阻连接至电源，并通过第一输入选择开关与第二放大器的正极输入端连接，另一端接地，并通过第一输入选择开关与第二放大器的负极输入端连接。热敏电阻是可选的，默认是放于迷宫之内靠近光学器件发光管和接收管。默认地使用放大器来测量热敏电阻的电压输出并转换为电压V2。这里的热敏电阻可以是基NTC型的，典型的设计是串联分压类型的。放大器检测电压信号来计算温度信息，检测温度精度±5℃或更好。NTC的使用方法很简单，在此不再赘述。

所述第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N(N可取值为1或2或3或4)个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述四个放大器的功能。

如图2所示，基于上述的电路，本发明还提供了一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，包括以下步骤：

步骤1.烟雾传感器上电、初始化后进入烟雾传感模式；烟雾探测器是连续运行的设备，上电后设备进入开始(s1)，然后进入设备初始化(s2)，完成对设备的基本配置，进而进入烟雾传感(s3)，至此设备已经完成了检测火灾烟雾的基本设置。

步骤2.处理器读取检测数据，具体包括：读取接收管数据、检测发光管驱动电流、检测发光管压降；烟雾探测器按照设置的数据采样速率进行读取数据(s4)，除了读取接收管数据(s5)之外，本发明还会检测发光管的压降(s6)，检测发光管驱动电流(s7)。

步骤3.处理器通过读取接收管数据(s5)，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据(s10)。

步骤4.处理器通过检测发光管压降(s6)，获取温度漂移值(s11)，温度漂移值用于后面的系数计算。

步骤5.处理器通过检测发光管驱动电流(s7)，将发光管驱动电流调整至标称电流(s13)；本发明默认要将发光管驱动电流调整至标称电流，这样可以维持发光管的电流维在一个水平上，从而保证其他参数的一致性；检测并调整发光管驱动电流的步骤涉及到校准系数k₇，通过调整发光管驱动电流为标称值可以使系数k₇等于1。

所述步骤3、步骤4、步骤5之间可按任意步骤顺序执行；

步骤6.处理器对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆'以及接收管的效率变化系数k'₁(s14),计算得到烟雾减光率即更新PTR'(s15)；

步骤7.处理器进行烟雾检测及判断(s16)，判断是否发生火灾(s17)，如果发生火灾则进入烟雾报警流程(s18)，烟雾报警器报警发生后会进入结束或者等待复位状态(s19)。

进一步的，所述步骤4或步骤5为可选步骤。软件可编程的决定是否需要检测发光管压降(s6)，是否检测发光管电流(s7)，选择关闭一些采样有助于减少系统功耗降低存储需求。

进一步的，所述步骤3中通过读取接收管数据，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据，具体为：处理器控制第一输入选择开关将第一放大器与校准电阻连接，并与接收管断开，则跨导电阻

这里VREF1为第一参考电压、VREF2为第二参考电压、R_cal为校准电阻值，V₁是模数转换器的测量值；然后处理器计算获得增益系数k₃，k₃为R_f理想值与校准值的比值

R_f理想值预存于处理器的非易失存储单元中。

进一步的，所述步骤4中通过检测发光管压降，获取温度漂移值，温度漂移值用于后面的系数计算，具体为：第三放大器测量发光管两端的压降并放大再经模数转换后发给处理器，然后处理器计算得到温度漂移值ΔT＝(V_d1-V_d0)/TC_V，其中V_d0为出厂测试的正向压降，V_d1为实际测得的发光管两端的压降，TC_V为发光管的压降随温度变化系数；

进一步的，所述步骤5中通过检测发光管驱动电流，将发光管驱动电流调整至标称电流，具体为：第四放大器测量电流传感电阻两端的电压值并放大再经模数转换后发给处理器，处理器根据测量值与理想值的偏差来调整驱动该电流，具体方法为：处理器通过数模转换器来调整发光管驱动模块的输出电流使得发光管驱动电流等于标称电流。

进一步的，所述步骤6中对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆'以及接收管的效率变化系数k'₁,计算得到烟雾减光率即更新PTR'，具体为：处理器计算得到最终补偿后的功率传输比

其中PTR₀为出厂时的功率传输比，C为产线校准获取的系统补偿系数，k_3o为产线校准获取的接收管后端的跨导放大器的增益系数,令k'₂＝1；k'₁为接收管的效率变化系数，先由温度漂移值ΔT根据TC_λ计算得到波长变化Δλ＝ΔT×TC_λ，再根据Δλ和接收管的响应曲线获得k'₁；TC_λ表示发光管的波长随温度变化系数。k'₆表示亮度随温度的变化系数,计算公式为k₆'＝1+ΔT×TC_I，其中TC_I为发光管的亮度随温度变化系数。

在此举例说明上述方法的具体过程：

这里的发光管选取OSRAM的SFH4250S-T，接收管选取OSRAM的SFH2200-FA-A01，二者都是车规料，适用于宽温度范围，具体过程如下：

1)SFH4250S-T的规格书参数如下：

上述规格是在驱动电流为100mA并且在常温下的测试结果。我们的产线测试也是在100mA驱动电流和室温下的测试，以尽量使用芯片提供供应商规格书里的规格，如果使用其他未说明的规格需要联系芯片供应商。因此当标称电流I_LED0＝100mA时，

这里简单地使用

来计算发光管在标称电流下的效率，具体设备的辐射功率可以咨询器件供应商或者请他们帮忙标定。

发光管的正向电压V_F是个典型值，存在器件之间的误差，因此需要在出厂前的产线校准来测试及记录到非易失性存储器中，记为V_F0，有多少个发光管则有多少个对应的V_F0。这里的发光管SFH4250S-T是红外类型的，该发射管出厂测试的和正向压降记为V_d0，实际测得的100mA电流情况下的正向压降为V_d1。

假设V_d0＝3100.5mV，V_d1＝3080.5mV，那么温度相对于常温的变化

由于二极管的负温度特性，估算实际温度大约为35摄氏度。

因此，发射管由温度引起的辐射能量偏差可以估算为ΔI_e＝ΔT×TC_I＝-5％，ΔI_e影响的参数是k'₆＝1+ΔI_e＝0.95。发射管由温度引起的波长偏差可以估算为Δλ＝ΔT×TC_λ＝3nm。

2)SFH2200-FA-A01的规格书参数如下:

上述参数是在常温下的测试结果，接收管在发光管标称电流下的效率

从规格书上看来，该接收管的峰值灵敏度发生在940nm,而发光管的中心波长为850nm,通过选取发光管的不同Bin Code可以约束发光管的波长范围，我们希望越小越好，可以近似认为850nm附近的灵敏度局部呈线性变化，从灵敏度曲线上看800～940nm区间段波长每变化大约6.3nm大于对应1％的灵敏度变化(相对于λ_smax)。考虑到850nm的灵敏度约为峰值940nm的90％，因此基于850nm波长变化Δλ引起的灵敏度变化为

因此系数k'₁＝1+

系数k'₁与入射波长有关，系数k'₂是与温度和老化有关的系数，这里默认是1。

3)校准跨导放大器:具体过程如上所述，假设R_f理想值为100KΩ而校准值为99KΩ，那么k₃＝1.01。产线校准时获取的接收管后端的跨导放大器的增益系数为k_3o，其保存在非易失性存储器中。

4)获取最终补偿后的功率传输比

其中PTR₀、C和k₃₀在产线校准时获取并保存在非易失性存储器中。烟雾探测器法规里面的减光率或者遮蔽系数与PTR'是直接相关的，所以解决PTR的误差就是解决系统误差。

进一步的，所述步骤3中读取接收管数据可以设置为多次采样来读取模数转换器的测量值。多次采样有助于提高信号的质量。

附图3是发光管(LED)控制及模数转换时序实例。考虑到系统的功耗问题，发光管的驱动是脉冲式的，以节省功耗。假设一个采样周期为T，发光管的点亮时间为T₁而熄灭时间为T₂。模数转换器(ADC)的数据采样尽量安排在发光管的点亮期间，使用一个ADC即可以实现连续采样。由于ADC的采样速度很快，每个ADC的采样周期可以远小于发光管的点亮周期T₁，因此一个周期里接收管数据读取可以读取n次，n是可编程的大于等于1的整数，以提高数据采样的精度。然后第n+1次采样发光管的驱动电流，第n+2次采样发光管的压降，第n+3次采样温度传感器信息。以上只是一个具体实例，第一输入选择开关和第二输入选择开关可以提供非常灵活的通路控制以及决定哪些通路采样，哪些通路不采样。这种设计方法有两个好处：一是只使用一个模数转换器进行数据采集，节省硬件成本；二是有助于节省放大器，所有的放大器不需要同时工作，因此只要电路采样和切换速度足够快则可以分时复用以节省系统成本。

进一步的，处理器中还设置有校准系数表格，所述校准系数表格用于更新保存不同温度下发光管压降V_d1、增益系数k₃、接收管的效率变化系数k'₁、发光管的亮度随温度的变化系数k₆'的值。

当设备按上面的校准流程和补偿操作之后，系统需要维护和更新校准系数表格，样例如下表所示。考虑到系统计算量和温度采样的精度问题，我们将温度的步长设为5℃。默认的系统设计是没有温度传感器的，无论是采用单电流还是双电流温差推算方法，我们在产品研发的过程中都需要在温控箱中结合实际温度值进行系数验证，用于系数计算的参考，实际的出厂校验不需要每台都校准所有的系数，只校准常温数据。如果系统中具备了温度传感器的话，也不需要周期性工作只需要结合校准情况按需工作。

如前面所述，工厂校准并不需要知道k₁和k₆的具体值，而是获得系数C，设备运行时根据温漂计算参数的变化k'₁和k'₆。

进一步的，所述步骤2中处理器读取检测数据还可以包括：处理器通过第二放大器测量热敏电阻两端电压，获取温度传感器值。可选的温度信息读取(s26)。

上述自校准和补偿是不需要温度传感器的，但如果系统中具备温度传感器的话可以将校准数据与温度数据一起读取，这样有助于将校准数据与温度数据匹配成一个查找表。

进一步的，所述方法还包括离线校准步骤，所述离线校准步骤具体为：首先校准跨导放大器，然后使用双电流校准温度，最后记录校准数据并更新校准系数。当系统中设置有热敏电阻时，所述离线校准步骤还可以包括获取温度传感器值。如果未发生火灾，探测器将进入新的流程；在进入新的数据采集周期之前可以进行离线的校准工作，所谓的离线校准是指不在上述s4和s14之间的校准，避免打断数据采样和控制逻辑。首先软件需要判断是否需要离线校准(s20)，如果否则进入更新校准系数(s25)环节，只是根据前面步骤简单更新校准系数。如果需要离线校准则进入校准流程，首先校准跨导放大器(s21)，如图1所示，校准跨导放大器需要断开接收管接入校准电阻从而利用精密电阻来校准跨导放大器跨导电阻，从而获得校准系数k₃的精度。进一步还可以使用双电流校准温度(s22)来进一步估计温度漂移值，双电流首先是使用一个发光管标称电流为100mA，然后使用另外一个标称电流为50mA来检测发光管的压降，各自估算温度漂移，然后通过比值算法来更精确地估计温度漂移。软件可以再次读取温度传感器值(s23)，这是可选项，取决于系统中有没有搭载热敏电阻(温度传感器)。外置温度传感器是可信赖的环境温度传感器，可以用于与电路自估算的温度值相对比。完成跨导放大器电阻校准(s21)、温度漂移估计(s22)以及读取温度传感器(s23)步骤之后，软件记录校准数据(s24)并更新校准系数(s25)；上述步骤校准跨导放大器(s21)、双电流校准温度(s22)、温度传感器值(s23)之间可以按任意步骤顺序进行。

所述的双电流校准温度法即首先使用电流I_IRD1＝100mA驱动发光管，再使用电流I_IRD2＝50mA驱动发光管，测量的发光管正向压降分别为V_IRF1和V_IRF2，那么它们的压差可以表示为

公式里的k表示玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J；T是绝对温度，绝对温度和摄氏温度的换算关系为T(K)＝273.15+t(℃)；q为电子电量，q＝1.6×10^-19。因此，通过上式可以计算获得温度信息。

本发明在先申请的专利号CN201911345207.1所述的校准方法的基础上，本发明通过硬件上的检测校准电路包括发光管的压降检测、发光管的电流检测以及针对接收管的跨导放大器的校准电路，以及结合软件补偿方法包括从检测发光管压降推算当前温度较工厂常温校准值的偏差、根据检测到的发光管驱动电流来调整电流至预期标称电流值以及根据接收管跨导放大器增益误差来补偿接收信号，实现了光电式烟雾探测器的自校准和补偿，克服了温度传感器带来的弊端，并且克服了光学器件之间的误差以及温度和老化带来的误差，使光电式烟雾探测器稳定工作于不同的环境中，保证了产品的一致性。

Claims (10)

1.一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路，其包括发光管和接收管；

其特征在于：所述发光管与电流传感电阻相串联，串联后的整体一端连接发光管电源，另一端连接发光管驱动模块，所述发光管的两端分别通过第一输入选择开关与第三放大器的两个输入端连接，所述电流传感电阻的两端分别通过第一输入选择开关与第四放大器的两个输入端连接，所述第三放大器和第四放大器的输出端均通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与数字电路模块连接，所述数字电路模块与处理器连接，所述数字电路模块还与数模转换器的输入端连接，所述数模转换器的输出端与发光管驱动模块连接；当所述发光管的数量为M时，每个发光管均采用上述电路,M的取值为大于等于1的自然数；

所述接收管的正极端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接，所述接收管的负极端通过第一输入选择开关与第一放大器的正极输入端连接，所述第一放大器的负极输入端与输出端之间连接有跨导电阻，所述第一放大器与跨导电阻构成跨导放大器，所述第一放大器的正极输入端还连接至第一参考电压，所述第一放大器的输出端通过第二输入选择开关与模数转换器的输入端连接；所述电路还包括校准电阻，所述校准电阻的一端通过第一输入选择开关连接至第二参考电压，另一端通过第一输入选择开关与第一放大器的负极输入端连接；

所述第一放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述三个放大器的功能,N的取值为1或2或3；

所述数字电路模块还分别与第一输入选择开关、第二输入选择开关连接；所述处理器用于通过数字电路模块分别控制第一输入选择开关和第二输入选择开关的通路选通，还用于通过数字电路模块接收模数转换器的输出值、向数模转换器输出设置值。

2.根据权利要求1所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿电路，其特征在于：所述电路还包括热敏电阻，所述热敏电阻一端通过上拉电阻连接至电源，并通过第一输入选择开关与第二放大器的正极输入端连接，另一端接地，并通过第一输入选择开关与第二放大器的负极输入端连接；

所述第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器可实际采用N个放大器结合第一输入选择开关通过通路选通来实现上述四个放大器的功能，N的取值为1或2或3或4。

3.基于权利要求1或2所述的电路的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1.烟雾传感器上电、初始化后进入烟雾传感模式；

步骤2.处理器读取检测数据，具体包括：读取接收管数据、检测发光管驱动电流、检测发光管压降；

步骤3.处理器通过读取接收管数据，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据；

步骤4.处理器通过检测发光管压降，获取温度漂移值，用于后续的补偿系数计算；

步骤5.处理器通过检测发光管驱动电流，将发光管驱动电流调整至标称电流；

所述步骤3、步骤4、步骤5之间可按任意步骤顺序执行；

步骤6.处理器对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆′以及接收管的效率变化系数k′₁，计算补偿后的功率传输比PTR′；

步骤7.处理器进行烟雾检测及判断流程。

4.根据权利要求3所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述步骤3中通过读取接收管数据，获取跨导放大器增益系数k₃并补偿接收管数据，具体为：处理器控制第一输入选择开关将第一放大器与校准电阻连接，并与接收管断开，则

这里VREF1为第一参考电压、VREF2为第二参考电压、R_cal为校准电阻值，V₁是模数转换器的测量值；然后处理器计算获得增益系数k₃，k₃为R_f理想值与校准值的比值

5.根据权利要求4所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述步骤4中通过检测发光管压降，获取温度漂移值，用于后续的补偿系数计算，具体为：第三放大器测量发光管两端的压降并放大再经模数转换后发给处理器，然后处理器计算得到温度漂移值

其中V_d0为出厂测试的正向压降，V_d1为实际测得的发光管两端的压降，TC_V为发光管的压降随温度变化系数。

6.根据权利要求5所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述步骤5中通过检测发光管驱动电流，将发光管驱动电流调整至标称电流，具体为：第四放大器测量电流传感电阻两端的电压值并放大再经模数转换后发给处理器，然后处理器通过数模转换器来调整发光管驱动模块的输出电流使得发光管驱动电流等于标称电流。

7.根据权利要求6所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述步骤6中对烟雾传感器进行校准，获取发光管亮度随温度的变化系数k₆′以及接收管的效率变化系数k′₁，计算补偿后的功率传输比PTR′，具体为：处理器计算得到最终补偿后的功率传输比

其中PTR₀为出厂时的功率传输比，C为产线校准获取的系统补偿系数，k_3o为产线校准时获取的接收管后端的跨导放大器的增益系数,令k′₂＝1；k′₁为接收管的效率变化系数，先由温度漂移值ΔT根据TC_λ计算得到波长变化Δλ＝ΔT×TC_λ，再根据Δλ和接收管的响应曲线获得k′₁，TC_λ表示发光管的波长随温度变化系数；发光管亮度随温度的变化系数k₆′＝1+ΔT×TC_I，其中TC_I为发光管的亮度随温度变化系数。

8.根据权利要求7所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：处理器中还设置有校准系数表格，所述校准系数表格用于更新保存不同温度下发光管两端的压降、增益系数k₃、接收管的效率变化系数k′₁、发光管的亮度随温度的变化系数k₆′的值。

9.根据权利要求8所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述方法还包括离线校准步骤，所述离线校准步骤具体为：首先校准跨导放大器，然后使用双电流校准温度，最后记录校准数据并更新校准系数；所述校准跨导放大器和双电流校准温度这两个步骤之间可按任意步骤顺序执行。

10.根据权利要求9所述的一种用于光电式烟雾探测器的自校准、补偿方法，其特征在于：所述步骤2中处理器读取检测数据还包括：处理器通过第二放大器测量热敏电阻两端电压，获取温度传感器值；所述离线校准步骤还包括获取温度传感器值。

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