CN1236097A - 带粒子传感器的烟尘探测器 - Google Patents

Abstract

一个采用单个烟尘粒子测量器的大灾探测器,包括一个作为相干光源的激光二极管。一个悬浮粒子通道靠近该二极管放置,放在它的一个输出射口或构造出,以横穿一个受激发射区域。一个光振幅检测元件,如光电探测器予以配置从而探测响应单个浮在空中的烟尘粒子存在的光强度变化。处理来自探测器的已调信号,以决定烟尘类型和浓度,从而确定火灾迹象的存在或不存在。采用无阀固态激励器,单向或双向粒子流都能提供。采用带有多个传感器具有多辐射源/传感器对的单个辐射源可提供多通道输出。

Description

带粒子传感器的烟尘探测器

本发明涉及烟尘探测器。本发明特别涉及构造得用来检测并且测量各单个烟尘粒子这样的探测器。

火灾探测器被认为是有价值的安全器械，因为它们通常可望用来提供一个区域火灾活动情况的早期报警。已知的火灾探测器采用多种不同类型的传感器。例如，用测温计来检测增加的环境温度。具有电离或光电传感器的烟尘探测器，可探知受监视区域空中悬浮粒子物质的存在。气体探测器检测一种或多种气体的存在及浓度。

尽管已知的探测器是有用的，但它们设计成检测选择的宏观状况的存在。例如测温计一般检测某一被监视区域中运动着的空气的温度。这样，单个空气分子的温度指标并未被检测。相反，检测的是巨大数量的分子，从而提供一个平均温度指示。与之相似，离子型和光电型烟尘探测器检测某一区域中的烟尘浓度，而这包括了大量烟尘粒子。

作为它们的检测方式的结果，就减少能耗、减小体积及减少可能达到的制造成本来说，已知的探测器都存在局限性。能够利用当前集成电路处理技术且开发出体积小、价位低的小功率烟尘传感器是人们所希望的。优选地，与检测大量粒子的存在不同，这样一种探测器检测的是烟尘单个粒子，以便提供涉及烟尘类型和浓度的信息。

小功率固态粒子传感器包括一个作为相干光源的激光二极管。已知的激光二极管具有1×5微米级的光束输出射口。优选采用具有可以是最小的输出射口的激光二极管。尺度大约为1×1微米的输出射口是适宜的。

在本发明的一方面，在靠近输出射口处设置一粒子流动路径，允许有间隔的各单个烟尘粒子顺序流过。流动路径优选具有与已知烟尘粒子大小差不多的尺寸，比如大约3微米。典型烟尘粒子大小已知为在大约0.1到1微米。人们还知道，这种粒子在流动通道中倾向于不受外界影响而不沿通道壁聚集。

在另一方面，光电传感器，如光电二极管，可靠近辐射源的输出射口布置，流动路径的一部分位于该光电二极管和输出射口之间。因此，在烟尘粒子经由流动路径移动时，它们一次一个地在调整它们的射束前通过。

传感器输出的电信号表示粒子的大小和速度，该粒子实际上使辐射能束模糊。传感器的输出信号会响应经过流动路径的每一个烟尘或悬浮物粒子而出现。或者，传感器的方位可确定为探测单个粒子的反射光。

采用不连续的烟尘粒子传感器的火灾探测器包括一个作为相干光源的激光二极管。一个悬浮物通道靠近二极管设置，处在或者是从那里的或者是构造成的输出射口，以便横穿受激发射的区域。光振幅测定元件如光电探测器予以配置，从而探测响应于单个浮在空中的烟尘粒子存在的光强度变化。

处理来自探测器的已调信号，以决定烟尘类型和浓度，从而确定火灾迹象的存在或不存在。一方面，可提供为分析检测到的颗粒物质大小以决定火灾类型的电路系统。用于决定粒子间距离的电路系统可用来确定烟尘浓度。类型识别电路系统可用于分析的目的。

采用无阀固态激活器，单向或双向粒子流都能提供。另外，粒子流亦可热诱发。

另一方面，多个探测器可阵列布置。在这种布置中，吸收和散射都可采用，以便发出显示颗粒物质存在，粒子大小和浓度的信号。另外，也可采用发射不同频率光的多个激光源。而且，一个或多个光电探测器的位置可针对光源改变。

另一方面，检测到的颗粒物质可被可能具有不同输出频率的第二激光的第二光源照射。这种在单个粒子中注入辐射能的行为，可能改变粒子大小或其它可识别的性质。为了进行“改变前”和“改变后”的分析，可再次检测这些表现出变化了的特性的粒子。

本发明多项其它优点及特点易于从以下对这项发明及其实施例的详细描述中，从权利要求中和从附图中清楚看到。

图1是按照本发明的粒子测量器的侧立面图；

图1A是图1所示探测器的局部放大图；

图2是图1所示粒子测量器的俯视图；

图3是图1所示粒子测量器的侧立面局部放大图；

图4A是一种形式激光源的侧立面放大图；

图4B是又一种形式的激光源的侧立面放大图；

图5是又一种形式的激光源的侧立面局部放大图；

图6是图1所示粒子测量器的侧立面图，它包括一个固态、无阀、粒子致动泵；

图6A是图6所示泵的局部放大图；

图7是包括一个固态泵的另一种形式测量器的侧立面放大图；

图8A是一个包括一个光电传感器阵列的粒子测量器的侧立面图；

图8B是一个包括一个辐射源和传感器阵列的粒子测量器的侧立面图；和

图9是又一种形式的多辐射源测量器的侧立面放大图。

虽然本发明可以以多种没形式实施，但在此图示和详细描述的是它的具体实施例，该公开被看作为按照本发明原理的一个实例，并不用来把本发明限制在图解的具体实施例中。

人们知道，烟尘粒子直径在约为0.1到1.0微米的范围内变化。它们以每英尺2％的模糊水平倾向于大约10∶100微米数量级分开。

人们还认识到，在常数级模糊水平下，显示更热火焰的较小粒子会聚合到一起。而且，不同物质在不同情况下燃烧及产生不同的粒子尺寸分布。因此，基于粒子，为反射、分散、吸收或模糊一个或多个辐射能束之目的，与粒子浓度一起，可利用烟尘粒子的不同特性。

图1表示按照本发明的粒子测量系统10。图1的系统与许多描述过的替换件一起，可用来实现提供体积小、价位低、能耗低的烟尘探测器。对单个烟尘粒子测量和分析其性能参数是有效的。

系统10包括一个固态辐射能激光发射源12。激光源12可通过例如固态激光二极管束制成。这种二极管已知根据输入电能从输出射口放射单色辐射能光束。在激光二极管的p-n结形成一个光共振道或腔。共振道端部与反射面或平面邻接。在熟知的激光二极管中，输出射口位于共振道的一端。

系统10还包括一个传感元件14。传感元件14可以是一个例如光电二极管。

元件12、14空间相互分开地由一个基座16支撑。系统10可装入壳16a中。它可以靠电池或其它电源18供电，还可包括控制电路18a。

在图1所示实施例中，粒子传感器14从激光12的输出射口12a移开一个相当于烟尘粒子流动路径20宽度的距离，详细如图1A、2和3所示。

流动路径20具有与被测量或检测类型的烟尘粒子大小数量级相同的尺寸。例如可把流动路径20构造为宽度和深度尺寸大约3微米×3微米。按这种尺寸可使烟尘颗粒物质如粒子P1,P2和P3单个且互相分开地流过通道20。

一个代表性的烟尘粒子，如P2，在从由输出射口12a发射出的辐射能束12b前通过时，至少部分地模糊一部分投射到光电二极管14上的辐射能束。这种代表通过通道20的单个烟尘粒子的模糊会依次使光电二极管14发射出变化的电信号，这种电信号表示，当单个烟尘粒子，如粒子P2，沿通道20通过光束12b时，投射到探测元件14上辐射能量的增减。

靠说明通道20的典型尺度，烟尘单个粒子的通过情况可以测量。而且，如接着要讨论的，烟尘粒子类型和涉及浓度水平的信息也可用系统10来推断。因此，来自二极管14的随通过颗粒物质大小、速度和浓度改变的输出信号可根据连续过程电路予以分析，从而确定是否被检测的颗粒物质显示火灾迹象。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，也可检测到反射或散射光。

可以理解，颗粒物质P1、P2……P_n倾向于沿通道20的中心轴线通过。这样的颗粒物质在流过激光源12或传感元件14之间时不易被吸引和/或附着到它们的表面。

尽管系统10符合位于激光源12的输出射口12a和与之隔开的二极管14之间的通道20，但在不脱离本发明的精神和范围的前提下有其他构造。例如，图4A显示了激光二极管30的另一种形式。二极管30由具有熟知的有效产生激光振荡类型的p-n结的半导体32构造成。

光电二极管34在一个输出射口与本体部分32的一端相连。通道36部分地形成在二极管30中的本体32中。通道36提供一个通路，被激发的光的发射必须连同产生所需的光振荡通过这个通路，其特点在于是单色输出光束。

通道36部分地横向惯穿本体，与通过本体32的被激发射光的移动方向基本垂直。这种构造形式使得通过通道36的烟尘颗粒物质有可能影响光振荡方式。而这会减小输出辐射能。这种减小或改变又可被光电二极管34检测到。

图4B显示另一个实施例，其中，一个激光二极管30a构造于一个半导体本体32a中。在图4B的实施例中，通道36a按惯穿本体32a形成，它与一个被激发射光经过的通道同轴。通道中烟尘颗粒物质的存在会影响光振荡方式且可被邻近的如上述的光电传感器34a检测。

图5表示又一个实施例。其中，一个包括光激射半导体42和相关的光电二极管44的系统40清楚可见。这个光电二极管44位于光激射半导体42的一个第一端42a。一个辐射能输出射口42b靠近光电传感器44安放。

一个烟尘粒子通道46在半导体42的一个第二端42b和一个反射元件48间形成。为引起光共振，即引起必要的被激发射以便在输出射口42b产生输出单色光束，半导体本体42与反射器48配合工作。如图5所示，来自42b表面的辐射能束R1，行进到反射元件48，从那里反射且重新进入本体42的光激射通道42d，加强光共振。

通道46中烟尘颗粒物质P1、P2的存在影响光共振方式。如图5所示，颗粒物质如粒子P1从通道46通过，会部分地阻挡从通道42d到反射元件48的辐射能束R1的行进。如果在通往反射元件48的路上未受阻挡，则从反射元件48的回程路上辐射能束R1’就可能被颗粒物质P1阻挡。在这种情况下，来自光电传感器44的输出信号由于与光的行进或反射过程干涉，可以期望提供一个通过通道46的粒子的位移的指示。图5结构可期望提供增强的信噪比，因为通道46内的颗粒物质既减弱出来的发射光R1也减弱反射回的反射光R1’。

图6表示系统10的又一方面。考虑到通道20的尺寸，优选为颗粒物质提供推进，使之沿通道20通过。例如，可用扇来创造正压条件促使颗粒物质流过通道20。或者也可用扇来创造负压条件抽吸颗粒物质流过通道20。

固态装置可用于把颗粒物质吸入通道20并从那里把它们驱出。例如，可在通道20的一端放置一个固态泵60，以便根据施用的电信号，提供在颗粒物质通道20中的相应运动。

人们认识到，烟尘探测器中经常用来产生声音报警的压电元件会这样，条件是通过类似于受压时一个钢鼓的端部的中心的移动方式来回物理振荡。这种振荡方式，在运动按一个第一方向时可用来把颗粒物质抽吸到通道20中。当接下来运动与第一方向相反时，颗粒物质则被从通道20中驱出。因此，压电元件提供一种固态无阀系统形式的泵，该泵吸入用于测量和分析的合适的颗粒物质，一次一粒，且接着驱出该颗粒物质。

另外，从激光源吸收辐射能产生的热可被用作为促使颗粒物质流过通道20的载体。

图7表示另一种结构型式，该结构型式用压电元件实现把颗粒物质抽吸到通道中的目的。图7的粒子测量器10a包括一个激光源12-1和光电探测器14-1。通道20-1延伸于其间。

一个压电挠曲元件支持着光电二极管14-1。根据所供电能，该压电元件64弯曲，相对于在其附近的光源12-1轴向移动光电二极管14-1，吸引颗粒物质进入其间的通道20-1。

系统10a因此代表了另外一种形式的无阀固态泵，该泵可用来引起颗粒物质流，一次一粒，通过该光源/探测器12-1/14-1结合体。这样就会产生来自探测器14-1的变化的电信号输出，该输出可用来分析烟尘类型及浓度。

可以理解，如果需要，可在通道20的入口设置适当的过滤件，以便从那里排除非烟尘的悬浮颗粒物质如毛发、灰尘等。

图8A表示另一种形式的粒子测量系统10b，这个系统包括一个激光源12-2和一个与光源12-2的输出射口隔开的光电二极管列阵14-2，一个粒子通道20-2延伸其间。

列阵14-2可以是二维形式或三维形式。陈列14-2的不同元件对应于颗粒物质，如粒子P1通过通道20-2时的吸收和散射的辐射能。列阵14-2的使用，使得实现对单个烟尘粒子的多路分析成为可能，该列阵可由装在单个基片上的非常小巧的固态探测器构成。

另一种形式的多路结构可由一系列平行光源12-3、12-4……12-n来实现，如图8B所示。图8B的激光源可以构造成能产生不同频率的光束。对应因此被测的单个粒子的各个光电传感器的输出还可用来实现烟尘粒子和浓度特性的多路分析，以便决定火灾迹象的存在。

可以理解，通过辅助控制电路18a，各种被测粒子出于分析目的都可被利用来作出粒子大小分布曲线或其它有关火灾特性的分布曲线。该分布曲线又可用来决定火灾迹象的存在。电路18a，如果需要，可以是光源12本机的。另外，它可以在一个普通通讯装置或控制盘上是部分本机和部分遥控的。

图8A和8B表示的多路粒子测量器类型，也使得根据一定程度的被阻挡的光，显示粒子大小和粒子间距离、显示烟尘浓度、建立被测粒子或被测粒子特性分布曲线成为可能。它们可提供这些信号，例如，出于分析目的，为识别电路定型。

图9表示又一种形式的粒子测量/分析多光源/探测器系统70。系统70包括多束分析激光72a,72b及与它们相连的传感器74a和74b。一个通道76a延伸其间。

颗粒物质可由无阀固态泵76b喷入通道76a。当颗粒物质通过通道76a时，其存在可由传感器74a和74b探知。来自这些传感器的信号可按上述方式处理。

布置在辐射源72a和72b之间的是另一辐射能源72c。辐射能源72c的目的是在颗粒物通过辐射源72a后而通过辐射源72b之前，把辐射能或光射入颗粒物质中。这个过程得到了一种分析因来自辐射源72c的辐射能而可能改变了其特性的各种烟尘粒子的至少部分破坏性形式的处理形式。

改变了的颗粒物质或性能参数又可由光电传感器74b检测，以与传感器74a产生的信号相比较及进行进一步分析。当泵76b引起颗粒物质的往复运动时，传感器74a和74b就探测响应固态泵76b而先在一第一方向而后沿与第一方向相反的方向运动的颗粒物质。

从以上讨论可知，为了形成一尽可能是最小横截面的输出光束，优选采用一个具有一个输出射口，尽可能小的对应于光激射通道面积的光激射源，这可期望产生最大可能的信噪比。同样可知，光电探测器的活性区域面积尺寸应尽可能小，以提供增强的信噪比。

优选光源的输出射口约为1×1微米数量级的尺度。同时优选各个光电探测器的活性区域面积大约为1×1微米数量级。

还可知，可从各个激光源输出射口按不同距离配置多个光电探测器。来自不同距离放置的光电探测器的信号的分析也可用于确定火灾迹象的存在。

从上文可以看出，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以作各种变化和改进。应当理解这里所说的具体装置没有限制意义和表示。当然，所有这些改进都落入所附权利要求范围内。

Claims (15)

1．用于探测悬浮燃烧颗粒物质的系统，这个系统包括：

至少一个实际上预定频率的固态辐射能源，一个具有能量的光束从这个辐射能源的一个选定面积的输出射口发射出；

一个用于至少一部分颗粒物质的流动路径，这个路径在一个选定的区域至少与一部分辐射能横交，这样其中的颗粒物质会影响光束，且流动路径的尺寸定得使间隔的粒子一次一粒地流过；以及

一个固态辐射能传感器，这个传感器靠近输出射口放置，且产生表征颗粒物质的性能结果的电信号。

2．根据权利要求1的系统，其特征在于，上述辐射源布置在距上述传感器5微米之内。

3．根据权利要求1的系统，其特征在于，上述路径部分地在上述辐射源中形成，由此上述颗粒物质影响上述光束的形成。

4．根据权利要求1的系统，其特征在于，在上述路径中的颗粒物质至少部分地阻挡入射到传感器上的光束。

5．根据权利要求3的系统，其特征在于，上述辐射源包括激光，且上述路径中的颗粒物质干涉所述辐射源的光激射。

6．根据权利要求5的系统，其特征在于，上述通路具有一个部分地在该辐射源中形成的尺寸，该尺寸小于5微米长。

7．根据权利要求1的系统，其特征在于，上述辐射源包括一个激光二极管，上述路径具有一个长度小于5微米的区域，且此路径在上述输出射口和上述传感器之间延伸，而上述传感器响应单个燃烧粒子通过该区情况产生变化的输出信号。

8．根据权利要求1的系统，其特征在于，这个系统包括一个抽吸器，用于使沿所述路径在至少一个方向上产生颗粒物质流。

9．根据权利要求8的系统，其特征在于，所述抽吸器是可通电的且具有一个固态激励器。

10．根据权利要求8的系统，其特征在于，所述抽吸器器是无阀的。

11．根据权利要求8的系统，其特征在于，所述路径部分地向一个邻近区域敞开且所述元件通电后促使颗粒物质以共振方式在辐射源和传感器之间运动。

12．根据权利要求8的系统，其特征在于，所述系统包括控制电路，至少与所述传感器连接，用于检测来自传感器的信号。

13．根据权利要求1的分析悬浮颗粒物质的方法，这种方法包括下列步骤：

形成一有间隔的，单个的悬浮粒子流；

用基本单色的光的检测光束照射这些粒子，一次一个；

检测表征被照射粒子的改变了的光束的参数特征；及

处理各个检测到的并改变了的参数特征。

14．根据权利要求13的方法，其特征在于，所述方法包括在检测步骤之后，用辐射能改变的光束照射上述单个粒子，从而至少改变某些粒子的参数。

15．根据权利要求14的方法，其特征在于，所述方法包括用检测光束照射改变了参数特性的粒子并检测改变后的粒子。

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