专利名称：微粒特性的光学探测的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学的微粒探测。在一个形式中，本发明涉及光学烟雾探测器，光学烟雾探测器使用电磁辐射的多个波长，以便能够进行一系列尺寸的微粒探测。在优选的形式中，本发明将被描述为使用光的4个波长而执行微粒探测，然而不应当考虑本发明被限制为这种典型的应用或执行。
背景技术：
已经公知探测空气中的微粒的多种方法。一种方法包括将光束投射穿过探测室 (探测室中包含空气样品)，并且测量以特定散射角从光束散射的光量。这样的微粒探测器可以是吸气式的，因为其将空气主动吸入其中，或者可选择地，其可以依靠自然的空气流， 以使空气移动进入探测室中。公知的是，微粒的角散射特性取决于与微粒尺寸相比的入射光的波长。因此，烟雾和微粒的探测器已经使用多个散射角和/或多个波长而被制造，以探测关注的预定尺寸的微粒。例如，紫外光被小微粒(例如烟雾)相对强地散射，而红外光被这样的微粒散射较少。另一方面，紫外和红外光对于接收的光强的变化同样敏感，接收的光强的变化由一些因素引起，例如系统的漂移、系统光学器件的污染或者将大微粒(例如灰尘)引入探测室。具有这样的多波长或多散射角的微粒探测系统，需要能够准确地确定以多个散射角或波长接收的信号是否由关注的微粒或干扰微粒(例如灰尘)引起。还可以使用光散射的这种波长敏感性或角度敏感性，来跟踪微粒群随时间的特性，例如随着烟雾微粒的尺寸分布的改变，跟踪火势的发展。因此，本发明的目标是提供方法，用于使用多于一个的电磁辐射波长来确定关注的微粒是否已经进入了探测室。对本说明书中的任何现有技术的参考，不是并且也不应当作为致谢或任何形式的建议，该现有技术形成澳大利亚或任意管辖区域的公知常识，或者有理由认为该现有技术可以被本领域技术人员弄清、理解，并且被视为与其相关。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了探测气流中的微粒的方法，包括接收表示以多个波长从气流散射的光的强度的信号；处理表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示气流中的微粒的至少一个特性的输出信号。处理的步骤可以包括，将至少一个函数拟合到表示接收的光的强度的信号和其对应的波长依赖参数；并且根据拟合到多个标绘的值的至少一个函数，确定表示气流中的微粒的至少一个特性的输出信号。有利地，可以以下述方法使用该函数，以表征气流中微粒的特性。多个函数或单一函数可以拟合到表示接收的光的强度的信号和其对应的波长依赖参数。
函数可以是，例如多项式。在一些示例中，输出信号可以根据所述函数的至少其中之一上的至少一个点的梯度而被确定。多个线性函数可以拟合到两个或多个信号和其对应的波长依赖参数。在这种情况下，输出信号可以根据所述多个线性函数的梯度而被确定(例如通过取梯度的平均值)。用于拟合每个线性函数的两个或多个信号可以表示邻近的波长处的散射光。可选择地，用于拟合每个线性函数的两个或多个信号可以包括与共同波长对应的信号。在可选择的实施例中，处理表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数的步骤包括，将统计方法应用于表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示气流中的微粒的特性的输出信号。在这些方法中，波长依赖参数可以是波长、能量或频率；或者是基于波长、能量或频率的参数；或者是某些其它的参数。在一些实施例中，方法可以包括将至少一个函数与对应气流中微粒的一个或多个特性的一个或多个预定的识别标志比较。处理表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示空气样品中微粒的特性的输出信号的步骤可以包括，将表示以多个波长接收的光的强度的信号与对应气流中微粒的一个或多个特性的一个或多个预定的识别标志比较。优选地，所述比较以至少3个波长执行。在示例性的实施例中，所述比较以4个波长执行。预定的识别标志中的一个或多个可以涉及气流中微粒的特性，包括但不限于微粒浓度、微粒尺寸、微粒尺寸的分布、微粒颜色、微粒组成、微粒类型、微粒形状、火灾类型、火灾发展的阶段、产生微粒的燃烧材料的类型。通过示例，识别标志可以对应下面的微粒类型烟雾微粒、灰尘微粒、棉绒微粒、其它的干扰微粒、宏观的外来物体、在预定的尺寸范围中的微粒。方法可以包括将表示接收的光的强度的信号和其对应的波长依赖参数中任一或者全部归一化，例如，值可以相对于最高值或最低值而被归一化。方法可以进一步包括将所述方法重复一次或多次，以随时间跟踪空气样品中由输出信号表征的微粒的至少一个特性。方法可以包括将至少一个随时间跟踪的特性与基于时间的识别标志比较。这允许识别具有特定的时间特性的某些事件或状况。考虑这一点，方法可以基于所述比较而识别状况。对于识别，适宜的状况或事件可以包括但不限于火灾、火灾的改变(例如规模的增加)、燃料或燃烧状况的改变、火灾阶段的发展(例如从缓慢燃烧到熊熊燃烧)、火灾类型 (例如燃烧材料的类型、香烟烟雾或电气火灾等)、灰尘产生事件(例如产生或引起灰尘的事件)、瞬时干扰条件(例如灰尘事件)、探测器故障(例如光源或光探测器失灵)、外来物体侵入探测室(例如昆虫或棉绒片进入探测室)。方法可以包括预处理表示以一波长接收的光的强度的信号，以去除背景光的效^ ο方法可以包括根据输出信号确定尺寸范围中的微粒的浓度。在另一方面，本发明提供微粒探测系统，包括适于容纳空气样品的探测室，用于以多个波长照亮空气样品的装置，用于以多个波长接收来自空气样品的散射光、并且输出表示以多个波长中的每一个接收的光的强度的信号的装置，处理装置，所述处理装置用于处理表示以多个波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以使用在此描述的方法产生表示空气样品中微粒的至少一个特性的输出信号。在又一方面，提供微粒探测系统，包括适于容纳空气样品的探测室；第一微粒探测装置，所述第一微粒探测装置包括第一光源和第一光接收器，所述第一光源用于以至少第一波长照亮空气样品的第一体积，所述第一光接收器具有与第一体积相交的视�。糜诮邮绽醋蕴讲馐业纳⑸涔獠⑶沂涑霰硎窘邮盏纳⑸涔獾牡谝恍藕牛坏诙⒘Ｌ讲庾爸茫龅诙⒘Ｌ讲庾爸冒ǖ诙庠春偷诙饨邮掌鳎龅诙庠从糜谝灾辽俚诙ǔふ樟量掌返牡诙寤龅诙饨邮掌骶哂杏氲诙寤嘟坏氖映。糜诮邮绽醋蕴讲馐业纳⑸涔獠⑶沂涑霰硎窘邮盏纳⑸涔獾牡诙藕牛还庠雌舳爸茫龉庠雌舳爸檬视谘≡裥缘卦诘谝皇奔渲芷谄舳谝还庠炊诘诙奔渲芷谄舳诙庠矗淮碜爸茫龃碜爸檬视谟氲谝皇奔渲芷诙杂Φ亟邮绽醋缘谝还饨邮掌鞯牡谝恍藕藕屠醋缘诙饨邮掌鞯牡诙藕牛⑶掖斫邮盏男藕牛远杂Φ谝皇奔渲芷诓虮尘肮舛恍拚牡谝皇涑觯⑶沂视谟氲诙奔渲芷诙杂Φ亟邮绽醋缘谝还饨邮掌鞯牡谝恍藕藕屠醋缘诙饨邮掌鞯牡诙藕牛⑶掖斫邮盏男藕牛远杂Φ诙奔渲芷诓虮尘肮舛恍拚牡诙涑�。优选地，探测室在第一和第二光接收器中的每一个的视场内包括至少一个壁，并且其中第一和第二光接收器被定位，使得所述室壁的相同部分基本位于第一和第二光接收器中的每一个的视场内。第一和第二光接收器优选地相对于其对应的第一和第二光源而定位，使得第一光接收器的视场和第二体积不相交，并且第二光接收器的视场和第一体积不相交。第一和第二波长优选地是不同的波长，但是可以是相同的波长。该原理还可以延伸到附加的光源和光接收器。与第一时间周期对应的第一输出优选地通过一过程进行因背景光而被修正，所述过程包括将表示对应第一时间周期接收的散射光的第二信号从对应第一时间周期接收的散射光的第一信号中减去。相似地，与第二时间周期对应的第二输出优选地通过一过程进行因背景光而被修正，所述过程包括将表示对应第二时间周期接收的散射光的第一信号从对应第二时间周期接收的散射光的第二信号中减去。正如在此所使用的，除了上下文需要，否则，术语“包括”及其变体，例如现在分词形式、第三人称单数形式和过去分词形式并不旨在排除另外的添加物、组件、整体或步骤。
现在通过仅仅是参照附图的非限制性的示例，描述本发明的优选实施例。在图中图1示出了根据本发明的实施例制造的微粒探测室的立体图；图2示出了图1的探测室沿线2-2的剖视图；图3示出了沿线4-4穿过探测室的气流路径的下部的剖视图4示出了穿过探测室沿线3-3的气流路径的上部的剖视图；图5示出了探测室的一部分的局部立体图，示出了本发明的实施例中的由探测器的光源照亮的体积和光接收器的视�。煌�6示出了通过探测室上部的截面，还示出了本发明的实施例中的光接收器的视场和光源的照明区域之间的交叉；图7示出了用于本发明的实施例的调节方式；图8示出了用于本发明的实施例的微粒探测过程的流程图；图9A、9B和9C示出了使用本发明的实施例在4个波长处的示例性输出以及3个与其相关的处理方法；图10是示出了烟雾探测系统随时间漂移的曲线，随时间的漂移由探测室的光学表面的污染引起。
具体实施例方式图1示出了烟雾探测器的探测室100的立体图。探测室100适于容纳由吸入系统 (未示出)吸入其中的空气样品，并且适于探测气流中微粒的存在。如果满足一个或多个警报条件，微粒探测警报器可以发出声音。在图1的探测室中，空气样品被吸入入口 102，流经穿过探测室的气流路径，并且经由排出口 104从探测室100排出。排出气流的一部分可以被过滤以提供清洁流，用于清洁探测器的易于堆积微粒的光学表面。图2示出了沿图1所示的线2-2穿过探测室100的剖视图，而图3和4分别示出了穿过流动路径的下臂和上臂的正交的截面。最初，空气被引入入口 102。接着，空气穿过流量传感器106。在该实施例中，流量传感器是超声流量传感器，依照以澳大利亚维信防火及保安有限公司(Vision Fire & Security Pty Ltd)名义提交的国际专利公布W0/2004/10M99运作。流量传感器的超声换能器108和110设置在流动通道的中心线的相对侧，并且穿过流动路径的中心线对角偏置。超声流量传感器106中的流动路径的截面通常是长方形的。如果需要，流动路径的尺度此时可以被选择为，保持流动路径的流量传感器之内的截面与入口 102的截面面积相等。通过将这些截面匹配，不会因超声流量传感器引起压强变化，并且此外通过选择相对扁平的长方形形状(或其它细长的形状，例如椭圆形)，超声流量传感器的竖直长度可以被最小化。更特别地，这使得流量传感器垂直于超声信号的传播方向的尺度之一能够被保持较�。苑乐勾衅髦胁恍枰幕厣�(多路径效应)。接着，气流沿流动路径的下部前进并且在弯曲部分112周围流动，并且进入探测室的上部中的关注的区域。此时，图4示出了穿过探测室100的剖视图。探测室100的该部分在其壁中包括一些孔，例如114和116，使得与探测室有关的光源能够照亮气流，并且还使得光接收器能够接收来自被照亮的体积内的散射光。在图2和4的剖视图中，可以看到光学部件118、120。 这些光学部件118和120包括一个或多个光源和相关的光学器件，用于照亮探测室100之内的体积。与光学部件118和120中的每一个有关的光学器件可以包括一个或多个透镜和空间孔径，以限定所需的照明体积。出于显而易见的原因，光源部件118和120适于将光与探测室100的中心线成一定角度地发射，并且由此光源部件118和120与中心线呈一定角度。
这在图5和6中被更好地示出，图5和6示出了由光源中的每一个引起的照明光锥和光接收器的视场。首先参照图5，其示出了探测室100的一部分的局部剖视图。在该图中，示出了探测室壳体125的一部分。在该壳体的后部126中安装光学部件118之一，包括电路板130上的表面贴装的LED。还提供透镜132。孔径(光穿过其中照射)限定准直光圈，以产生第一被照亮的体积134。另外，镜像光源部件(未在该图中示出)产生第二照明体积136。如图6所示，由于光源相对于流动路径的中心线的角偏移，被照亮的体积134和 136部分地重叠，并且不与室的壳体125的外壁相交。照明体积134和136被壳体125的斜置的后壁127终止。壁127可以被构造为包括一个或多个折流装置，以控制从表面127的反射。照明体积134和136与相应对准的光接收器(例如光电二极管142)的视场138 和140相交。另一光电二极管没有在该图中示出。在该图中，视场138和140示出为锥形以帮助理解。被照亮的体积134和对应的视场138的交叉，产生对应的关注区域144，而照明体积136和对应的光接收器视场140形成第二关注区域146。在该实施例中，光电二极管的视场的中心线设置为，相对于其对应的光源形成的被照明的体积的中心线成67度角。在使用中，当流经探测器100的气流中的微粒进入光接收器之一的视场时，在被照亮的体积内与微粒撞击的一部分光将被散射进入对应的光接收器的视场。被接收的光的强度可以用于确定气流中微粒的浓度。在本发明的优选实施例中，光源118和120发射不同波长的辐射。最优选地，光源能够以大量波长发射。例如，光源120可以适于以红外波长发光，而另一光源118可以适于以多个波长(例如以3个波长，一个在电磁波谱的蓝色部分，一个在电磁波谱的绿色部分， 而一个在电磁波谱的红色部分)发光。正如本领域技术人员可以理解的，还可以使用其它的光发射装置，例如可以使用一个或多个宽带光源。光接收器138和140优选地关于其对应的第一和第二光源134和136而定位，使得第一光接收器138的视场和由第二光源136照亮的体积并不相交，并且反过来也一样。然而，正如本领域技术人员可以理解的，被照亮的体积不会是清晰限定的锥形，因为来自光源的光强将从被照亮的体积的中心径向衰减。准确的轮廓将取决于使用的光源和系统的光学构造。因此，应当理解的是，对于第一光接收器的视场和第二被照亮的体积(以及第二光接收器的视场和第一被照亮的体积)的不交叉的优选，不应当被理解为要求在光接收器的视场之内没有来自光源的光，而仅仅要求在接收器的视场之内的来自光源的亮度级低于某个可接受的阈值，例如亮度级已经下降到_3dB点以下，或者下降到峰值强度的某些其它百分比(例如1%)。相似地，被照亮的体积的边缘可以以光能的水平为基础确定。两个光电二极管的视场138和140还被安排为使其在其撞击的探测室表面处基本重叠。这样能够如下所述地在探测器中执行背景减除算法。再次回到光源118和120，在优选的形式中，光源包括红外LED 120和红绿蓝 (RGB)LED 118。这使得光的4个波长处于相对紧凑的物理空间中。当然，在本发明的其它实施例中，可以使用可见范围之内或之外的光或电磁辐射的更多或更少的波长。在优选的形式中，样品体积依次被4个波长中的每一个照亮。例如，LED开关方案可以如表1所列地执行。
权利要求
1.一种探测气流中的微粒的方法，包括接收表示以多个波长从气流散射的光的强度的信号；处理表示以所述波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示气流中的微粒的至少一个特性的输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于处理的步骤进一步包括将至少一个函数拟合到表示接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数；并且根据所述至少一个函数，确定表示气流中的微粒的至少一个特性的输出信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于包括将多个函数拟合到表示接收的光的强度的信号和它们对应的波长依赖参数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于单一函数被拟合到表示接收的光的强度的信号和它们对应的波长依赖参数。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于函数或函数之一是多项式。
6.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于输出信号根据所述函数的至少其中之一上的至少一个点的梯度而被确定。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于多个线性函数被拟合到两个或多个信号和其对应的波长依赖参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述输出信号根据所述多个线性函数的梯度而被确定。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于用于拟合线性函数的所述两个或多个信号表示邻近的波长处的散射光。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于用于拟合每个线性函数的两个或多个信号包括对应于共同波长的信号。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于处理表示以所述波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数的步骤包括，将统计方法应用于表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示气流中的微粒的特性的输出信号。
12.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于所述波长依赖参数选自波长、能量或频率；或者基于波长、能量或频率的参数。
13.根据权利要求2-11中任意一项所述的方法，其特征在于进一步包括将至少一个函数与对应气流中微粒的一个或多个特性的一个或多个预定的识别标志比较。
14.根据权利要求1所述的探测微粒的方法，其特征在于处理表示以所述波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示空气样品中微粒的特性的输出信号的步骤可以包括将表示以多个波长接收的光的强度的信号与对应气流中微粒的一个或多个特性的一个或多个预定的识别标志比较。
15.根据前述任意一项权利要求所述的探测微粒的方法，其特征在于使用至少3个波长。
16.根据前述任意一项权利要求所述的探测微粒的方法，其特征在于使用4个波长。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述预定的识别标志中的一个或多个涉及气流中微粒的以下特性中的任意一个或多个微粒尺寸、微粒尺寸的分布、微粒颜色、微粒组成、微粒类型、微粒形状、火灾类型、火灾发展的阶段、由某种燃烧材料产生的微粒。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于预定的识别标志对应下面的微粒类型烟雾微粒、灰尘微粒、棉绒微粒、其它的干扰微粒、宏观的外来物体、在预定的尺寸范围中的微粒、由某种材料的燃烧而产生的微粒。
19.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于包括将表示接收的光的强度的信号和其对应的波长依赖参数中任一或者全部归一化。
20.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于进一步包括将所述方法重复一次或多次，以随时间跟踪空气样品中由输出信号表征的微粒的至少一个特性。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于所述方法进一步包括将至少一个随时间跟踪的特性与基于时间的识别标志比较。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于进一步包括，基于所述比较而识别状况。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于所述状况选自火灾、火灾的改变、火灾阶段的发展、灰尘产生事件、瞬时干扰条件、探测器故障、外来物体侵入探测室、某种材料的燃烧。
24.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于包括预处理表示以一波长接收的光的强度的信号，以去除背景光的效果。
25.根据前述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于根据所述输出信号确定尺寸范围中的微粒的浓度。
26.一种微粒探测系统，包括探测室，所述探测室适于容纳空气样品； 用于以多个波长照亮空气样品的装置；用于以多个波长接收来自空气样品的散射光的装置，所述装置输出表示以多个波长中的每一个接收的光的强度的信号；和处理装置，所述处理装置用于处理表示以多个波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以使用前述任意一项权利要求中所述的方法产生表示空气样品中微粒的至少一个特性的输出信号。
27.一种微粒探测系统，包括探测室，所述探测室适于容纳空气样品；第一微粒探测装置，所述第一微粒探测装置包括第一光源和第一光接收器，所述第一光源用于以至少第一波长照亮空气样品的第一体积，所述第一光接收器具有与所述第一体积相交的视场，用于接收来自所述探测室的散射光并且输出表示接收的散射光的第一信号；第二微粒探测装置，所述第二微粒探测装置包括第二光源和第二光接收器，所述第二光源用于以至少第二波长照亮空气样品的第二体积，所述第二光接收器具有与所述第二体积相交的视场，用于接收来自所述探测室的散射光并且输出表示接收的散射光的第二信号；光源启动装置，所述光源启动装置适于选择性地在第一时间周期启动第一光源而在第二时间周期启动第二光源；和处理装置，所述处理装置适于与所述第一时间周期对应地接收来自所述第一光接收器的第一信号和来自所述第二光接收器的第二信号，并且处理接收的信号，以对应所述第一时间周期产生因背景光而被修正的第一输出；并且适于与所述第二时间周期对应地接收来自所述第一光接收器的第一信号和来自所述第二光接收器的第二信号，并且处理接收的信号，以对应所述第二时间周期产生因背景光而被修正的第二输出。
28.根据权利要求27所述的微粒探测系统，其特征在于所述探测室在所述第一和第二光接收器中的每一个的视场内包括至少一个壁，并且其中所述第一和第二光接收器被定位，使得所述室壁的相同部分基本位于所述第一和第二光接收器中的每一个的视场内。
29.根据权利要求27或洲所述的微粒探测系统，其特征在于所述第一和第二光接收器相对于其对应的第一和第二光源而定位，使得第一光接收器的视场和第二体积不相交， 并且第二光接收器的视场和第一体积不相交。
30.根据权利要求27- 中任意一项所述的微粒探测系统，其特征在于所述第一和第二波长是不同的波长。
31.根据权利要求27-30中任意一项所述的微粒探测系统，其特征在于与所述第一时间周期对应的第一输出通过一过程进行因背景光而被修正，所述过程包括将表示对应所述第一时间周期接收的散射光的第二信号从对应所述第一时间周期接收的散射光的第一信号中减去。
32.根据权利要求27-31中任意一项所述的微粒探测系统，其特征在于与所述第二时间周期对应的第二输出通过一过程进行因背景光而被修正，所述过程包括将表示对应所述第二时间周期接收的散射光的第一信号从对应所述第二时间周期接收的散射光的第二信号中减去。
33.根据权利要求27-29中任意一项所述的微粒探测系统，其特征在于所述第一和第二波长是相同的波长。
34.一种超声流量传感器，所述流量探测器包括入口，用于接收空气样品，所述入口具有第一横截面面积，所述流量探测器还包括出口，空气样品通过所述出口离开所述流量传感器，流量探测室在所述入口和所述出口之间延伸，其中，所述流量探测室的横截面面积基本等于所述入口的横截面面积。
35.根据权利要求33所述的超声流量传感器，其特征在于所述入口的横截面形状与所述流量探测室的横截面形状不同。
全文摘要
本发明描述了一种探测气流中的微粒的方法。所述方法包括接收表示以多个波长从气流散射的光的强度的信号，并且处理表示以波长中的每一个接收的光的强度的信号和对应的波长依赖参数，以产生表示气流中的微粒的至少一个特性的输出信号。本发明还描述微粒探测系统。
文档编号G01N21/94GK102232183SQ200980144262
公开日2011年11月2日 申请日期2009年9月4日 优先权日2008年9月5日
发明者凯末尔·阿贾伊, 尼汀·瓦耶达, 布赖恩·亚历山大 申请人:爱克斯崔里斯科技有限公司
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