TWI734156B - 煙霧感測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種煙霧感測裝置，其包含有一光驅動單元及一光接收單元；該光驅動單元包含一光發射器、一溫度感測器及一驅動單元；其中該驅動單元係電連接至該光發射器及該溫度感測器，可依據該溫度感測器輸出之該溫度訊號調整輸出至該光發射器的該驅動電流之大小，令該光發射器受環境溫度變化時避免其發射偵測光線能量變化過大；如此，可讓該光接收單元在接收該光驅動單元所發射之偵測光線後所產生一光感測訊號，該光感測訊號可真實反應空氣中不透光粒子的多寡。

Description

煙霧感測裝置
本發明係關於一種煙霧感測裝置，尤指一種煙霧感測裝置的電路改良。
煙霧感測裝置主要使用光發射器及光接收器進行偵測空氣中不透光粒子(如煙霧粒子)的多寡，來檢測是否出現可能因火災所造成大量煙霧粒子，進而發出警報；因此，煙霧感測裝置檢測的精準度相當重要。
目前煙霧感測裝置中的光發射器為了確保其發出的偵測光線能量一致，故而配合採用一電流控制器，對該光發射器輸出一定電流；然而，實際使用發現，縱使提供定電流給光發射器，由於該光發射器的元件特性，其發射偵測光線的能量會隨著環境溫度升高或降低而改變，例如環境溫度升高至一高臨界溫度值或降低至一低臨界溫度值，其偵測光線能量會下降或上升。
因為煙霧感測裝置中的光接收器會接收被空氣中不透光粒子反射、折射或散射等的偵測光線，並依據所接收偵測光線之能量產生煙霧偵測之感測訊號；因此，若光發射器所出的偵測光線能量會隨著環境溫度變化，也會直接造成該光接收器的所接收到偵測光線的變化，無法正確地反應正確的煙霧濃度，甚至可能造成應警報而未警報的狀況。
此外，煙霧感測裝置中的光接收器的元件特性也會受到環境溫度影響，如圖6所示，當提供該光接收器一逆向偏壓，其逆暗電流會隨著溫度升高而加大，而無法正確地反應其所接收偵測光線的能量。
綜上所述，目前煙霧感測裝置確實會受到環境溫度影響其偵測精準度，故有必要進一步改良之。
有鑑於上述煙霧感測裝置受環境溫度變化而造成檢測不精準的缺陷，本發明主要目的係提供一種不因環境溫度而誤偵測的煙霧感測裝置。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該煙霧感測裝置包含有： 一光驅動單元，係包含有： 一光發射器，用以發射一偵測光線； 一溫度感測器，係用以偵測溫度，並輸出一溫度訊號；以及 一驅動單元，係電連接至該光發射器及該溫度感測器，其中該驅動單元用以驅動該光發射器發射該偵測光線，且該驅動單元依據該溫度感測器輸出之該溫度訊號，調整該光發射器輸出的偵測光線大小；以及 一光接收單元，係包含有： 一光感測器，係用以接收該光發射器所發射之偵測光線，並對應產生一光感測訊號；以及 一訊號處理單元，係電性連接至該光感測器且接收該光感測訊號，並依據該光感測訊號獲得其所對應的煙霧濃度。
由上述說明可知，本發明主要在光驅動單元增加一溫度感測器，以偵測該煙霧感測裝置的環境溫度，且該驅動單元會依據溫度感測器所輸出的溫度訊號調整對光發射器的驅動電流大小，讓光發射器在環境溫度變化時，其發射之偵測光線能量較為穩定，確保該訊號處理單元透過該光接收器接收的偵測光線能量，可正確地反應目前空氣中的煙霧濃度。
本發明係針對煙霧感測裝置的電路進行改良，以下舉數個實施例並配合圖式詳細說明本發明技術內容。
首先請參閱圖1所示，該煙霧感測裝置係包含有一光驅動單元10及一光接收單元20；其中該光驅動單元10係包含有一光發射器11、一溫度感測器12及一驅動單元13，而該光接收單元20係包含一光感測器21及一訊號處理單元22。
上述光發射器11係用以發射一偵測光線。於本實施中，該光發射器11係為一種紅外線光發射器或特定顏色之發光二極體，但不以此為限。
上述溫度感測器12係用以偵測溫度，並據此輸出一溫度訊號。
上述驅動單元13係電連接至該光發射器11及該溫度感測器12；於本實施例中，該驅動單元13係為一電流驅動單元，係輸出一驅動電流來使該光發射器11發射該偵測光線，且該驅動單元13依據該溫度感測器12輸出之該溫度訊號，調整輸出的該驅動電流之大小，但該驅動單元13的種類並不以此為限。於本實施例， 該驅動單元13係預設有至少一組溫度暨光能量補償率表，當判斷所接收之該溫度訊號的對應溫度數值後，該驅動單元13係對照該溫度暨光能量補償率表，獲得該溫度數值所對應的光能量補償率，再依據該光能量補償率調整於該電流驅動單元用來驅動該光發射器的該驅動電流。例如，當溫度上升至一高溫度臨界值，且該高溫度臨界值所對應的光能量補償率為1.2倍，故而該驅動單元13會將驅動電流乘上1.2倍後輸出至該光發射器11，使其增強該偵測光線之強度；反之，當溫度下降至一低溫度臨界值，且該低溫度臨界值所對應的光能量補償率為0.8，故而該驅動單元13會將驅動電流乘上0.8倍後輸出至該光發射器11，使其降低該偵測光線之強度。
上述光感測器21係用以接收該光發射器11所發射之偵測光線，該光感測器21為一光二極體(photodiode)；具體地說，該光發射器11發射該偵測光線至空氣中，該偵測光線會受到空氣中不透光粒子反射、散射、折射等光學現象改變行進路徑，而該光感測器21即用以接收被反射、折射或散射等偵測光線，並依據所接收的偵測光線能量而對應產生一光感測訊號。於本實施中，該光發射器11係為一種紅外線光發射器，但不以此為限。
上述訊號處理單元22係電性連接至該光感測器21且接收該光感測訊號，並依據該光感測訊號獲得其所對應的煙霧濃度。此外，該訊號處理單元22係進一步輸出一偏壓予該光感測器21，其中該偏壓大於0mV且小於15mV；於本實施例，該訊號處理單元22係主要包含一偏壓電路221及一積分器222，也可進一步包含一放大器224及一類比數位轉換器223；其中該偏壓電路221係電連接至該光感測器21，提供該光感測器21一偏壓，且該偏壓接近0V，如圖5所示，當該光感測器21的偏壓接近0V，但足以供該光感測器21做動，其逆向暗電流對於各溫度區間變化較不敏感。
再請配合參閱圖2所示，為本實施例中該偏壓電路221及該積分器222的電路圖，該積分器222係包含有一運算放大器OP及一電容C，也可進一步另包含一電阻R，該運算放大器OP具有一第一輸入端IN1、一第二輸入端IN2及一輸出端OUT，該電阻R的一端係連接於該第一輸入端IN1，而該電容C則跨接於第一輸入端IN1及輸出端OUT之間；又該偏壓電路221係連接至該積分器OP該第二輸入端IN2。該光感測器21的陰極係可直接連接至該運算放大器OP的第一輸入端IN1，或透過該電阻R連接至該積分器222的第一輸入端IN1，而其陽極則連接至該運算放大器OP的第二輸入端IN2。該偏壓電路221所提供的逆向偏壓VB 係落在大於0mV且小於15mV之間，且該偏壓電路221透過該積分器222提供該光感測器21一逆向偏壓VB ；於本實施例中，該偏壓電路221係整合於該積分器222中，並令該運算放大器OP的第一及第二輸入端IN1、IN2之間電壓落在大於0mV且小於15mV之間。當該光感測器21因接收偵測光線而對應輸出一電流時，該電流會因前述特性較不會受環境溫度影響而變動；此時，該積分器222可對該光感測器21輸出的電流進行積分，以獲得光感測訊號。該光感測訊號可直接輸出，或透過類比數位轉換器223轉換為感測數值後輸出，或先經該放大器224放大後再由類比數位轉換器223轉換為感測數值後輸出。此外，該運算放大器OP的第二輸入端IN2與一系統直流電源的低電位端VSS 之間可進一步加入一電壓源作為一參考電壓Vref，將該逆向偏壓VB 的基準電位自該系統直流電源的低電位端VSS 向上抬升，避免該系統直流電源的低電位端VSS 的雜訊影響該逆向偏壓VB 。
請參閱圖3所示，係為本發明煙霧感測裝置的第二實施例，其同樣包含有一光驅動單元10及一光接收單元20；其中該光驅動單元10係包含有一光發射器11、一溫度感測器12及一驅動單元13，而該光接收單元20係包含一光感測器21及一訊號處理單元22a；本實施例之訊號處理單元22a與圖1所示的訊號處理單元22組成大多相同，惟所使用積分器型態不同，即本實施例的訊號處理單元22a係使用一差動積分器222a。
再請配合參閱圖4所示，係為本實施例中包含有該偏壓電路221與該差動積分器222a的電路，其中該差動積分器222a係包含有一第一積分器及一第二積分器，該第一積分器係包含有一第一運算放大器OP1及一第一電容C1，也可進一步包含有一第一電阻R1，該第一運算放大器OP1包含有一第一輸入端IN1、一第二輸入端IN2及一第一輸出端OUT1，該第一電阻R1的一端可連接至該第一輸入端IN1，而該第一電容C1係跨接在該第一輸入端IN1及該輸出端OUT1之間。該第二積分器係包含有一第二運算放大器OP2及一第二電容C2，也可進一步包含一第二電阻R2，該第二運算放大器OP2係包含有一第三輸入端IN3、一第四輸入端IN4及一第二輸出端OUT2，該第二電阻R2的一端可連接至該第三輸入端IN3，而該第二電容C2係跨接在該第三輸入端IN3及該第二輸出端OUT2之間。又該第一及第二輸出端OUT1、OUT2係進一步連接成為該煙霧感測裝置的輸出端O/P。
上述差動積分器222a與該光感測器21的連接關係為：該光感測器21的陰極及陽極可分別直接連接至該第一積分器的第一輸入端IN1及第二積分器的第三輸入端IN3，於本實例中，該光感測器21的陰極係連接至該第一積分器的第一電阻R1的另一端，而陽極則連接至該第二積分器的第二電阻R2的另一端。於本實施例，該偏壓電路221係提供該第一積分器的第一及第二輸入端IN1、IN2之間的電壓差VB1 ，與該第二積分器的第三及第四輸入端IN3、IN4之間的電壓差VB2 ，該偏壓電路221透過該第一及第二積分器提供該光感測器21一逆向偏壓VB1 -VB2 ，該逆向偏壓VB1 -VB2 即落在大於0mV且小於15mV (Voffset)之間。於本實施例，該第一積分器的第二輸入端IN2與該第二積分的第四輸入端IN4係共同連接至一參考電壓Vref，故該第一積分器的第一及第二輸入端IN1、IN2之間的電壓差VB1 係為第一輸入端IN1的電壓與該參考電壓Vref之差值；同理，該第二積分器的第三及第四輸入端IN3、IN4之間的電壓差VB2 係為第三輸入端IN3的電壓與該參考電壓Vref之差值。
再者，為加快該第一及第二積分器的積分時間，亦可令該第一積分器的第二輸入端IN2與該第二積分器的第四輸入端IN4共同連接至的參考電壓Vref為VCC /2，即為該系統直流電源的高電位VCC 的一半；如此，可將原本光感測器21的逆向偏壓的參考電壓Vref的電位抬升至高電位的一半電位，其所輸出的感測訊號之參考電壓Vref的電位也可上抬至高電位VCC 的一半電位VCC /2，讓該差分積分器222a可同時對該感應訊號向上積分及向下積分，相較圖2所示之積分器的積分時間更為縮短，並且該第一積分器的第一輸出端OUT1與該第二積分器的第二輸出端OUT2係相連接，視為將該第一及第二積分器輸出的感測訊號予以相加，以自然消除受相同雜訊所產生之雜訊能量，而具有高抗雜訊能力。
同樣地，本實施例輸出的感測訊號可直接輸出，或透過類比數位轉換器223轉換為感測數值後輸出，或先經放大器224放大後再由類比數位轉換器223轉換為感測數值後輸出。
綜上所述，本發明的煙霧感測裝置係主要在光驅動單元增加一溫度感測器，以偵測該煙霧感測裝置的環境溫度，且該驅動單元會依據溫度感測器所輸出的溫度訊號調整對光發射器的驅動電流大小，讓光發射器不受溫度變化，而發射穩定能量的偵測光線，確保訊號處理單元透過該光接收器接收空氣中不透光粒子反射、折射或散射等的偵測光線，可反應目前正確的不透光粒子濃度。再者，本發明也控制該光感測器的偏壓接近0，使其逆向暗電流較不受環境溫度變化而改變過鉅，以確實反應被反射、折射或散射等的偵測光線能量。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10:光驅動單元 11:光發射器 12:溫度感測器 13:驅動單元 20:光接收單元 21:光感測器 22、22a:訊號處理單元 221:偏壓電路 222:積分器 222a:差分積分器 223:類比數位轉換器 224:放大器
圖1：本發明煙霧感測裝置之第一實施例的功能方塊圖。 圖2：圖1中偏壓電路及積分器的電路圖。 圖3：本發明煙霧感測裝置之第二實施例的功能方塊圖。 圖4：圖3中偏壓電路及差動積分器的電路圖。 圖5：光接收器在不同環境溫度下多條逆暗電流對逆向偏壓的特性圖。 圖6：光接收器在一逆向偏壓下的逆暗電流對環境溫度的特性圖。
10:光驅動單元
11:光發射器
12:溫度感測器
13:驅動單元
20:光接收單元
21:光感測器
22:訊號處理單元
221:偏壓電路
222:積分器
223:類比數位轉換器
224:放大器

Claims (9)

  1. 一種煙霧感測裝置，包括：一光驅動單元，係包含有：一光發射器，用以發射一偵測光線；一溫度感測器，係用以偵測溫度，並輸出一溫度訊號；以及一驅動單元，係電連接至該光發射器及該溫度感測器，其中該驅動單元用以驅動該光發射器發射該偵測光線，且該驅動單元依據該溫度感測器輸出之該溫度訊號，調整該光發射器輸出的偵測光線大小；以及一光接收單元，係包含有：一光感測器，係用以接收該光發射器所發射之偵測光線，並對應產生一光感測訊號；以及一訊號處理單元，係包含有一差分積分器，該差分積分器的二輸入端係分別電連接至該光感測器的二端，對該光感測器的光感測訊號進行積分後判斷其所對應的煙霧濃度。
  2. 如請求項1所述之煙霧感測裝置，其中：該驅動單元係為一電流驅動單元，其包含有至少一組溫度暨光能量補償率表，當判斷所接收之該溫度訊號的對應溫度數值後，再對照該溫度暨光能量補償率表，獲得該溫度數值所對應的光能量補償率，再依據該光能量補償率調整於該電流驅動單元用來驅動該光發射器的一驅動電流。
  3. 如請求項1或2所述之煙霧感測裝置，其中該訊號處理單元係進一步包括：一偏壓電路，係電連接至該差分積分器，係透過該差分積分器提供該光感測器的一偏壓，該偏壓係大於0mV且小於15mV。
  4. 如請求項3所述之煙霧感測裝置，其中該差分積分器係包括： 一第一積分器，係包含有一第一運算放大器及一第一電容；其中該第一運算放大器包含有一第一輸入端、一第二輸入端及一第一輸出端，該第一電容係跨接在該第一輸入端及該第一輸出端之間；其中該光感測器的陰極係連接至該第一輸入端；以及一第二積分器，係包含有一第二運算放大器及一第二電容，該第二運算放大器係包含有一第三輸入端、一第四輸入端及一第二輸出端，該第二電容係跨接在該第三輸入端及該第二輸出端之間，該第二輸出端係連接至該第一輸出端；其中該光感測器的陽極則連接至該第三輸入端。
  5. 如請求項4所述之煙霧感測裝置，其中：該第一積分器係進一步包含有一第一電阻，該第一電阻係串接在該第一輸入端與該光感測器的陰極之間；以及該第二積分器係進一步包含有一第二電阻，該第二電阻係串接在該第三輸入端與該光感測器的陽極之間。
  6. 如請求項5所述之煙霧感測裝置，其中：該第一積分器的第二輸入端與該第二積分器的第四輸入端係共同連接至一參考電壓，該參考電壓的電位為該系統直流電源的高電位的一半。
  7. 如請求項4所述之煙霧感測裝置，其中該訊號處理單元係進一步包含：一類比數位轉換電路，係電連接至該差動積分器中該第一及第二積分器的輸出端，將相加後的一積分感測訊號予以轉換為對應之感測數值。
  8. 如請求項7所述之煙霧感測裝置，其中該訊號處理單元係進一步包含一放大器，其串接於該差動積分器與該類比數位轉換電路之間。
  9. 如請求項1所述之煙霧感測裝置；其中：該光發射器為一紅外線光發射器；以及 該光感測器為一紅外線光感測器。
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