CN1151018A - 检测粒子的传感器 - Google Patents

Abstract

从发光元件发出的光用透镜转换成为平行光，一个光接收元件检测由于在沿平行光的光路发散的扇形场图内存在粒子而出现的散射光。由于使用平行光，漫射光在有限的空间可以被处理掉。此外，因为可以利用扇形场图检测由于粒子存在而出现的平行光的散射光，所以可以以高信噪比完成对大量空气的粒子检测。

Description

检测粒子的传感器

本发明涉及一种用于检测诸如含在由火灾产生的烟雾中或空气中的灰尘的粒子的检测粒子传感器。更具体地讲，本发明涉及一种用于通过检测由于粒子而产生的散射光来检测该粒子的存在的光电粒子检测传感器。

一般说来，诸如高敏感度的烟雾传感器或灰尘监测器的粒子检测传感器由光源向一个检测区发出一束光，检测在该检测区由于粒子的存在而产生的散射光并因此检测这些粒子的存在。发光二极管(LED)，半导体激光器(LD)、氙灯或类似器件被用作光源。由于粒子的存在而产生的散射光非常之弱，弱得要可靠地检测粒子需要使用可以发出大量的光的光源。

然而，许多可以发出大量光的光源通常具有产生大量的热并且出现高温这样的特征。当温度升高时就可能无法发挥理想的发射光的特性。

由光源发射出的光束成锥形状发散开或汇聚到一点，而后投射到检测区。如果使用锥形发射光束，则可以设定一大范围的检测区。然而，因为光被辐射到一大范围内，所以光在检测区的内表面或类似部位被反射。即使在检测区不存在粒子时，被称为漫射光的、不是散射光的光也容易被光接收器检测到。为了构成一个具有高信噪比的光学系统，需要用于处理漫射光的大空间。这导致粒子检测传感器尺寸的增大。另一方面，当采用点汇聚时，尽管可以构成一种可以提供高信噪比的光学系统，检测区还是被缩小至最低限度。因此，这种技术对于其目标为大量空气的粒子检测是不适宜的。

如上所述，就已知的粒子检测传感器而论，当使用锥形发射光束时，所出现的问题是除非将整个传感器尺寸作得很大，否则不能获得高信噪比。当使用汇聚到一点的光束时，所出现的问题是检测大量空气中的粒子变得困难。

在已知的粒子检测传感器中，还存在另外的问题，这就是由于在光源被驱动时出现温度上升而使得不能获得理想的光发射特性，并且甚至不能可靠地对粒子进行检测。

本发明致力于解决以上这些问题。本发明的任务就是提供一种虽然设计得结构紧凑仍然可以可靠地以高信噪比检测大量空气中的粒子。

根据本发明的第一个方面的粒子检测传感器是一种用于检测诸如包含在由火灾产生的烟雾中或空气中的灰尘的粒子的光电粒子检测传感器，该传感器包括一个光发射装置，一个用于将由该光发射装置发出的光转换成为平行光或准直光的光学装置，以及一个具有沿被该光学装置转换的该平行光的光路发散的扇形场图并且检测由于在该场图在范围内存在的粒子而出现的该平行光的散射光的光接收装置。

根据本发明的第二个方面的粒子检测传感器是一种用于检测诸如包含由在火灾产生的烟雾中或空气中的灰尘的粒子的光电粒子检测传感器，该传感器包括一个光发射装置，一个用于将由该光发射装置发出的光转换成平行光的光学装置，一个用于检测由于在由该光学装置转换的平行光的光路中存在粒子而出现的该平行光的散射光的光接收装置，以及一个具有一个包括一个该平行光从中穿过进入的孔的类似密封盒的结构的光捕获单元。

根据本发明的第三个方面的粒子检测传感器是一种用于检测烟雾或诸如被吸入的空气中的灰尘的粒子的粒子检测传感器，该传感器包括一个具有一个被限定在其内部的光学室，包括一个从其中通过将空气从该传感器外部送入该光学室的空气进口和一个从其中通过使空气从该光学室流出到该传感器之外的空气出口，并且形成一个被吸入该光学室的空气的通道的箱体，一个被设置在该光学室之内的空气通道的附加的光发射装置，以及一个用于检测由于在空气中存在粒子而出现的由该光发射装置发出的光的散射光的光接收装置。

图1是显示根据本发明的第一个实施例的粒子检测传感器的侧面剖视图；

图2是显示第一实施例的粒子检测装置的前视图；

图3是显示用于第一实施例的光阑的前视图；

图4显示了一个光路，说明在第一个实施例中光捕获单元的1作；

图5是显示用于根据第二个实施例的粒子检测传感器的圆柱形透镜的透视图；

图6是以图示方式显示应用于根据第三个实施例的粒子检测传感器的光捕获单元的剖视图；

图7是显示应用于根据第四个实施例的光捕获单元的剖视图；

图8是显示根据第五个实施例的粒子检测传感器的侧面剖视图；

图9是显示根据第五个实施例的粒子检测传感器的光发射单元的横断面的平面剖视图；

图10A和10B是分别显示应用于第六个实施例的粒子检测传感器的空气引入单元的正常状态及其引入热空气流所处的状态的侧面剖视图；以及

图11是显示根据第七个实施例的粒子检测传感器的侧面剖视图。

以下，将结合附图对本发明的一些实施例加以描述。

第一个实施例

图1和2分别是本发明的第一个实施例的粒子检测传感器的剖视图和前视图。光学室10a被限定在箱体10的内部。作为粒子检测对象的室内的空气或类似物被吸入所通过的进口8设置在箱体10的一端。光发射元件1被放在进口8之内，透镜2被固定在光发射元件1之前。可以使用半导体激光器(LD)、发光二极管(LED)或类似器件作为光发射元件1。透镜2用作将由光发射元件1发射的光转换成准直光或平行光3的光学元件。透镜2还可以是一个单片透镜(例如一片非球面透镜)。当使用一个透镜组件作为透镜2时，可以形成高精度的平行光3，通过将一个光阑(针孔)插在该透镜的前面，可以产生几乎不闪烁的光。例如，将光发射元件1和透镜2封装在一个带有一个平行光3从中穿过的孔的装有底的圆筒形支架11之中，所述孔形成在该支架的前侧。支架11由一系列支柱(未示出)支撑在整体伸出的一个圆筒形通道之内。

为防止平行光3直接进入起见，将光接收元件4放置在一个远离平行光3的光路的一个位置上。光接收元件4的取向相对于平行光3的光路呈一给定的角度。多个光阑5被设置在光接收元件4的前面。如图3所示，每一个光阑5都具有一个细长矩形5a并且其位置被设置得使孔5a的纵向平行于载有图1的纸页。位置设置得距光接收元件4最远的光阑5的孔5a长度最大，而位置被设置得距光接收元件4最近的光阑5的孔5a的长度最小。所有光阑5的孔5a的宽度都被设置为某一个值。这样，光接收元件4就具有一种扇形场图(视界)6，这种场图6与已知的锥形场图不同，它沿平行光3的光路发散并具有与光阑5的孔5a相同的宽度。孔5a的宽度越小，阻止漫射光进入光接收元件4的作用就越强。根据由光发射元件1发出的平行光的尺寸将孔5a的宽度设置为一个适当的值。

光捕集单元7形成于箱体10的另一端并且与光发射元件1和透镜2相对。光捕集单元7具有一个大体上密封的盒状结构，但具有一个位于平行光3的光路上的孔7a。孔7a的尺寸稍大于平行光3的横断面并被设置为一个不使平行光3射到孔7a的周边的值。在光捕集单元内部形成的反射率低的第一至第四反射面7b至7e。第一反射面7b与平行光3的光路倾斜，使得通过孔7a进入的平行光3将被朝向第二反射面7c反射。第二反射面7c和第三反射面7d彼此平行。第四反射面7e将第二和第三反射面7c和7d的端部彼此连接，以便阻断光路。在孔7a和第一反射面7b之间插置有若干鳍板7f，这些鳍板分布在通过孔7a进入的平行光3的光路的周边上。

通过进口8吸入的空气的通道形成在被放在进口8内部的光发射元件1和透镜2的整个外周边在范围内。在光捕集单元7之中相毗邻的鳍板7f之间的壁上形成空气通道7g。与通道7g连通的出口9形成在箱体10的另一端。当使用一个抽吸单元或类似装置(未示出)将空气从房间抽取并使空气通过进口8流入时，空气沿着形成于光发射元件1和透镜2的外周边范围内的通道通过(如在图1中用断续线所示)，穿过箱体10，通过孔7a进入光捕集单元7，而后通过通道7a和出口9流出到粒子检测传感器之外。

箱体10的空气进口8和空气出口9分布在允许气流充分通过光接收元件4的视场的位置上。

其次，将描述根据第一个实施例的粒子检测传感器的工作。首先由一个未示出的电源将给定的功率供给光发射元件1(例如周期性地)，使得光发射元件1周期性地发光。由光发射元件1发出的光通过透镜2成为平行光3并沿直线朝向光捕集单元7的孔7a射出。此时，因为平行光3是由透镜2产生的，所以由于箱10的内壁或类似部分而出现并产生漫射光的反射光几乎不能进入光接收元件4。穿过光接收元件4的场图的平行光3通过孔7a进入光捕集单元7。

如图4所示，穿过孔7a的平行光3到达光捕集单元7的第一反射面7b。当光由于反射面7b的角度而被反射朝向第二反射面7c之后，全部光由第二反射面7c进一步被反射朝向第三反射面7d。只要平行光3是完全平行的光，可以将第三反射面7d的端部与第一反射面7b之间的间隔设定为一个与孔7a的尺寸相等的值。然而，因为在光学系统制造过程中光有可能出现轻微的发散或汇聚，所以该间隔的宽度必须是以根据产品质量的波动使光通过，并且该间隔必须使被第二反射面7c反射的全部光到达第三反射面7d。被第三反射面7d反射的光向后被具有相互平行的位置关系的第二反射面7c和第三反射面7d重复反射并在向后到达第四反射面7e。反射面7e至7e被制成低反射率的面。随着反射次数的增加，被反射的光在数量上逐渐衰减。

被第四反射面7e反射的光在被第二反射面7c和第三反射面7d重复反射的同时返回。然而，因为主光束在光捕集单元7中将不受与该光束垂直的平面的反射，所以该光束将不把同一光路追溯到光发射点。如果第二反射面7c和第三反射面7d没有彼此平行的位置关系，在它们之间所进行的反射次数会减少。这导致了衰减的光的量的减少。因此，第二反射面7c和第三反射面7d最好彼此平行。

如上所述，当光在光捕集单元7中被那些反射面反射时，光在数量上衰减。尽管如此，某些光在被重复反射时仍然试图返回孔7a中。大部分光被一系列鳍板7f反射，返回到光捕集单元7中并在而后衰减。如果某些光没有受到鳍板7f的阻拦而是穿过孔7a从光捕集单元7中发射出去，那么由于这一系列鳍板7f的作用而被限制在朝向光发射元件1和透镜2的方向上并且将不能进入光接收元件4中。在箱体10中不存在粒子的状态下由光接收元件4发出的输出信号是非常小的。因为与出口9连通的排气口7g是形成在光捕集单元7中，所以即使外来光通过出口9进入粒子检测传感器，外来光也会按照与以上平行光3一样的方式在光捕集单元7中消失。因此，外束光不会影响对粒子的检测。这意味着可以减少漫射光并实现高信噪比检测。

当使用一台抽吸单元或类似设备(未示出)抽吸作为粒子检测目标的室内空气或类似物时，在以上状态下，该空气通过形成在发光元件1和透镜2的外周边的通道由支架11的后端朝向其前端流动，而后流向光捕集单元7的孔7a。简言之，空气是沿平行光3的光路流动。此时，由于在空气流中存在粒子而出现平行光3的散射光。散射光被光接收元件4捕获。而后光接收元件发出一个检测输出信号。

如上所述，当光发射射元件1发射平行光3时，如果进口8设置在光发射元件1附近，出口9设置在平行光3的前进方向的扩展的范围，也就是平行光的光路(光轴)延伸部分的附近时，空气的通道可以形成在平行光3附近。因此，该光路和空气通道可以相互重叠。因此，光是由光发射元件1向空气通道发射。可以将烟雾可靠地输送到作为检测区的场图6中。箱体10的内壁受空气流污染的情况是可以避免的。因为进口8是位于光发射元件1之后，所以，支架11中的透镜2将不会受到污染。

光接收元件4具有由于一系列光阑5而沿平行光3的光路发散的扇形场图6。因此，光接收元件4可以有效地检测在沿平行光3的光路的大范围内出现的散射光并获得很大的光接收强度。这使得有可能加宽成扇形的光接收元件4的场图，换句话讲，由于因使用平行光3而几乎不存在漫射光，可以将光接收元件4的视角放大。因为可以在沿平行光3的光路扩展的很大的检测区域内检测粒子，所以这种粒子检测传感器尽管结构紧凑但仍然可以同时以高信噪比完成对大量空气的粒子检测。

因为容纳有光发射元件1和透镜2的支架11被放置在被抽取的空气的通道中，所以光发射元件1被经过支架11的气流强制地和自动地冷却。即使被用作发光元件的是一种以产生大量热或呈现出高温为其特征的装置，例如半导体激光器，发光元件1仍然可以令人满意地工作。

当支架11的柱筒被制作成类似薄翼状并且是用热辐射能力高的材料制成时，它的热辐射效果得到了改善。这些翼状柱筒确定了待吸入的空气的体积，也就是说确定了流量速率。

第二个实施例

代替用于第一实施例中的一系列光阑5，可将图5所示的圆柱状透镜15放在光接收元件4的前面。要将圆柱状透镜15放置得使圆柱状透镜15的圆柱轴线A垂直于载有图1的纸片，借此，可以按照与第一实施例相同的方式形成扇形场图6。因为只使用一个圆柱状透镜就足够了，所以保证了装置结构简单。可以将一些每一个都具有象图3所示那样的孔的光阑与圆柱状透镜组合起来使用。

第三个实施例

在第一实施例中，平行光3是按照直角通过孔7a进入光捕集单元7中的。如图6所示，粒子检测传感器可以具有这样一种结构，这种结构使得平行光3沿着相对与孔17a成直角的方向倾斜一个角度α的方向通过孔17a进入捕集单元17。这个实施例实际上延长了光捕集单元17中反射面之间的距离并减少了通过孔17a返回的光的量。这种作用随着光捕集单元17的高度H的增加而加强。在光捕集单元17中，按照与第一实施例的光捕集单元7中的反射面相同的方式设置一系列反射面。在图6中省略了这些反射面。

第四个实施例

在图4所示的第一实施例的光捕集单元7中，在反射面可以与通过孔7a进入的平行光3平行的那些位置上形成了相互平行的第二和第三反射面7c和7d。从图7所示的光捕集单元27中可以清楚地看出，可以将相互平行的第二和第三反射面27c和27d设置得与通过孔27a进入的平行光3垂直。第三反射面27d毗邻第一反射面27b。第四反射面27e将第二和第三反射面27c和27d的端部相互连接起来，以便阻断光路。在第一反射面27b和孔27a之间插置一系列的鳍板27f。这种结构甚至发挥了与第一实施例的光捕集单元7同样的作用。根据整个粒子检测传感器的结构，可以选择图4和7所示的光捕集单元之中的一个。

第五个实施例

在第一个实施例中，产生一空气流，从容纳发光元件1和透镜2的圆筒形支架的后端流向其前端。如图8所示，可以形成一个由进口18向内凸出的圆筒形通道18a，使得通过进口18吸入的空气可以在与圆筒形光发射单元21成直角的方向上流动。在与通道18a中的空气流平行的光发射单元21的整个外周边形成一系列冷却鳍板22。如图9所示，由于光发射单元21垂直地贯穿通道18a，所以通道18a被划分为位于光发射单元21的两侧的几部分。发光元件1和透镜2被组装在光发射单元21中。一个驱动电路23与光发射元件1相连接。

由于采用了前面所述的结构，通过进口18吸入的空气充分地与按与空气流平行的方式设置的冷却鳍板22接触，以便强制地和自动地冷却光发射单元21。而后，该空气流从光发射单元21末端附近被引入光学室20a。这改善了光发射单元21并最终改善了对发光元件1的冷却作用。即使用作发光元件1的是以产生大量热或高温为其特征的装置，例如半导体激光器，发光元件1仍然可以令人满意地工作。

第六个实施例

在第五个实施例的粒子检测传感器中，如图10A所示，可以在用于将空气从外面吸入该传感器的空气引入单元中形成一个空气流的旁路管12，并且可以在通道18a和旁路管12之间设置一个用于限制空气流动的截止装置13。截止装置13是用一种已知形状的记忆材料制造的。如图10A所示，在常温下，截止装置13是处于伸展状态，以便切断进口18和旁路管12之间的连通并使进口18与通道18a连通。在超过给定温度的高温下，如图10B所示，截止装置13弯曲，切断进口18和通道18a之间的连通并使进口18与旁路管12连通。

由于使用了截止装置13，在正常状态下，可以使通过进口18吸入的空气沿通道18a流动，以便冷却光发射单元21。当由于发生火灾或类似情况高温热气流通过进口18流入时，截止装置13可以弯曲，将热气流通过旁路管12引入光气室20a中。因此，这可以防止光发射单元21由于热气流而被加热。此外，利用通过旁路管12引入的空气还可以检测烟雾或类似物。

第七个实施例

在以上这些实施例中，空气都是从发光元件1附近被引入箱体10或20的，空气的排气口7g形成在光捕集单元7中。这样，在相关的附图中用断续线表示的空气流是沿发光元件1发出的平行光3的光路产生的。如图11所示，可以形成一个通道，使得空气流在光接收元件4的检测区与平行光3的光路相交。两者都是圆筒状的吸入管道32和排出管道33分别与入口28和出口29相连。每一个都是长缝隙状并且空气流从中穿过的孔32a和33a分别形成在吸入管道32和排出管道33的末端。孔32a和33a彼此平行并彼此相对，从发光单元31发出的平行光3的光路就这两孔之间。该光路和空气通道不是在一点相会，而是沿直线相会。被吸入的空气沿着图11中以间断线表示的通道从入口28流到出口29。在光接收元件4的检测区中，空气相对于平行光3的光路倾斜地流动。甚至于这种结构使得光接收元件4可以检测由于于空气中存在粒子而出现的散射光。窄缝状孔32a和33a被用来获得横断面为窄缝图形的空气流。这将增加烟雾通道的高度，以使避免由于通道横断面积的减少而产生压强损失。

另一方面，每一个形状都象一条长窄缝的进口和出口可以形成在包含从发光装置发出的平行光的光路的平面与箱体相交的位置上。例如，在图11中，吸入管道32与载有图11的纸页平行。换句话讲，吸入管道可以安装在箱体30的右手侧外壁和左手侧外壁每一个之上，使吸入空气的通道可以制作得垂直于载有图11的纸页。这种可供选择的结构还可以将吸入的空气引导至平行光并因而可以可靠地检测烟雾。

到目前为止一直描述的是将发光元件放在进口附近所采用的结构。另一种可供选择的方式是可以将发光元件放置在空气的出口附近，而空气的入口可以设置在从发光元件发出的光的光路的延伸部分。

Claims (20)

1.一种用于检测诸如含在由于火灾而生成的烟雾中或者含在空气中的灰尘的粒子的光电粒子检测传感器，该传感器包括：

一种发光装置；

一种用于将由所述发光装置发出的光转换为平行光的光学元件；以及

一种光接收装置，该装置具有一个沿被所述光学元件转换成的平行光的光路发散的扇形场图，并且可以检测由于在所述场图范围内存在粒子而出现的散射光。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器还包括一个用于容纳安装所述发光装置、所述发光元件和所述光接收装置的箱体，该箱体加工有一个空气入口和一个空气出口，形成了一条从所述空气入口穿过所述箱体到所述空气出口的空气通道，以便检测空气流中粒子的存在。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于所述发光装置被放置在从所述空气进口到所述空气出口的空气通道附近。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于所述发光装置被放置在由所述空气进口凸出进入所述箱体内部的空气引入圆柱筒内。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于所述空气入口和所述空气出口之一被设置在所述发光装置附近，而其中另一个被设置在由所述发光装置发出的光的光路的延伸部分附近，所述发光装置将光发射到空气通道。

6.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于该传感器还包括一个被设置在空气通道内并且形状类似一个前端开口的圆柱筒以及将发光装置保持在其内部的支架。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于所述支架在其外周边带有若干冷却鳍板。

8.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于该传感器还包括一个用于在热空气流通过所述空气进口流入时切断流向所述发光装置附近的空气流的截止装置。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于当有热气流流入时，所述截止装置将空气流通过旁路管引导至所述发光装置的前方。

10.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于所述空气进口和所述空气出口每一个的形状都类似于一条窄缝，形成于所述空气进口和所述空气出口之间的空气通路与由所述发光装置发出的光的光路相交汇。

11.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于该传感器还包括一个光捕集单元，该单元被放置在所述发光装置前面，被设计用于防止已通过所述光接收装置的场图区域的平行光进入所述光接收装置。

12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于所述空气进口和所述空气出口的之一形成于所述光捕集单元之内。

13.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于所述光接收装置包括一个光接收元件和一系列被放置在所述光接收元件前方以便形成扇形场图的光阑。

14.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于所述光接收装置包括一个光接收元件和一个被放置在所述光接收元件前面以便获得一种扇形场图的圆柱形透镜。

15.  一种用于检测诸如含在由于火灾而生成的烟雾中或含在空气中的灰尘的粒子的光电粒子检测传感器，该传感器包括：

一个发光装置；

一个用于将由所述发光装置发出的光转换成平行光的光学元件；

一个用于检测由于在由所述光学元件转换成的平行光的光路中存在粒子而出现的平行光的散射光的光接收装置；以及

一个具有包括一个所述平行光进入并从中穿过的孔的密封的盒式结构的光捕集单元。

16.根据权利要求15所述的传感器，其特征在于所述光捕集单元具有一个包括一个业已通过所述光接收装置的场图的平行光从中穿过进入的孔的密封的盒式结构，一个用于接收所述平行光的第一反射面，彼此平行的第二和第三反射面，以及一个用于将所述第二和第三反射面相互连接并用于阻断光路的第四反射面，业已通过所述孔进入并被所述第一反射面反射的平行光入射到所述第二反射面上并且在被所述第二反射面和第三反射反复反射面的逐渐衰减。

17.根据权利要求16所述的传感器，其特征在于所述光捕集单元包括一系列位于所述孔后面并被分布在通过所述孔进入的平行光的光路的周围的鳍板。

18.一种用于检测烟雾诸如包含在被吸入空气中的灰尘的粒子的粒子检测传感器，该传感器包括：

一个具有一个被限定在其内部的光学室的箱体，该箱体包括一个空气由所述传感器的外部被吸入进入所述光学室从中穿过的空气进口和一个使空气从所述光学室流出到所述传感器之外从中穿过的空气出口，形成了一个被抽入所述光学室的空气的通路；以及

一个被设置在所述光学中的空气通路附近的发光元件；以及

一个用于检测由于空气中存在粒子而出现的从所述发光元件中发出光的散射光的光接收元件。

19.根据权利要求18所述的传感器，其特征在于所述空气进口和所述出口之一被设置在所述发光元件附近，而另一个被设置在由所述发光元件发出的光的光路的延伸部分附近，形成一个空气通路重叠于由所述发光元件所发出的光的光路之上。

20.根据权利要求18所述的传感器，其特征在于所述空气进口和所述空气出口彼此相对，从所述发光元件发出的光的光路就处在它们之间，它们的形状类似相互平行的狭缝，一个形成于所述空气入口和所述空气出口之间的空气通道沿直线与所述光路交汇。

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