帶粒子傳感器的煙塵探測器的製作方法
2023-08-03 16:21:41
專利名稱：帶粒子傳感器的煙塵探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及煙塵探測器。本發明特別涉及構造得用來檢測並且測量各單個煙塵粒子這樣的探測器。
火災探測器被認為是有價值的安全器械，因為它們通常可望用來提供一個區域火災活動情況的早期報警。已知的火災探測器採用多種不同類型的傳感器。例如，用測溫計來檢測增加的環境溫度。具有電離或光電傳感器的煙塵探測器，可探知受監視區域空中懸浮粒子物質的存在。氣體探測器檢測一種或多種氣體的存在及濃度。
儘管已知的探測器是有用的，但它們設計成檢測選擇的宏觀狀況的存在。例如測溫計一般檢測某一被監視區域中運動著的空氣的溫度。這樣，單個空氣分子的溫度指標並未被檢測。相反，檢測的是巨大數量的分子，從而提供一個平均溫度指示。與之相似，離子型和光電型煙塵探測器檢測某一區域中的煙塵濃度，而這包括了大量煙塵粒子。
作為它們的檢測方式的結果，就減少能耗、減小體積及減少可能達到的製造成本來說，已知的探測器都存在局限性。能夠利用當前集成電路處理技術且開發出體積小、價位低的小功率煙塵傳感器是人們所希望的。優選地，與檢測大量粒子的存在不同，這樣一種探測器檢測的是煙塵單個粒子，以便提供涉及煙塵類型和濃度的信息。
小功率固態粒子傳感器包括一個作為相干光源的雷射二極體。已知的雷射二極體具有1×5微米級的光束輸出射口。優選採用具有可以是最小的輸出射口的雷射二極體。尺度大約為1×1微米的輸出射口是適宜的。
在本發明的一方面，在靠近輸出射口處設置一粒子流動路徑，允許有間隔的各單個煙塵粒子順序流過。流動路徑優選具有與已知煙塵粒子大小差不多的尺寸，比如大約3微米。典型煙塵粒子大小已知為在大約0.1到1微米。人們還知道，這種粒子在流動通道中傾向於不受外界影響而不沿通道壁聚集。
在另一方面，光電傳感器，如光電二極體，可靠近輻射源的輸出射口布置，流動路徑的一部分位於該光電二極體和輸出射口之間。因此，在煙塵粒子經由流動路徑移動時，它們一次一個地在調整它們的射束前通過。
傳感器輸出的電信號表示粒子的大小和速度，該粒子實際上使輻射能束模糊。傳感器的輸出信號會響應經過流動路徑的每一個煙塵或懸浮物粒子而出現。或者，傳感器的方位可確定為探測單個粒子的反射光。
採用不連續的煙塵粒子傳感器的火災探測器包括一個作為相干光源的雷射二極體。一個懸浮物通道靠近二極體設置，處在或者是從那裡的或者是構造成的輸出射口，以便橫穿受激發射的區域。光振幅測定元件如光電探測器予以配置，從而探測響應於單個浮在空中的煙塵粒子存在的光強度變化。
處理來自探測器的已調信號，以決定煙塵類型和濃度，從而確定火災跡象的存在或不存在。一方面，可提供為分析檢測到的顆粒物質大小以決定火災類型的電路系統。用於決定粒子間距離的電路系統可用來確定煙塵濃度。類型識別電路系統可用於分析的目的。
採用無閥固態激活器，單向或雙向粒子流都能提供。另外，粒子流亦可熱誘發。
另一方面，多個探測器可陣列布置。在這種布置中，吸收和散射都可採用，以便發出顯示顆粒物質存在，粒子大小和濃度的信號。另外，也可採用發射不同頻率光的多個雷射源。而且，一個或多個光電探測器的位置可針對光源改變。
另一方面，檢測到的顆粒物質可被可能具有不同輸出頻率的第二雷射的第二光源照射。這種在單個粒子中注入輻射能的行為，可能改變粒子大小或其它可識別的性質。為了進行「改變前」和「改變後」的分析，可再次檢測這些表現出變化了的特性的粒子。
本發明多項其它優點及特點易於從以下對這項發明及其實施例的詳細描述中，從權利要求中和從附圖中清楚看到。
圖1是按照本發明的粒子測量器的側立面圖；圖1A是圖1所示探測器的局部放大圖；圖2是圖1所示粒子測量器的俯視圖；圖3是圖1所示粒子測量器的側立面局部放大圖；圖4A是一種形式雷射源的側立面放大圖；圖4B是又一種形式的雷射源的側立面放大圖；圖5是又一種形式的雷射源的側立面局部放大圖；圖6是圖1所示粒子測量器的側立面圖，它包括一個固態、無閥、粒子致動泵；圖6A是圖6所示泵的局部放大圖；圖7是包括一個固態泵的另一種形式測量器的側立面放大圖；圖8A是一個包括一個光電傳感器陣列的粒子測量器的側立面圖；圖8B是一個包括一個輻射源和傳感器陣列的粒子測量器的側立面圖；和圖9是又一種形式的多輻射源測量器的側立面放大圖。
雖然本發明可以以多種沒形式實施，但在此圖示和詳細描述的是它的具體實施例，該公開被看作為按照本發明原理的一個實例，並不用來把本發明限制在圖解的具體實施例中。
人們知道，煙塵粒子直徑在約為0.1到1.0微米的範圍內變化。它們以每英尺2％的模糊水平傾向於大約10∶100微米數量級分開。
人們還認識到，在常數級模糊水平下，顯示更熱火焰的較小粒子會聚合到一起。而且，不同物質在不同情況下燃燒及產生不同的粒子尺寸分布。因此，基於粒子，為反射、分散、吸收或模糊一個或多個輻射能束之目的，與粒子濃度一起，可利用煙塵粒子的不同特性。
圖1表示按照本發明的粒子測量系統10。圖1的系統與許多描述過的替換件一起，可用來實現提供體積小、價位低、能耗低的煙塵探測器。對單個煙塵粒子測量和分析其性能參數是有效的。
系統10包括一個固態輻射能雷射發射源12。雷射源12可通過例如固態雷射二極體束製成。這種二極體已知根據輸入電能從輸出射口放射單色輻射能光束。在雷射二極體的p-n結形成一個光共振道或腔。共振道端部與反射面或平面鄰接。在熟知的雷射二極體中，輸出射口位於共振道的一端。
系統10還包括一個傳感元件14。傳感元件14可以是一個例如光電二極體。
元件12、14空間相互分開地由一個基座16支撐。系統10可裝入殼16a中。它可以靠電池或其它電源18供電，還可包括控制電路18a。
在圖1所示實施例中，粒子傳感器14從雷射12的輸出射口12a移開一個相當於煙塵粒子流動路徑20寬度的距離，詳細如圖1A、2和3所示。
流動路徑20具有與被測量或檢測類型的煙塵粒子大小數量級相同的尺寸。例如可把流動路徑20構造為寬度和深度尺寸大約3微米×3微米。按這種尺寸可使煙塵顆粒物質如粒子P1,P2和P3單個且互相分開地流過通道20。
一個代表性的煙塵粒子，如P2，在從由輸出射口12a發射出的輻射能束12b前通過時，至少部分地模糊一部分投射到光電二極體14上的輻射能束。這種代表通過通道20的單個煙塵粒子的模糊會依次使光電二極體14發射出變化的電信號，這種電信號表示，當單個煙塵粒子，如粒子P2，沿通道20通過光束12b時，投射到探測元件14上輻射能量的增減。
靠說明通道20的典型尺度，煙塵單個粒子的通過情況可以測量。而且，如接著要討論的，煙塵粒子類型和涉及濃度水平的信息也可用系統10來推斷。因此，來自二極體14的隨通過顆粒物質大小、速度和濃度改變的輸出信號可根據連續過程電路予以分析，從而確定是否被檢測的顆粒物質顯示火災跡象。在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，也可檢測到反射或散射光。
可以理解，顆粒物質P1、P2……Pn傾向於沿通道20的中心軸線通過。這樣的顆粒物質在流過雷射源12或傳感元件14之間時不易被吸引和/或附著到它們的表面。
儘管系統10符合位於雷射源12的輸出射口12a和與之隔開的二極體14之間的通道20，但在不脫離本發明的精神和範圍的前提下有其他構造。例如，圖4A顯示了雷射二極體30的另一種形式。二極體30由具有熟知的有效產生雷射振蕩類型的p-n結的半導體32構造成。
光電二極體34在一個輸出射口與本體部分32的一端相連。通道36部分地形成在二極體30中的本體32中。通道36提供一個通路，被激發的光的發射必須連同產生所需的光振蕩通過這個通路，其特點在於是單色輸出光束。
通道36部分地橫向慣穿本體，與通過本體32的被激發射光的移動方向基本垂直。這種構造形式使得通過通道36的煙塵顆粒物質有可能影響光振蕩方式。而這會減小輸出輻射能。這種減小或改變又可被光電二極體34檢測到。
圖4B顯示另一個實施例，其中，一個雷射二極體30a構造於一個半導體本體32a中。在圖4B的實施例中，通道36a按慣穿本體32a形成，它與一個被激發射光經過的通道同軸。通道中煙塵顆粒物質的存在會影響光振蕩方式且可被鄰近的如上述的光電傳感器34a檢測。
圖5表示又一個實施例。其中，一個包括光激射半導體42和相關的光電二極體44的系統40清楚可見。這個光電二極體44位於光激射半導體42的一個第一端42a。一個輻射能輸出射口42b靠近光電傳感器44安放。
一個煙塵粒子通道46在半導體42的一個第二端42b和一個反射元件48間形成。為引起光共振，即引起必要的被激發射以便在輸出射口42b產生輸出單色光束，半導體本體42與反射器48配合工作。如圖5所示，來自42b表面的輻射能束R1，行進到反射元件48，從那裡反射且重新進入本體42的光激射通道42d，加強光共振。
通道46中煙塵顆粒物質P1、P2的存在影響光共振方式。如圖5所示，顆粒物質如粒子P1從通道46通過，會部分地阻擋從通道42d到反射元件48的輻射能束R1的行進。如果在通往反射元件48的路上未受阻擋，則從反射元件48的回程路上輻射能束R1』就可能被顆粒物質P1阻擋。在這種情況下，來自光電傳感器44的輸出信號由於與光的行進或反射過程幹涉，可以期望提供一個通過通道46的粒子的位移的指示。圖5結構可期望提供增強的信噪比，因為通道46內的顆粒物質既減弱出來的發射光R1也減弱反射回的反射光R1』。
圖6表示系統10的又一方面。考慮到通道20的尺寸，優選為顆粒物質提供推進，使之沿通道20通過。例如，可用扇來創造正壓條件促使顆粒物質流過通道20。或者也可用扇來創造負壓條件抽吸顆粒物質流過通道20。
固態裝置可用於把顆粒物質吸入通道20並從那裡把它們驅出。例如，可在通道20的一端放置一個固態泵60，以便根據施用的電信號，提供在顆粒物質通道20中的相應運動。
人們認識到，煙塵探測器中經常用來產生聲音報警的壓電元件會這樣，條件是通過類似於受壓時一個鋼鼓的端部的中心的移動方式來回物理振蕩。這種振蕩方式，在運動按一個第一方向時可用來把顆粒物質抽吸到通道20中。當接下來運動與第一方向相反時，顆粒物質則被從通道20中驅出。因此，壓電元件提供一種固態無閥系統形式的泵，該泵吸入用於測量和分析的合適的顆粒物質，一次一粒，且接著驅出該顆粒物質。
另外，從雷射源吸收輻射能產生的熱可被用作為促使顆粒物質流過通道20的載體。
圖7表示另一種結構型式，該結構型式用壓電元件實現把顆粒物質抽吸到通道中的目的。圖7的粒子測量器10a包括一個雷射源12-1和光電探測器14-1。通道20-1延伸於其間。
一個壓電撓曲元件支持著光電二極體14-1。根據所供電能，該壓電元件64彎曲，相對於在其附近的光源12-1軸向移動光電二極體14-1，吸引顆粒物質進入其間的通道20-1。
系統10a因此代表了另外一種形式的無閥固態泵，該泵可用來引起顆粒物質流，一次一粒，通過該光源/探測器12-1/14-1結合體。這樣就會產生來自探測器14-1的變化的電信號輸出，該輸出可用來分析煙塵類型及濃度。
可以理解，如果需要，可在通道20的入口設置適當的過濾件，以便從那裡排除非煙塵的懸浮顆粒物質如毛髮、灰塵等。
圖8A表示另一種形式的粒子測量系統10b，這個系統包括一個雷射源12-2和一個與光源12-2的輸出射口隔開的光電二極體列陣14-2，一個粒子通道20-2延伸其間。
列陣14-2可以是二維形式或三維形式。陳列14-2的不同元件對應於顆粒物質，如粒子P1通過通道20-2時的吸收和散射的輻射能。列陣14-2的使用，使得實現對單個煙塵粒子的多路分析成為可能，該列陣可由裝在單個基片上的非常小巧的固態探測器構成。
另一種形式的多路結構可由一系列平行光源12-3、12-4……12-n來實現，如圖8B所示。圖8B的雷射源可以構造成能產生不同頻率的光束。對應因此被測的單個粒子的各個光電傳感器的輸出還可用來實現煙塵粒子和濃度特性的多路分析，以便決定火災跡象的存在。
可以理解，通過輔助控制電路18a，各種被測粒子出於分析目的都可被利用來作出粒子大小分布曲線或其它有關火災特性的分布曲線。該分布曲線又可用來決定火災跡象的存在。電路18a，如果需要，可以是光源12本機的。另外，它可以在一個普通通訊裝置或控制盤上是部分本機和部分遙控的。
圖8A和8B表示的多路粒子測量器類型，也使得根據一定程度的被阻擋的光，顯示粒子大小和粒子間距離、顯示煙塵濃度、建立被測粒子或被測粒子特性分布曲線成為可能。它們可提供這些信號，例如，出於分析目的，為識別電路定型。
圖9表示又一種形式的粒子測量/分析多光源/探測器系統70。系統70包括多束分析雷射72a,72b及與它們相連的傳感器74a和74b。一個通道76a延伸其間。
顆粒物質可由無閥固態泵76b噴入通道76a。當顆粒物質通過通道76a時，其存在可由傳感器74a和74b探知。來自這些傳感器的信號可按上述方式處理。
布置在輻射源72a和72b之間的是另一輻射能源72c。輻射能源72c的目的是在顆粒物通過輻射源72a後而通過輻射源72b之前，把輻射能或光射入顆粒物質中。這個過程得到了一種分析因來自輻射源72c的輻射能而可能改變了其特性的各種煙塵粒子的至少部分破壞性形式的處理形式。
改變了的顆粒物質或性能參數又可由光電傳感器74b檢測，以與傳感器74a產生的信號相比較及進行進一步分析。當泵76b引起顆粒物質的往復運動時，傳感器74a和74b就探測響應固態泵76b而先在一第一方向而後沿與第一方向相反的方向運動的顆粒物質。
從以上討論可知，為了形成一儘可能是最小橫截面的輸出光束，優選採用一個具有一個輸出射口，儘可能小的對應於光激射通道面積的光激射源，這可期望產生最大可能的信噪比。同樣可知，光電探測器的活性區域面積尺寸應儘可能小，以提供增強的信噪比。
優選光源的輸出射口約為1×1微米數量級的尺度。同時優選各個光電探測器的活性區域面積大約為1×1微米數量級。
還可知，可從各個雷射源輸出射口按不同距離配置多個光電探測器。來自不同距離放置的光電探測器的信號的分析也可用於確定火災跡象的存在。
從上文可以看出，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可以作各種變化和改進。應當理解這裡所說的具體裝置沒有限制意義和表示。當然，所有這些改進都落入所附權利要求範圍內。
權利要求
1．用於探測懸浮燃燒顆粒物質的系統，這個系統包括至少一個實際上預定頻率的固態輻射能源，一個具有能量的光束從這個輻射能源的一個選定面積的輸出射口發射出；一個用於至少一部分顆粒物質的流動路徑，這個路徑在一個選定的區域至少與一部分輻射能橫交，這樣其中的顆粒物質會影響光束，且流動路徑的尺寸定得使間隔的粒子一次一粒地流過；以及一個固態輻射能傳感器，這個傳感器靠近輸出射口放置，且產生表徵顆粒物質的性能結果的電信號。
2．根據權利要求1的系統，其特徵在於，上述輻射源布置在距上述傳感器5微米之內。
3．根據權利要求1的系統，其特徵在於，上述路徑部分地在上述輻射源中形成，由此上述顆粒物質影響上述光束的形成。
4．根據權利要求1的系統，其特徵在於，在上述路徑中的顆粒物質至少部分地阻擋入射到傳感器上的光束。
5．根據權利要求3的系統，其特徵在於，上述輻射源包括雷射，且上述路徑中的顆粒物質幹涉所述輻射源的光激射。
6．根據權利要求5的系統，其特徵在於，上述通路具有一個部分地在該輻射源中形成的尺寸，該尺寸小於5微米長。
7．根據權利要求1的系統，其特徵在於，上述輻射源包括一個雷射二極體，上述路徑具有一個長度小於5微米的區域，且此路徑在上述輸出射口和上述傳感器之間延伸，而上述傳感器響應單個燃燒粒子通過該區情況產生變化的輸出信號。
8．根據權利要求1的系統，其特徵在於，這個系統包括一個抽吸器，用於使沿所述路徑在至少一個方向上產生顆粒物質流。
9．根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述抽吸器是可通電的且具有一個固態激勵器。
10．根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述抽吸器器是無閥的。
11．根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述路徑部分地向一個鄰近區域敞開且所述元件通電後促使顆粒物質以共振方式在輻射源和傳感器之間運動。
12．根據權利要求8的系統，其特徵在於，所述系統包括控制電路，至少與所述傳感器連接，用於檢測來自傳感器的信號。
13．根據權利要求1的分析懸浮顆粒物質的方法，這種方法包括下列步驟形成一有間隔的，單個的懸浮粒子流；用基本單色的光的檢測光束照射這些粒子，一次一個；檢測表徵被照射粒子的改變了的光束的參數特徵；及處理各個檢測到的並改變了的參數特徵。
14．根據權利要求13的方法，其特徵在於，所述方法包括在檢測步驟之後，用輻射能改變的光束照射上述單個粒子，從而至少改變某些粒子的參數。
15．根據權利要求14的方法，其特徵在於，所述方法包括用檢測光束照射改變了參數特性的粒子並檢測改變後的粒子。
全文摘要
一個採用單個煙塵粒子測量器的大災探測器,包括一個作為相干光源的雷射二極體。一個懸浮粒子通道靠近該二極體放置,放在它的一個輸出射口或構造出,以橫穿一個受激發射區域。一個光振幅檢測元件,如光電探測器予以配置從而探測響應單個浮在空中的煙塵粒子存在的光強度變化。處理來自探測器的已調信號,以決定煙塵類型和濃度,從而確定火災跡象的存在或不存在。採用無閥固態激勵器,單向或雙向粒子流都能提供。採用帶有多個傳感器具有多輻射源/傳感器對的單個輻射源可提供多通道輸出。
文檔編號G08B17/12GK1236097SQ9910317
公開日1999年11月24日 申請日期1999年3月24日 優先權日1998年3月24日
發明者喬治·A·舍恩菲爾德, 德拉甘·彼得羅維奇, 朱麗葉·C·戴利 申請人:彼特威公司