CN117664922A - 气溶胶传感器组件 - Google Patents

Abstract

提供了一种耦合到气溶胶传感器的电路板的集成光学组件。所述集成光学组件包括介质，所述介质包括第一平面、第二平面和第三平面，其中所述第一平面邻近于检测区域，所述第二平面围绕光电传感器定位，并且所述第三平面与由所述第一平面和所述第二平面的相交形成的角度相对。集成光学组件进一步包括被配置在第一侧壁上的第一透镜，所述第一透镜被配置为接收来自检测区域的入射光并将入射光通过介质聚焦到反射器上，被配置在第三侧壁上的反射器，所述反射器被配置为将入射光朝向第二透镜反射，所述第二透镜被配置在第二侧壁上，所述第二透镜被配置为接收来自反射器的入射光并将入射光聚焦到光电传感器。

Description

气溶胶传感器组件

技术领域

本公开的示例实施例总体上涉及气溶胶传感器，并且特别地，涉及包括反射器和透镜外壳的集成光学组件。

背景技术

热失控是在电动车辆中使用电池的主要风险之一。当在电池中产生由物理损坏、过热、过度充电或维护不善而引起的内部短路时，可能会发生热失控。短路可能会在电池的一个或多个单体（cell）内引起连锁反应，这引起过热并释放有毒气体。气溶胶传感器可以用于通过检测从电池生成的气溶胶（例如，烟、液滴）来检测潜在的热失控。然而，申请人已经认识到传统气溶胶传感器的技术挑战和困难，使得它们不适用于车辆电池。

发明内容

本文描述的各种实施例涉及用于检测气溶胶的组件、装置和系统。

根据本公开的各种实施例，提供了耦合到气溶胶传感器的电路板的集成光学组件。在一些实施例中，所述集成光学组件包括介质，该介质包括第一平面、第二平面和第三平面，其中所述第一平面邻近于检测区域，所述第二平面围绕光电传感器定位，所述第三平面与由所述第一平面和所述第二平面的相交形成的角度相对。集成光学组件可以进一步包括：第一透镜，被配置在第一平面上，所述第一透镜被配置为接收来自检测区域的入射光并将入射光通过介质聚焦到反射器上；反射器，被配置在第三平面上，所述反射器被配置为将入射光朝向第二透镜反射；以及第二透镜，被配置在第二平面上，所述第二透镜被配置为接收来自反射器的入射光并将所述入射光聚焦到光电传感器。

在一些实施例中，第一透镜和第二透镜可以每个都包括透光材料，所述透光材料包括两个相对的弯曲表面。在一些实施例中，反射器可以包括镜子或反射表面。在一些实施例中，该角度可以大于90°并且高达135°。在一些实施例中，该角度可以是90°。在一些实施例中，该角度可以小于90°。

根据另一个实施例，提供了一种气溶胶感测系统。在一些实施例中，气溶胶感测系统包括包含采样空间的检测区域、被配置为将光投射到检测区域的光源、被配置为至少部分基于由光源投射的光接收来自检测区域的入射光并将入射光引导到光电传感器的集成光学组件，所述光电传感器被配置为接收来自集成光学组件的入射光并将接收的入射光转换成电信号。

在一些实施例中，电信号可以代表入射光的特性。在一些实施例中，电信号可以是由计算设备的处理器或电路可使用的，以至少部分基于入射光来检测检测区域中的气溶胶。在一些实施例中，光源可以包括半导体光发射器。在一些实施例中，半导体光发射器可以包括以下中的至少一个：发光二极管或半导体激光二极管。在一些实施例中，光电传感器可以包括光敏器件。在一些实施例中，光敏器件可以包括以下中的至少一个：光电二极管、光电集成电路二极管、光电晶体管、光电倍增管或光电三极管。在一些实施例中，光电传感器可以进一步被配置为生成与颗粒数量、颗粒大小和颗粒浓度相关联的电信号。在一些实施例中，集成光学组件可以包括反射器和至少一对透镜。在一些实施例中，集成光学组件可以包括面向检测区域的第一透镜，所述第一透镜被配置为接收来自检测区域的入射光，并将入射光聚焦到反射器上。在一些实施例中，所述集成光学组件可以包括反射器，所述反射器被配置为将聚焦的入射光反射到第二透镜。在一些实施例中，集成光学组件可以包括围绕光电传感器定位的第二透镜，所述第二透镜被配置为接收来自反射器的入射光，并将入射光聚焦到光电传感器。在一些实施例中，集成光学组件可以包括外壳以及在外壳的给定侧壁上的多个孔口。

根据另一个实施例，提供了一种气溶胶传感器。在一些实施例中，气溶胶传感器包括被配置为至少部分地基于光电传感器生成的电信号来生成气溶胶检测信号的电路板，经由保持器耦合到电路板的集成光学组件，所述集成光学组件包括输入侧壁和输出侧壁，所述保持器包括将集成光学组件定位在相对于光源和光电传感器的静止定位的固定装置，所述光源耦合到电路板并与集成光学组件的输入侧壁接合，所述光源被配置为将光投射到保持器的至少一部分，并且使与所投射的光相关联的入射光在输入侧壁处被接收到集成光学组件中，所述光电传感器耦合到电路板并且与集成光学组件的输出侧壁接合，所述光电传感器被配置为经由输出侧壁接收来自集成光学组件的入射光并且将入射光转换成电信号。

在以下详细描述及其所附附图中，进一步解释了前述说明性概述以及本公开的其他示例性目的和/或优点，以及实现这些目的和优点的方式。

附图说明

可以结合所附附图来阅读说明性实施例的描述。应当领会，为了说明的简单和清楚，附图中图示的元件不一定是按比例绘制的，除非另有说明。例如，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，除非另有说明。关于本文呈现的附图示出和描述了结合本公开的教导的实施例，其中：

图1图示了根据本文描述的一些示例性实施例的示例性气溶胶感测系统；

图2A图示了根据本公开的一些实施例的集成光学组件的示例性元件；

图2B图示了根据本公开的一些实施例的集成光学组件的示例性元件；

图3和图4图示了根据本公开的各种实施例的示例性集成光学组件的视图；

图5图示了根据本公开的各种实施例的集成光学组件；

图6图示了根据本公开的各种实施例的示例性气溶胶传感器的分解图；

图7图示了根据本公开的各种实施例的示例性气溶胶传感器的一部分的截面图。

具体实施方式

现在将在下文中参考所附附图更全面地描述本公开的一些实施例，附图中示出了本公开的一些但非全部实施例。实际上，这些公开内容可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的数字始终指代相同的元件。

如本文所使用的，诸如“前”、“后”、“顶”等的术语在下面提供的示例中用于解释目的，以描述某些组件或组件部分的相对定位。更进一步地，根据本公开，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，术语“基本上”和“大约”指示所引用的元件或相关联的描述在可应用的工程公差内是精确的。

如本文所使用的，术语“包括”意味着包括但不限于，并且应该以其在专利上下文中通常使用的方式来解释。诸如包括、包含和具有的更广泛术语的使用应该被理解为对诸如由……组成、大体上由……组成和基本上由……构成之类的更狭义术语的支持。

表述“在一个实施例中”、“根据一个实施例”等通常意味着该表述之后的特定特征、结构或特性可以被包括在本公开的至少一个实施例中，并且可以被包括在本公开的多于一个实施例中（重要的是，这样的表述不一定指代同一实施例）。

词语“示例”或“示例性的”在本文中用于意指“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实现不一定被解释为优选于或优于其他实现。

如果说明书陈述了“可以”、“能够”、“可能”、“应该”、“将”、“优选地”、“可能”、“典型地”、“可选地”、“例如”、“经常”或“也许”（或其他这样的语言）包括组件或特征或具有特性，则不要求包括特定的组件或特征，或者具有该特性。这样的组件或特征可以可选地被包括在一些实施例中，或者可以被排除。

气溶胶传感器在其中需要检测气溶胶的应用中可以是有用的。这样的应用可以是在电动车辆的电池组中，其中诸如烟雾、液滴和其他颗粒的气溶胶的存在可以指示热失控。

如上所述，存在与当前的气溶胶传感器相关联的许多技术挑战和困难。常规的气溶胶传感器没有设计成承受可能与移动车辆应用相关联的冲击或振动以及温度变化。也就是说，在存在这样的应力的情况下，常规的气溶胶传感器容易发生组件错位甚至损坏，这可能影响和妨碍检测精度。因此，在设计可以用于电动车辆电池的气溶胶传感器和组件时，需要克服这样的挑战和困难。

气溶胶传感器可以包括包含光源和光电传感器的设备。所述光源可以将光发射到检测区域中，在该检测区域中，可以使用光电传感器检测存在气溶胶时的光散射。

现在参考图1，描绘了根据一个实施例的示例性气溶胶感测系统。气溶胶感测系统100包括光源102、集成光学组件104和光电传感器106。如所描绘的，光源102可操作以将光投射到检测区域118。光源102可以包括半导体光发射器，诸如发光二极管（LED）或半导体激光二极管。光源102可以被配置为发射预定波长的光，包括红外光、红光、绿光、蓝光和紫外光。

检测区域118可以包括用于从周围环境中采样空气的孔口、通道或开口。检测区域118中气溶胶粒子的存在可以散射或偏转由光源102投射的光。因此，散射光可以指示气溶胶的存在。来自检测区域118的入射光110可以被接收到集成光学组件104的介质中，并且被导向光电传感器106。所述介质可以包括透光材料，诸如玻璃或塑料（例如PMMA或聚碳酸酯）。在一些实施例中，介质可以包括气腔。入射光110可以包括由光源102投射到检测区域118中的光的至少一部分，检测区域118包括在存在气溶胶粒子108时的任何光散射，并且因此捕获气溶胶的存在。

如本文所述，光电传感器可以包括光敏器件，诸如光电二极管、光电集成电路二极管、光电晶体管、光电倍增管或光电三极管。光电传感器106可以被配置为接收来自集成光学组件104的入射光110，并将接收到的入射光110转换成电信号。这样，电信号可以代表入射光110的特性。根据本公开的各种实施例，光电传感器106可以生成电信号，所述电信号可以用于（例如，由计算设备的处理器或电路）至少部分地基于入射光110的散射来检测检测区域118中的气溶胶。特别地，来自光电传感器106的电信号可以用于检测环境中是否存在指示异常状况（例如，热失控）的气溶胶。光电传感器106可以进一步生成与颗粒数量、颗粒大小和颗粒浓度相关联的电信号。

集成光学组件104可以用于对来自检测区域118的入射光110进行采样，并将采样的入射光110聚焦到光电传感器106。集成光学组件104包括透镜112、透镜114、反射器116。如本文所描述的，透镜可以包括透光材料，诸如玻璃或塑料（例如PMMA或聚碳酸酯），其包括用于聚集或分散光线的两个相对的弯曲表面。透镜可以包括圆形或椭圆形形状。透镜112部署在集成光学组件104的面向检测区域118的平面上，以接收入射光110。入射光110可以聚焦到集成光学组件104的介质中，并经由透镜112聚焦到反射器116上。

如本文所描述的，反射器可以包括镜子或反射表面，使得入射到反射器上的光可以被朝向给定的目标引导，例如光电传感器106。反射器可以包括例如金属或形成在表面上的反射膜（例如塑料或玻璃）。金属或反射膜的示例包括铝、金、银、铜、镜面膜或介电多层膜。反射器116可以包括能够将由透镜112聚焦的入射光110朝向透镜114反射、引导或重定向的镜子或反射表面。透镜114部署在面向光电传感器106的集成光学组件104的平面上。透镜114可以将从反射器116反射的入射光110朝向光电传感器106聚焦。这样，光电传感器106可以对来自检测区域118的入射光110进行采样以进行分析。

图2A呈现了根据本公开的一些实施例的集成光学组件的示例性元件。集成光学组件104A包括透镜112A、透镜114A、反射器116A和介质202A。在一些实施例中，介质202A可以包括透光材料的实芯。透镜112A、透镜114A和反射器116A中的每一个都被配置在介质202A的平面上。所述平面可以包括将透镜112A、透镜114A和反射器116A配置为三角形阵型的设置。透镜112A可以包括被配置在面向检测区域118的平面上的透镜。反射器116A配置在与透镜112A和透镜114A的平面相交处形成的角度相对的平面上。

透镜112A和透镜114A的相应平面之间的角度可以是任何合适的角度，使得透镜112A能够接收来自检测区域118的入射光110，并将入射光110聚焦通过介质202A并聚焦到反射器116A上，使得入射光110可以被透镜114A接收。如图2A所示，透镜112A和透镜114A之间的角度/>是钝角（例如，大于90°，高达135°）。然而，根据本公开的其他实施例，角度/>可以是直角（即，90°），如图2B所示，或者是锐角（即，小于90°）。反射器116A和透镜114A沿着它们相应平面的定位可以取决于角度/>而变化。也就是说，角度/>可以影响由透镜112A聚焦的入射光110的方向，使得反射器116A和透镜114A可能需要相应地定位，以与透镜112A对入射光110的聚焦对准。

图2B呈现了根据本公开的一些实施例的集成光学组件的示例性元件。集成光学组件104B包括透镜112B、透镜114AB、反射器116B和介质202B。在一些实施例中，介质202B可以包括透光材料的实芯。透镜112B、透镜114B和反射器116B中的每一个都被配置在介质202B的平面上。所述平面可以包括将透镜112B、透镜114B和反射器116B配置为三角形阵型的设置。透镜112B可以包括配置在面向检测区域118的平面上的透镜。反射器116B配置在与透镜112B和114B的平面相交处形成的角度相对的平面上。

透镜112B和透镜114B相应平面之间的角度是90°。透镜112B能够接收来自检测区域118的入射光110，并且通过介质202B聚焦入射光110并将入射光110聚焦到反射器116B上，使得入射光110可以被透镜114B接收。注意，反射器116B在集成光学组件104B中的定位可以不同于反射器116A在集成光学组件104A中相对于透镜的定位。也就是说，角度/>可以影响由透镜112A和112B聚焦的入射光110的方向。类似地，由于集成光学组件104B和集成光学组件104A之间的角度/>不同，透镜114B的定位可以不同于透镜114A的定位。

图3和图4呈现了根据本公开的各种实施例的示例性集成光学组件的视图。集成光学组件300包括外壳302，外壳302可以由例如玻璃、塑料、树脂或诸如丙烯酸或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）之类的其他合成聚合物构成。集成光学组件300进一步包括透镜304、透镜306和反射器308，每个都被配置在外壳302的给定侧壁上，使得透镜304、透镜306和反射器308的平面形成三角形。透镜304和透镜306可以附着在外壳302的它们相应侧壁上的孔口或开口内。反射器308可以被配置在侧壁上的孔口或开口内，所述侧壁与配置有透镜304的侧壁和配置有透镜306的侧壁的相交处形成的角度相对。根据本公开的各种实施例，外壳302可以包括透光材料的实心主体，使得光可以通过外壳302在透镜304、透镜306和反射器308之间传输。

在一些实施例中，集成光学组件可以包括在集成光学组件的外壳的给定侧壁上的多个孔口。如图5所描绘的，集成光学组件500包括外壳502。外壳502包括侧壁508上的孔口504和侧壁510上的孔口506。侧壁508和侧壁510的平面可以形成与反射器侧壁512相对的角度。反射器侧壁512可以包括侧壁，该侧壁包括用于将入射光例如从孔口504反射到孔口506的反射器。在一些实施例中，孔口504中的一个或多个和孔口506中的一个或多个可以配置有透镜。透镜可以放置在孔口504和孔口506中的任何一个或特定一个中。例如，孔口504和孔口506可以用于提供特定的透镜配置，以实现关于集成光学组件500的给定的入射光输入和输出特性。也就是说，与集成光学组件500一起使用的透镜可以与反射器合作控制光的折射或衍射。在某些实施例中，集成光学组件500可以在没有任何透镜放置在孔口504和孔口506中的一个或多个或任何一个中的情况下使用。这样，由于不同的应用，可以从孔口504和孔口506添加或移除透镜。

图6呈现了根据本公开的一个实施例的示例性气溶胶传感器的分解图。气溶胶传感器600包括外壳602A、外壳602B、集成光学组件604、保持器606A、保持器606B、电路板608、光源610、光电传感器612和护罩614。外壳602A和外壳602B可以包括蛤壳结构的两半，该蛤壳结构封装并能够用作集成光学组件604、保持器606A、保持器606B、电路板608、光源610、光电传感器612和护罩614的保护套。光源610和光电传感器612被配置在电路板608上。护罩614可以提供保护套，以防止损坏光源610、光电传感器612和电路板608的至少一部分。

电路板608可以控制光源610和光电传感器612的操作和功能，以提供气溶胶检测。集成光学组件604经由保持器606A和606B耦合到电路板608。具体而言，集成光学组件604被保持在保持器606A和606B之间的适合于接收来自光源610的入射光并且将该入射光传输到光电传感器612的定位。在一些实施例中，保持器606A和保持器606B可以包括用于将集成光学组件604牢固地定位在相对于光源610和光电传感器612的静止定位的固定装置。

光源610可操作以将光投射到用作检测区域的保持器606（包括保持器606A和保持器606B）的至少一部分上。光源610可以包括半导体光发射器，诸如发光二极管（LED），或者被配置为发射预定波长的光的半导体激光二极管，所述预定波长的光包括红外光、红光、绿光、蓝光和紫外光。

图7呈现了根据本公开的一个实施例的示例性气溶胶传感器的一部分的截面图。集成光学组件604包括在输入侧壁处的透镜702、内部反射器704和在输出侧壁处的透镜706。集成光学组件604的输入侧壁可以与检测区域接合以接收光。输入侧壁处的透镜702可以是能够将检测区域中的至少一部分光聚焦到集成光学组件604的介质中的。特别地，透镜702可以将来自检测区域的光聚焦到内部反射器704上。内部反射器704可以将来自透镜702的聚焦光引导到集成光学组件604的输出侧壁处的透镜706。如上面所讨论的，介质可以包括透光材料，诸如玻璃或塑料（例如PMMA或聚碳酸酯），或者可选地，在一些实施例中，包括气腔。

输出侧壁可以包括集成光学组件604的侧壁，其被配置为允许光从集成光学组件604传出。光电传感器612可以与集成光学组件604的输出侧壁对准。光电传感器612可以包括被配置为接收来自集成光学组件604的光的光敏器件。从集成光学组件604接收的光可以被光电传感器612转换成电信号。例如，光电传感器612可以生成电信号，所述电信号可以传输到电路板608上的处理器，以检测检测区域中的气溶胶。特别地，来自光电传感器612的电信号可以对应于指示环境中的气溶胶的光散射的存在（或不存在）。光电传感器612可以进一步生成与颗粒数量、颗粒大小和颗粒浓度相关联的电信号。

设备连接器616可以包括连接接口，其被配置为将数据或信号从电路板608传输到计算机或处理设备。例如，装置连接器616可以用于建立与电路板608的信号连接，以将气溶胶检测信号传送到例如系统控制器或系统管理设备。气溶胶检测信号可以至少部分基于由光电传感器612生成的电信号。在一些实施例中，系统控制器或系统管理设备可以包括电池管理系统。作为示例，电池管理系统可以被配置为监控电池、向电池提供保护、优化电池的性能、以及至少部分基于来自电路板608的气溶胶检测信号向外部设备报告电池的操作状态。

应当理解，本公开不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文使用了特定的术语，但是除非另有说明，否则它们仅用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (20)

1.一种耦合到气溶胶传感器的电路板的集成光学组件，所述集成光学组件包括：

介质，所述包括第一平面、第二平面和第三平面，其中：

第一平面邻近于检测区域；

第二平面围绕光电传感器定位；和

第三平面与由第一平面和第二平面的相交形成的角度相对；

第一透镜，被配置在所述第一平面上，所述第一透镜被配置为接收来自所述检测区域的入射光，并将所述入射光通过所述介质聚焦到反射器上；

反射器，被配置在所述第三平面上，所述反射器被配置为将入射光朝向第二透镜反射；和

第二透镜，被配置在所述第二平面上，所述第二透镜被配置为接收来自反射器的入射光并且将入射光聚焦到光电传感器。

2.根据权利要求1所述的集成光学组件，其中第一透镜和第二透镜每个都包括透光材料，所述透光材料包括两个相对的弯曲表面。

3.根据权利要求1所述的集成光学组件，其中反射器包括镜子或反射表面。

4.根据权利要求1所述的集成光学组件，其中所述角度大于90°并且高达135°。

5.根据权利要求1所述的集成光学组件，其中所述角度为90°。

6.根据权利要求1所述的集成光学组件，其中所述角度小于90°。

7.一种气溶胶感测系统，包括：

包括采样空间的检测区域；

光源，被配置为将光投射到检测区域；

集成光学组件，被配置为：

至少部分基于由光源投射的光接收来自检测区域的入射光；和

将入射光导向光电传感器；

所述光电传感器被配置为：

接收来自集成光学元件的入射光；和

将接收到的入射光转换成电信号。

8.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中电信号代表入射光的特性。

9.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中电信号由计算设备的处理器或电路可使用，以至少部分基于入射光来检测检测区域中的气溶胶。

10.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中光源包括半导体光发射器。

11.根据权利要求10所述的气溶胶感测系统，其中半导体光发射器包括以下中的至少一个：发光二极管或半导体激光二极管。

12.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中光电传感器包括光敏器件。

13.根据权利要求12所述的气溶胶感测系统，其中光敏器件包括以下中的至少一个：光电二极管、光电集成电路二极管、光电晶体管、光电倍增管或光电三极管。

14.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中光电传感器进一步被配置为生成与颗粒数量、颗粒大小和颗粒浓度相关联的电信号。

15.根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中集成光学组件包括反射器和至少一对透镜。

16. 根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中集成光学组件包括面向检测区域的第一透镜，所述第一透镜被配置为：

接收来自检测区域的入射光；和

将入射光聚焦到反射器上。

17.根据权利要求16所述的气溶胶感测系统，其中集成光学组件包括反射器，所述反射器被配置为：

将聚焦的入射光反射到第二透镜。

18. 根据权利要求17所述的气溶胶感测系统，其中集成光学组件包括围绕光电传感器定位的第二透镜，所述第二透镜被配置为：

接收来自反射器的入射光；和

将入射光聚焦到光电传感器。

19. 根据权利要求7所述的气溶胶感测系统，其中集成光学组件包括：

外壳；和

所述外壳的给定侧壁上的多个孔口。

20.一种气溶胶传感器，包括：

电路板，被配置为至少部分基于光电传感器生成的电信号来生成气溶胶检测信号；

集成光学组件，经由保持器耦合到电路板，所述集成光学组件包括输入侧壁和输出侧壁；

保持器，包括将集成光学组件定位在相对于光源和光电传感器的静止定位的固定装置；

光源，耦合到电路板并且与集成光学组件的输入侧壁接合，光源被配置为将光投射到保持器的至少一部分，并且使与所投射的光相关联的入射光在输入侧壁处被接收到集成光学组件中；和

光电传感器，耦合到电路板并且与所述集成光学组件的输出侧壁接合，所述光电传感器被配置为经由输出侧壁接收来自集成光学组件的入射光并且将所述入射光转换成电信号。