光散射型烟雾传感器的制作方法

专利名称：光散射型烟雾传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光散射型烟传感器，其通过发射光线并检测被烟雾散射的光线来感测烟雾。
背景技术：
现有的光散射型烟雾传感器主要包括一个烟雾腔，烟雾通过此烟雾腔从外部进入到传感器中。烟雾腔的一个内部空间作为烟雾感测空间，设置在此空间内的一个光发射元件发射出的光线被烟雾散射，散射光被一个光接收元件接受，由此可探测出火灾的发生。
该烟雾感测空间设置在烟雾传感器的烟雾腔内，以实现准确地感测由烟雾产生的微弱散射光，而不被外界光线所干扰，同时，也可以防止外物进入烟雾感测空间中。然而，如果类似于小昆虫之类的外物进入到烟雾感测空间中，则可能引起光的散射并导致错误的火灾报警。因此，对于现有的光散射型烟雾传感器而言，烟雾腔中的烟雾感测空间的设置方式是非常重要的(参见专利文献1与专利文献2)。
专利文献1第H6-109631号日本专利申请公开文献；专利文献2第H7-12724号日本专利申请公开文献。

发明内容
本发明要解决的问题对现有光散射型烟雾传感器而言，烟雾腔事实上是一个很容易产生问题的必要结构。
首先，对现有散射型烟雾传感器而言，烟雾腔的一部分需要向外突出，以便烟雾流入烟雾腔。这样的烟雾传感器被安装到类似于天花板表面时，如果从室内设计的角度出发，突出于天花板表面的部分会产生不好的视觉效果。
此外，由于从外部进入到烟雾腔中的烟雾需要途经一些设置在烟雾腔周围的部件，例如盖体，烟雾入口，阻拦昆虫的屏障，以及遮蔽外部光线的迷宫式的通路(遮光墙)等，因此，此情形下，烟雾的流动状况并不能达到预期效果，有可能导致烟雾感测的延迟。
再者，在烟雾传感器安装好之后，当灰尘之类的外物附着在烟雾腔内，或露水形成在烟雾腔内时，由于烟雾腔内的光线反射，信噪比将严重降低，或可能产生错误的警报。因此，烟雾腔需要定期清扫和检查，这样会增加维护成本。
如果能够利用光的波长特性或偏振特性消除外部光线对烟雾所产生的散射光的影响，那么烟雾传感器的烟雾腔就成为非必要结构。这样的解决方案从各个方面而言都是有利的，例如，其能够消除现有的烟雾腔所带来的缺陷。
综上所述，本发明的目的是提供一种利用光线散射的烟雾传感器，其内部无需设置烟雾腔。
解决问题的方案为了解决上述问题并达到发明目的，权利要求1中所述的本发明包括传感器主体；设置在传感器主体中的光发射器，所述光发射器向设置在传感器主体外部的烟雾感测空间发射光；设置在传感器主体中的光接收器，所述光接收器接收由光发射器发射到烟雾感测空间的光所产生的散射光，并根据接收到的散射光量输出一个光接收信号；以及一个火灾判断单元，其根据由光接收器所输出的光接收信号所确定的光量判断是否发生火灾。
根据权利要求1的权利要求2所述的本发明，其中所述的火灾判断单元根据接收到的光量以及此光量的微分值来判断火灾是否发生。
根据权利要求2的权利要求3所述的本发明，其中当接收到的光量超过一个预定的火灾阈值，且所接收到的光量的微分值等于或小于一个预定的错误报警阈值时，所述的火灾判断单元作出火灾发生的判断。
根据权利要求3的权利要求4所述的本发明，其中，当接收到的光量超过一个预定的火灾阈值，且所接收到的光量的微分值超过一个预定的错误报警阈值时，在经过一个从微分值超出预定的错误报警阈值开始起算的预定时间后，所述火灾判断单元检测接受到的光量是否超出一个预定的障碍阈值，当接收到的光量超过障碍阈值时，此火灾判断单元将作出存在阻碍火灾感测的障碍物的判断。
根据权利要求1的权利要求5所述的本发明，在等于或长于一个第一预设定时间段内，当接收到的光量超过一个预定的第一火灾阈值，而且在等于或长于一个长于第一预设定时间段的第二预设定时间段内，接收到的光量超过一个预定的比第一火灾阈值大的第二火灾阈值时，火灾判断单元作出火灾发生的判断。
根据权利要求1至5中任一项的权利要求6所述的本发明，所述的光发射器可以由多个光发射器组成。
根据权利要求6的权利要求7所述的本发明，所述的光发射器包括发射第一波长光的第一光发射器，以及发射比第一波长短的第二波长光的第二光发射器，第一光发射器的光轴与光接收元件的光轴之间相互交叉所形成的第一散射角小于第二光发射器的光轴与光接收元件的光轴之间相互交叉所形成的第二散射角。
根据权利要求7的权利要求8所述的本发明，所述第一波长的中心波长等于或大于800nm，所述第二波长的中心波长等于或小于500nm，所述第一散射角介于20°至50°之间，所述第二散射角介于100°至150°之间。
根据权利要求6的权利要求9所述的本发明，所述光发射器具有第一光发射器和第二光发射器，第一光发射器发射出具有垂直于第一散射面的偏振面的光，其穿过第一光发射器的一个光轴和光接收元件的光轴，第二光发射器发射出具有平行于第二散射面的偏振面的光，其穿过第二光发射器的一个光轴和光接收元件的光轴，第一光发射器的光轴与光接收元件的光轴相互交叉所形成的第一散射角小于第二光发射器的光轴与光接收元件的光轴相互交叉所形成的第二散射角。
根据权利要求9的权利要求10所述的本发明，其中第一散射角等于或小于80°，第二散射角等于或大于100°。
根据权利要求6至10中任一项的权利要求11所述的本发明，其中所述的多个光发射器以立体角度排列，使得各光发射器的光轴与光接收元件的光轴所在的多个平面之间不共面。
根据权利要求6至11中任一项的权利要求12所述的本发明，其中所述光发射器包括第一光发射器与第二光发射器，火灾判断单元根据由第一光发射器发射并由烟雾散射的散射光，通过光接收器比较接收到的光量，同时，火灾判断单元根据由第二光发射器发射并由烟雾散射的散射光，通过光接收器比较接收到的光量，以此鉴别烟雾的种类，并根据与烟雾种类相关的标准来判断火灾是否发生。
根据权利要求1至12中任一项的权利要求13所述的本发明，所述光感测空间中的光发射器的光轴与光接收器的光轴之间的相互交叉点与传感器主体之间的距离最少约为5mm。
根据权利要求1至13中任一项的权利要求14所述的本发明，其中传感器主体外表面的至少一部分由驱虫材料制成，或者传感器主体外表面的至少一部分被使用或者渗入驱虫剂。
根据权利要求1至14中任一项的权利要求15所述的本发明，其中光接收器具有不超过5度的视角。
根据权利要求1至15中任一项的权利要求16所述的本发明，其中光发射器发射经过校准的平行光束。
根据权利要求1至16中任一项的权利要求17所述的本发明，其进一步包括一用于放大光接收器所输出的光接收信号的对数放大器。
根据权利要求1至17中任一项的权利要求18所述的本发明，其进一步包括一个光发射控制器以及一个放大器，光发射控制器使用一个调制后的光发射信号驱动光发射器间歇性地发射光，而放大器则同步于调制后的光发射信号将从光接收器输出的光接收信号进行放大。
根据权利要求18的权利要求19所述的本发明，其进一步包括一个光发射控制器，光发射控制器使用一个调制后的光发射信号驱动光发射器间歇性地发射光，其中光发射器发射可见光波长范围内的光，所述光发射控制器以等于或小于1毫秒的光发射脉冲宽度驱动发射出间歇性的光。
根据权利要求19的权利要求20所述的本发明，所述光发射控制器将一个间歇光发射过程设置成一个等于或小于1毫秒的光发射周期。
根据本发明，因光向传感器主体外的烟雾感测空间发射和从该空间被接收，所以，烟雾传感点能设置在传感器主体之外，从而感测烟雾。因此，烟雾腔体是不必要的，并且在传统结构中突出的烟雾腔体部件是不必要的，烟雾腔体相应的部位可被制成平薄的。结果，当光散射型烟雾传感器被安装在一个天花板上时，传感器主体的一个位于烟雾感测空间一侧的外表面可被制成充分地与天花板表面共面，比如，借以一种不需要使传感头伸出天花板的装置，进而一种全平面装置可被实现。进一步，因为天花板表面可被设计和构造成一个全平面天花板，所以天花板的内部设计质量可被极大地提高。更进一步，因为被烟雾分散的光线被传感器的外表面之外的敞开的空间探测到，并且敞开的外部空间作为烟雾感测空间，所以没有结构元件阻止与常规的烟雾腔体不相似的烟雾进入，火灾的烟雾可被毫不延迟地探测。进一步地，因敞开的外部空间作为烟雾感测空间以及面向传感器主体的外表面朝向下部的外部空间，所以没有灰尘附着或露水形成在该表面上。因此，诸如这样的外部物质不会导致错误警报，也不需清洁处理，从而减少了维护费用。
进一步地，根据本发明，因为火灾判断是根据接收到的光量以及光的微分差值而执行的，所以使用敞开空间作为烟雾感测空间所引起的问题可被排除，即使当昆虫或其它的外部物质存在于烟雾感测空间中，错误警报也可以避免。
进一步地，根据本发明，当接收到的光量超过预定的火阈值时，以及接收到光的微分差值不高于预定的错误警报极限时，烟雾传感器确定火灾发生。因为由诸如昆虫的外部物质所造成的接收到光量的改变相比较由火灾继续所造成的烟雾浓度的增加，即使接收到的光量达到火灾级别时，烟雾传感器也不确定火灾发生，只有当确定它的微分差值等于或小于反常极限时，烟雾传感器才确定火灾发生。因此，即使当诸如昆虫的外部物质存在于烟雾感测空间中时，错误报警也可以更准确地避免。
进一步地，根据本发明，自微分差值超过预定的错误警报极限时的预定的时间过去后，当接收到的光量超过预定障碍阈值时，烟雾传感器确定是外部物质形成了感测的障碍物。诸如昆虫的外部物质所造成的光接收信号的改变可以分为暂时改变和连续改变两类。由进入的诸如昆虫之类的物质所造成的光接收信号的反常的改变是暂时的，自微分差值超过预定的障碍阈值时的一定的时间过去后，光接收信号返回至正常状态。因此，如果光接收信号经过一定时间返回至等于或小于障碍阈值时，这类改变的原因可以被确定为非障碍物。另一方面，当一个蜘蛛网、窗帘或者这一类物质进入或接触烟雾感测空间时，光接收信号即使在一定时间周期过去后，也保持处于超过障碍阈值的反常级别。在这种情况下，烟雾传感器处于一种杂乱无章的状态，不能完全地感测烟雾，处于这种状态时，烟雾传感器将如此情形视为障碍物存在并且发出通告，要求对烟雾传感器维护检测。
进一步地，根据本发明，当在等于或长于第一设置时间的一段周期内，被接受光保持超过第一火灾阈值时，以及当在等于或长于第一设置时间的一段周期内，被接受光保持超过第二火灾阈值时，烟雾传感器确定火灾发生。对于常规的包括烟雾腔体的光散射型烟雾传感器，将由于火灾的烟雾所引起的烟雾浓度改变和由除火灾之外的原因(如抽烟，或烹饪)所产生的烟雾所引起的烟雾浓度改变区别开是困难的，因为这些变化趋于相似。相反地，本发明光散射型烟雾传感器不具有烟雾腔体，并且它具备一个特征，即通过不同的关于火灾烟雾和由其它原因所造成的烟雾的特征直接反映感测结果。因此，本发明可以区别两种不同的烟雾和防止错误警报。
进一步地，根据本发明，因为烟雾传感器具有一系列光发射器，本发明可以根据一系列被接收的光量作出多个判断，进而火灾发生的判断可以更准确地作出。
进一步地，根据本发明，两个光发射器由不同的散射角向光接收元件发射光。因此，对于各种类型的烟雾，它们的烟雾光散射特性产生区别，同时，两个光发射器发出不同波长的光，因此，根据波长，各类型烟雾的烟雾光散射特性也不同。不同的光散射角和不同的波长的共同作用，形成了一个根据烟雾类型而在散射光的亮度上的重要差别，因此，不同类型的烟雾可被更精确地区别开。即使烟雾感测空间位于外部，对火灾烟雾的感测可以不被外界光线影响地精确地执行。进一步，由比如烹饪产生的蒸汽或吸烟产生的烟雾形成的非火灾时，警报不会响起。更进一步，火灾烟雾可根据各种燃烧材料的类型而被区别，诸如黑烟雾火和白烟雾火的火的类型可被精确地区别。
进一步地，根据本发明，两个光发射器具有不同的偏振平面，其用作每个从该偏振平面发出的光的散射平面。因此，根据光的偏振方向，光散射特性可被形成不同。同时，因为两个光发射器具有对于光接收元件的不同散射角，所以，根据烟雾的类型，光散射特性可被形成不同。不同的光偏振方向和不同的光散射角的共同作用，造成一个根据烟雾类型而在散射光亮度上的重要的差别。因此，烟雾的类型可被更精确地区别开。即使烟雾感测空间位于外部，对火灾烟雾的感测可以不被外界光线影响地精确地执行。进一步，由比如烹饪产生的蒸汽或吸烟产生的烟雾形成的非火灾时，警报不会响起。进一步地，诸如黑烟雾火和白烟雾火的火灾类型可被区别开，并且燃烧材料的类型可被区别开。
进一步地，根据本发明，因为一系列的光发射器以立体角度被布置，烟雾传感点-光发射器的光轴和光接收器的光轴的交叉点，可被布置在一个空间中，该空间位于用于感测烟雾所产生的光的传感器主体的外表面的外侧。
进一步地，根据本发明，由第一光发射器发出的光所产生的被接收散射光的光量是与由第二发光器发出的光所产生的被接收散射光的光量相比较的。比如，两者的比率是由阈值来计算和比较的。根据比较，烟雾的类型被区别开，并且根据一个依据烟雾类型的不同标准进行火灾判断。这种根据被接收光的光量的一系列数据作出的多重判断使火灾感测更加精确。
进一步地，根据本发明，光发射器的光轴和光接收器的光轴的交叉点被设置在距离传感器主体等于或长于五毫米的一点上。因此，即使灰尘附着在传感器主体的外表面上或者一个昆虫蠕动在传感器主体外表面上，这样的外部物质不至于影响感测。
进一步地，根据本发明，至少传感器主体外表面的一部分由驱虫材料或类似材料构成。因此，昆虫几乎不能接近传感器外表面，从而错误报警可被提前防止。
进一步地，根据本发明，光接收器的视角被设置成等于或窄于五度。因此，用于散射光感测的区域的大小可被设置在烟雾感测空间内的必须的最小值，并且可防止外部光的影响。
进一步地，根据本发明，光发射器发出教准的平行光束。因此，用于散射光感测的区域的大小可被设置在烟雾感测空间内的必须的最小值，并且外部光的影响可被防止。
进一步地，根据本发明，光接收信号被对数放大器放大。因此，即使普通的线性放大器在有外界光直接进入光接收元件时输出结果变为饱和而失去放大的功能，对数放大器也不会有饱和的输出结果而使放大失效，由此可以稳定的进行火灾感测。
进一步地，根据本发明，光发射器由调制发光信号控制而间歇地发射光，而光接收信号由调制光发射信号同步控制放大。所述调制光发射信号和同步光接收可以消除照明光或类似光所产生的错误报警，借此可以更好地避免由外界光引起的错误报警。
进一步地，根据本发明，因为光发射脉冲宽幅等于或小于1毫秒，发射光的时间周期在人类的视觉范围内不可见，由此，人类肉眼察觉不到烟雾传感器光发射单元的闪光。
进一步的，根据本发明，一个间歇发射光的总时间周期长度的设置等于或小于1毫秒。因此，如此设置光发射周期可使人的肉眼察觉不到发射的光线，由此，人类肉眼察觉不到烟雾传感器发光单元的闪光。


图1为本发明第一实施例中光散射型烟雾传感器的剖面图；
图2A为第一实施例中光散射型烟雾传感器安装于天花板表面的示意图；图2B为第一实施例中光散射型烟雾传感器安装于天花板内的示意图；图3为腔体基部的透视图；图4为使用图3中腔体基部的整个烟雾感测单元的剖面图；图5为本发明第一实施例中光散射型烟雾传感器的电路方框图；图6为图5中光发射控制器驱动发光的时间图；图7为实现图5中信号处理单元中所设有的火灾判断单元功能的硬件的电路方框图；图8为图7中火灾判断单元在光散射型烟雾传感器接受到烟雾时的动作时间图；图9为散射光于片刻内增加的情况下的时间图；图10为障碍静止附着在传感器主体外表面靠近检测点P时的时间图；图11为执行图5中信号处理单元中所设的火灾判断单元的操作流程图；图12为第二实施例中的光散射型烟雾传感器的透视图；图13A为反映图12中腔体基部上所设的光发射部和光接收部的位置所对应的光学位置关系的三维空间模式图；图13B为发光光轴和接收光光轴位于xy水平面内的示意图；图14为散射角与各种烟的散射光量的关系图；图15为散射角与煤油燃烧烟和棉灯芯燃烧烟相对滤纸燃烧烟的散射光量比率的关系图；图16为第三实施例中光散射型烟雾传感器的断面图；
图17为腔体基部的轴侧视图；图18为使用图17中腔体基部的整个烟雾感测单元的剖面图；图19为第三实施例中光散射型烟雾传感器的电路方框图；图20A为第1光发射器，第2光发射器及光接收器有关的位置关系图；图20B为第1光发射器的A点和光接收器的C点的位置关系图；图20C为第2光发射器的B点和光接收器的C点的位置关系图；图21为第1光发射器、第2光发射器及光接收器的光轴位于同一平面内时的位置关系图；图22为表示视野角与视野面积之间的关系的图；图23为以棉灯芯燃烧所产生的烟雾为对象而作的散射效率I相对散射角θ的关系图；图24为以煤油燃烧所产生的烟雾为对象而作的散射效率I相对散射角θ的关系图；图25为表示煤油燃烧烟和棉灯芯燃烧烟所对应的光接收信号量及其比率的图；图26为图19中的电路检测火灾的流程图；图27为图26中障碍判定处理的流程图；图28为散射光片刻增加下的时间图；图29为障碍静止附着在传感器主体外表面靠近检测点P时的时间图；图30为第四实施例中烟雾检测单元构造的立体模式说明图；图31为第四实施例中烟雾检测单元构造的立体示意图；图32A为第1光发射器，第2光发射器及光接收器有关的位置关系图；
图32B为第1光发射器的A点和光接收器的C点的位置关系图；图32C为第2光发射器的B点和光接收器的C点的位置关系图；图33为表示图30中的烟雾检测单元构造中散射角和偏光角变化场合下各种烟对应的光接收信号量的实验数据的图；图34为表示偏光方向和散射角既定的情况下各燃烧物的种类所对应的光接收信号量及其比率的图；图35为第五实施例的火灾判定处理的流程图；图36为具有烟腔的现有光散射型烟雾传感器的相对于香烟烟雾的光接收值和时间的关系图；图37为具有烟腔的现有光散射型烟雾传感器的相对于火灾烟雾的光接收值和时间的关系图；图38为第五实施例的光散射型烟雾传感器的相对于香烟烟雾的光接收值和时间的关系图；图39为第五实施例的光散射型烟雾传感器的相对于火灾烟雾的光接收值和时间的关系图；件号说明1，40，100光散射型烟雾传感器2，112传感器主体3，113端子盘4，41，114腔体基部4a，108 烟雾感测单元5，109，110，125，129 光发射器5b，42，109b 光发射口6，111，133 光接收器6b，43，111b 光接收口
7 传感器主体外表面9，116 透明盖11，136 传感器基部15，102 通报电路16，103 信号处理单元17，104 存储单元18，105，106光发射控制器19，107 放大电路20，25，30 比较器21，24，31 标准电源23 微分电路26 单稳态多频振荡器27，28，29 与门126，130偏振滤波器具体实施方式
首先，将对第一实施例中的光散射型烟雾传感器进行描述。图1是本发明第一实施例中的光散射型烟雾传感器的剖面图。如图1所示，光散射型烟雾传感器1包括传感器主体2、端子盘3、腔体基部4、光发射器5、光接收器6以及透明盖9。
端子盘3设置在传感器主体2内部，电路板8设置在端子盘3内部。腔体基部4位于电路板8的下部，并且光发射器5设置在腔体基部4的内部，该光发射器5作为光信号发射器，光接收器6作为光信号接收器。
传感器主体2的外表面7是腔体基部4的一个较低表面，并且基本是一个平面，透明盖9附在传感器主体2的外表面7上。此外，传感器主体2的外表面7上设置了一个光发射口5b和一个光接收口6b，该光发射口5b利用光散射原理将光发射器5发射的光信号传送到烟雾传感器1的外部，该光接收口6b将由烟雾发射和散射的光信号传送给光接收器6。P点位于远离传感器主体2的外表面7的外部空间，并且光轴在P点交叉，光发射器5的光轴与光接收器6的光轴在P点相交，形成一个烟雾感测点。因此，第一实施例中的光散射型烟雾传感器1的一个特性如下烟雾传感点设置在光散射型烟雾传感器1的外部。由于烟雾感测空间设置在光散射型烟雾传感器1的外部，所以不需要设置烟雾腔体。
图2A示出了光散射型烟雾传感器1的一个传感器基部11。如图2A所示，传感器基部11被设置在天花板10上，图1中的光散射型烟雾传感器1安装在传感器基部11上。如图2A所示，由于光散射型烟雾传感器1的内部未嵌入传统的光散射型烟雾传感器所需的烟雾腔体，因此，整个光散射型烟雾传感器1的体积较小，此外，当安装在天花板10上时，光散射型烟雾传感器1不必被大部分体积地嵌入天花板10内(换言之，光散射型烟雾传感器1不用同天花板10大面积接触)。
图2B示出了嵌入在天花板10内部的传感器基部11和设置在传感器基部11上的图1中的光散射型烟雾传感器1。如图2B所示，光散射型烟雾传感器1的一个较低表面(传感器主体2的外表面7和图1的透明盖9)与天花板10在同一平面。由此，光散射型烟雾传感器1未包括作为传统烟雾传感器烟雾腔体的突出部分。光散射型烟雾传感器1可以设置成一个安全平坦的平面。尤其值得一提的是，由于不需要设置烟雾腔体，光散射型烟雾传感器1的体积较小，嵌入在天花板的部分比传统的传感器嵌入天花板的部分小，由此，光散射型烟雾传感器1可以安装于较窄的天花板空间上。
图3是设置光发射器5与光接收器6的腔体基部4的透视图。如图3所示，光发射口5b和光接收口6b设置在传感器主体的外表面7上，该外表面7位于腔体基部4的烟雾感测面上，光发射器5嵌入在光发射口5b的内部，光接收器6嵌入在光接收口6b的内部(光发射器5和光接收器6在图3中未示出)。
图4是图3所示的包括腔体基部4的整个烟雾感测单元的剖视图(透明盖9用虚线表示)。如图4所示，腔体基部4的上表面作为传感器主体的外表面7。透明盖9附在传感器主体外表面7的外部，由此，设置在传感器主体外表面7上的光发射口5b和光接收口6b得到保护。在第一实施例中，为了举例说明，传感器主体的外表面7被设置成一个平面，并且该平面与外部烟雾感测空间的烟雾感测点P共面。如果需要，传感器主体外表面7可以被设置成曲面或者稍稍有些弯曲的表面。
光发射器5和光接收器6嵌入在腔体基部4的内部。在传感器主体外表面7的外部烟雾感测空间的P点，光发射器5的发射光的光轴5a和光接收器6的接收光的光轴6a相交。传感器主体的外表面7与外部空间的烟雾感测点P之间的高度差值H可以设定为任何数值，较为理想的是将H设定为不影响烟雾感测的数值。影响光散射型烟雾传感器1感测外部烟雾的因素有粘附在传感器主体上的灰尘或者昆虫。例如，当安装光散射型烟雾传感器1时，光散射型烟雾传感器1将会吸引昆虫聚集，由此，可以将高度差值H设置成该昆虫的最大高度。例如，为了安全起见，可以将H设定为5mm。
腔体基部4可以采用昆虫很少聚集的材料制成，或者将驱虫器嵌入、安装在传感器主体的外表面7上。透明盖9也可以采用昆虫很少聚集的材料制成，或者将驱虫器嵌入、安装在透明盖9上。由此，可以避免昆虫在透明盖9的外表面飞行，进而可以避免由于昆虫的出现而引起的错误警报。驱虫器可以采用任何一种材料作成，比如，二乙基的甲苯酰胺或者合成除虫菊酯。
图5是第一实施例中的光散射型烟雾传感器1的内部结构电路图。如图5所示，光散射型烟雾传感器1包括一个烟雾感测单元4a，该烟雾感测单元4a包括前述的光发射器5和光接收器6，通报电路15、采用中央处理单元(CPU)的信号处理单元16、存储单元17、光发射控制器18和放大电路19。
在上述的结构中，简单地说，光发射控制器18驱动光发射器5发光。由此，光发射至光散射型烟雾传感器1外部的烟雾感测点P并被散射，散射出来的光被光接收器6接收。光接收器6的输出结果被放大电路(对数放大器)19放大，并且作为信号处理单元16的输入。信号处理单元16将作为放大电路19的输入的光接收器6的输出与火灾阈值TH1、错误报警阈值TH2或者障碍阈值TH3一一进行比较；火灾阈值TH1、错误报警阈值TH2或者障碍阈值TH3都预先存储在存储单元17中，这些数值将稍后描述，从而确定是否有火灾发生，是否存在错误警报，或者是否存在障碍。当设定状况发生时，信号处理单元16将命令通报电路15发送火灾信号给预先设定的接收器。
信号处理单元16包括一个由程序控制的火灾判断单元16a。火灾判断单元16a对火灾进行判断，换句话说，根据从光接收器6接收到的光信号和微分差值，火灾判断单元16a确定是否有火灾发生。较为具体的来说，当从光接收器6中接收到的光信号A超过预定的火灾阈值TH1，或者接收到的光信号的微分差值B没有超过预定的错误报警阈值TH2时，火灾判断单元16a将判断是否有火灾发生。
在另一方面，当从光接收器6接收到光信号A超过预定的火灾阈值TH1，接收到的光信号B的微分差值将超过预定的错误报警阈值TH2，经过微分差值B超过预定的错误报警阈值TH2后的预定时间段T，火灾判断单元16a将判断光接收信号A是否超过预定的障碍阈值TH3。当接收到的光信号A低于障碍阈值TH3，火灾判断单元16a判断障碍是暂时的还是永久的。在另外一方面，当接收到的光信号A超过障碍阈值TH3时，火灾判断单元16a确认障碍是由外部因素引起的。
图6是由图5中的光发射控制器18驱动的发射光的波形图。如图6所示，发射光脉冲(A)代表由图1的光发射器5发射的光信号，接收光信号(B)代表图1中的光接收器6的发射光信号，同步接收光信号(C)代表已经被图5中的放大电路19放大的发射光信号。光发射控制器18驱动光发射器5，从而使得光发射器5发射出来的光信号作为脉冲宽度为T2和在每一个周期T1循环输出的发射光脉冲(A)。光发射控制器18命令光发射器5发射经过调制的光信号。相应地，放大电路19与光发射控制器18的调制同步，并且得到同步接收光信号(C)，该同步接收光信号(C)是由接收光信号(B)与光发射调制同步产生。
例如，光发射的周期T1可以设定为1秒，被调制的发射光的脉冲宽度T2可以设定为50微秒。由此，除了由外部烟雾感测空间的烟雾散射的光信号外，经过调制的发射光和相应的同步接收光将补偿由入射光产生的接收光信号，并且只有被烟雾散射的光信号可以安全地被接收。
更进一步，由于光发射器5发射光的波长在可见光的波段内，发射光时间段等于或小于1毫秒，从而使得普通人不能识别间歇的发射光。对人类而言，能够在视觉上识别光发射器发射的光信号，必须在1毫秒的时间连续地发射光信号。本发明中，发射光时间段等于或小于1毫秒，从而使人不能识别间歇的发射光。
图6中的发射光脉冲(A)使得发射光脉冲(脉冲宽度T2×3)的总发射光时间段等于或者小于1毫秒。例如，如果T2＝50微秒，三个发射光脉冲的总发射光时间段为150微秒，总发射光时间段将小于1毫秒。由此，发射的光信号将不会被识别。
图7是图5中的信号处理单元16的火灾判断单元16a的内部结构电连接图。如图7所示，火灾判断单元16a包括比较器20、标准电源21、微分电路23、比较器25、标准电源24、比较器30、标准电源31、单稳态多频振荡器26以及“与”门27、28、29。
被放大的接收光信号A作为比较器20的输入，被放大的接收光信号A是放大电路19的光发射器5的接收光输出经过放大处理产生，比较器20将被放大的接收光信号A与由标准电源21设定的预定火灾阈值TH1进行比较，并且当被放大的接收光信号A超过火灾阈值TH1时，比较器20输出一个H电平信号(高输出)。比较器20的H电平信号输出将作为“与”门27的一个输入。
被放大的接收光信号A作为比较器30的输入，被放大的接收光信号A是放大电路19的光接收器6的接收光输出经过放大处理产生，比较器30将被放大的接收光信号A与由标准电源31设定的障碍阈值TH3进行比较，并且当被放大的接收光信号A超过障碍阈值TH3时，比较器30输出一个H电平信号。比较器30的H电平输出将作为“与”门28的一个输入。
微分电路23对接收光信号A进行微分处理。微分信号通过二极管D1供应给比较器25作为微分值B。比较器25将由标准电源24产生的预定障碍阈值TH2与微分值B进行比较。当微分值B超过障碍阈值TH2，比较器25提供的H电平信号作为输出。二极管D1从微分电路23获取带有正电和负电的微分信号。
比较器25的H电平输出被提供给单稳态多频振荡器26。当接收到H电平的输出时，单稳态多频振荡器26被驱动，并且在一个预定的时间段T里从输出端口Q提供H电平的输出。单稳态多频振荡器26的输出端口Q提供的信号被反转，并且提供给“与”门27的另一个输入。
因此，当差分值B超过比较器25的障碍阈值TH2，以及在时间段T1内单稳态多频振荡器26提供H电平的输出时，“与”门27禁止比较器20输出H电平的火灾感测信号。更进一步，当差分值B未超过比较器25的障碍阈值TH2时，单稳态多频振荡器26的输出端Q的信号为L水平(低水平)。由此，“与”门27处于接通的状态，并且当比较器20指示火灾感测的时候，“与”门输出由比较器20提供的H电平的输出。
“与”门27的输出作为“与”门29的输入。“与”门28的输出被反转，并且作为“与”门29的输入。“与”门28接收到比较器30的输出和单稳态多频振荡器26的反转输出。因此，在依据比较器25的H电平输出运行T时间段后，单稳态多频振荡器26关闭，“与”门28转变成响应反转输出的接通状态，此时，比较器30通过检测障碍连续的提供H电平的输出。比较器30的输出作为“与”门28的输出，并且“与”门28的输出作为一个障碍信号。
更进一步，当“与”门28提供H电平的输出障碍信号时，由于反转的输入，“与”门29处于禁止状态。“与”门29将禁止比较器30的H电平输出，并且当输出障碍信号时，火灾信号的输出将被禁止。
图8是烟雾传感器接收到火灾烟雾时图7中的火灾判断单元16a的运行的时序图。
当烟雾传感器接收到火灾的烟雾时，光接收器6的接收光信号A将在图8的(A)部分所示的时间段内持续升高。当在时间t1接收光信号A超过火灾阈值TH1时，比较器20的输出获得H电平信号。由于“与”门27和“与”门29处于接通状态，火灾信号获得图8(C)部分所示的H电平，图5中的通报电路15发送火灾信号给接收器。
由于烟雾浓度的增加相对比较缓，因此，微分电路23的接收光信号A的微分值B相对比较小，并且未超过障碍阈值TH2。
图9是散射光与片刻内增加下的时序图，该散射光的增加是由于飞行的昆虫经过图1的光散射型烟雾传感器1的外表面7的外部空间的烟雾感测点P所产生的。当散射光瞬间积聚时，接收光信号A陡然增加，并且转换成图9中的正常水平。当接收光信号A高于火灾阈值TH1时，比较器20的输出获取图9(C)部分的H电平信号。
另一方面，如图9所示，在接收光信号A升高的过程中，微分电路23的接收光信号A的微分值B也正向升高，并且在接收光信号B下降的过程中，微分电路23的接收光信号A的微分值B亦负向下降。当微分值B转换成正向，水平值超过反常阈值TH2，比较器25提供如图9(D)部分所示的H电平输出。因此，单稳态多频振荡器26的输出端Q的输出获得图9(E)部分所示的H电平。
当比较器20的输出获取H电平时，单稳态多频振荡器26的输出端Q的信号获取H电平，由此，禁止“与”门27输出火灾信号。因此，当昆虫或者类似的物体暂时经过外部空间的烟雾感测点P时，错误警报，火灾信号将不会发生。
由于单稳态多频振荡器26设定了时间T，由此，障碍经过烟雾感测点P的时间就包括在设定的时间T内。障碍经过烟雾感测点P的情形，例如，当人的手指或者昆虫之类的物体经过烟雾感测点P的情形。
图10是障碍静止附着在图1中的传感器主体外表面7靠近检测点P时的时序图。如图10的(A)部分所示，当障碍静止附着的时候，接收光信号升高到火灾阈值TH1，并且超过以及维持在障碍阈值TH3的水平位置。
如图10的(B)部分所示，微分电路23输出的微分值B正向上升，并且暂时超过反常阈值TH1。由此，依据微分值进行反常检测的比较器25输出H电平，并且命令单稳态多频振荡器26运行，之后，如图10的(E)部分所示，单稳态多频振荡器26在预定的时间段T内输出H电平。
由于单稳态多频振荡器26的输出端Q输出信号，由此，当单稳态多频振荡器26作时，“与”门27处于禁止状态，并且不会提供H电平的输出信号。经过输出端Q输出L电平信号后的一预定时间，单稳态多频振荡器26不工作，“与”门27导通，并且输出H电平。在单稳态多频振荡器26的反转输出上升到H电平的同时，“与”门28处于导通状态。由于接收光信号A的电平高于障碍阈值TH3，“与”门28在收到比较器30输出的H电平后输出H电平。“与”门28的H电平输出作为输出的障碍信号(干扰信号)。
同时，“与”门28的H电平输出使“与”门29切换成禁止状态，当禁止“与”门27输出H电平时，输出被禁止，并且将不作为火灾信号。
由“与”门28输出的H电平产生的障碍信号提供给图5中的通报电路15时。当障碍信号作为火灾警报以不同的的信号形式提供给接收器，接收器通报传感器有障碍。普通人员可以检查传感器主体的外表面7，并且可以将障碍搬离。通过将通报电流转换成一预定时间段内的脉冲，通报电路15将障碍信号发送给接受器。
火灾信号的输出控制或者障碍信号可以被图7中所示的软件逻辑块识别。图11是图5中的信号处理单元16的火灾判断单元16a进行编程控制处理的流程图。通过执行图11中的火灾判断程序，对放大电路19的发射光信号A进行抽样处理，并且通过经过抽样处理的受光信号量进行微分处理来对计算微分值，此外，以上采样和计算操作重复执行。
在步骤SA1中，检测图11中的火灾判断操作，并且判断受光信号量A是否在低于预定的火灾阈值TH1。当受光信号量A超过火灾阈值TH1时，执行步骤SA2，并且检查微分值B是否低于预定的反常阈值TH2。当微分值B低于反常阈值TH2时，执行步骤SA3，判断火灾是否发生，并且输出代表火灾发生的信号。
在步骤SA2中，当微分值B超过反常阈值TH2时，执行步骤SA4，计时器设定时间T，并且开始计时。在计时器开始工作以后，在步骤SA5将检测花费的时间。当到时间T时，执行步骤SA6，并且检测受光信号量是否超过障碍阈值TH3。
当受光信号量A低于障碍阈值TH3时，与图9中所示的情况类似，散射光的暂时上升将导致受光信号量的上升，并且不会输出关于火灾发生的信号。在另一方面，如图10所示，当受光信号量A超过障碍阈值TH3时，持续提供障碍接收光信号。在步骤SA7中，确定有障碍存在，并且输出代表存在有障碍的信号。
如图5所示，在第一实施例中，由光接收器6输出的光接收结果经过放大电路19放大，所述放大电路19是对数放大器。借以更准确的判定是否有火灾发生。如果光接收结果是经由普通的线性放大器放大，放大结果有可能在外界强干扰光干扰下变饱和，从而出现错误的火灾报警。在第一实施例中，因为光接收结果是由对数放大器放大，即使有强干扰光进入光接收单元，放大结果也不会饱和，传感器也不会侦测不到烟雾产生的散射光。此外，当在有外界干扰光的情况下烟雾的散射光被对数放大器侦测到时，根据烟雾的放大结果变化的范围会变小。由于第一实施例中的传感器计算微分值，噪声比率的信号会改善并且可以判定是否有火灾发生。
从而，根据第一实施例，由于烟雾腔体被移除，光散射型烟雾传感器可以设为不带突出部分的平面形状，并且完全平面的安装状态，例如，安装在天花板上。
进一步地，因为判定火灾是否发生是以受光信号量及其微分值为基础，即使在烟雾传感空间存在如昆虫一类的外界障碍，也能避免烟雾传感器的误报警，由烟雾传感器的开放空间的使用所引起的这个问题可以被消除。
并且，即使受光信号量达到了火灾水平，传感器也不会立即判断火灾的发生，而是基于受光信号量的微分值不高于障碍阈值的基础上来判定火灾的发生，因此，由于如昆虫之类的外界障碍的存在于烟雾感测空间所引起的误报警也能更好地避免。
此外，经过预定的时间周期后，微分值仍保持高于反常阈值时，传感器将判定存在有障碍并发出通报，以此可以检查和维修的烟雾感应器。
此外，由于烟雾感测点设置在离传感器主体至少5mm的位置，即使有灰尘附着在传感器主体外表面上或有昆虫在传感器主体外表面上爬行，诸如此类的外部干扰均不会对火灾的感测造成实质的影响。
此外，由于传感器主体外表面的至少一部分是由驱虫材料或类似材料制成，昆虫极少能够靠近传感器主体外表面，进一步避免了错误报警的发生。
此外，由于光接收器的视角范围在5°之内，烟雾感测空间内部的散光感测区域被设置成尽可能的小，以此避免了外部光线的影响。
此外，由于光接收信号被对数放大器放大，放大后的输出将不会饱和，实现稳定的火灾感测。
此外，由于光发射器被调制后的光发射信号间歇性的驱动并发射光线，而光接收信号同步于调制后的光发射信号被放大，可能引起错误报警的照明之类的光线能够从感测目标中被排除，由此，由于外界光线所引起的错误报警能被可靠地避免。
此外，由于光发射脉冲宽度在1毫秒的范围之内，光发射的时间段能够被压缩至人类视觉所觉察不到的范围之内，由此，烟雾传感器的光发射单元所产生的闪光能够不被人所察觉。
此外，由于间断性发光驱动的总时间段在1毫秒之内，光发射的时间段能够被压缩至人类视觉所觉察不到的范围之内，由此，烟雾传感器的光发射单元所产生的闪光能够不被人所察觉。
以下将对第二实施例中的光散射型烟雾传感器进行说明。第二实施例中的光散射型烟雾传感器比第一实施例的传感器小。并且第二实施例的传感器与第一实施例的传感器有所不同，其光发射器的光轴和光接收器的光轴在传感器主体的外表面的预定角度处相交。而第一实施例中的传感器将光发射器的光轴和光接收器的光轴在传感器外表面直线平行设置。如没有特别说明，第二实施例中传感器的结构和方法与第一实施例中传感器的相同，并且具有相同功能的元件也使用在第一实施例中相同的名称和标号。
图12是根据本发明的第二实施例烟雾传感器40的底腔41透视图。在底腔41上，光发射口42和光接收口43以预定的角度相交在传感器体的外表面上。光发射元件5设置在光发射口42的内部，光接收器6设置在光接收口43的内部。
接下来，详细叙述光发射角和光接收角之间的关系。需提到的是本专利申请结合了专利权人在2002年1月11日申请的另一件专利申请(JP-A)NO.2002-4221，下面的部分叙述已被该专利申请JP-A 2002-4221所揭示。
图13A为反映图12中腔体基部41上所设的光发射单元和光接收单元的位置所对应的光学位置关系的三维空间模式图。
在图13A中，从光发射元件5的光发射点O发射出的光轴13以矢量的方式显示，接收光的光轴14沿着来自所述光轴交叉点P的分散光以矢量的方式设置在所述外侧开口空间，且朝向光接收器6的光接收点Q。此外，发射光光轴13和接收光光轴14交叉形成的角度之中，一个角度由于光沿着发射光轴13的方向前进因遇烟雾/物体发生散射从而改变方向沿着接收光光轴14的方向前进，形成散射角θ，和一个辅助角δ(θ＝180°-δ)。
在图13A中，连接光发射点O、光轴交叉点P和光接收点Q形成一个三角形，所述三角形形成一个假设的光学平面实现第二个实施例中的所述烟雾感知使用散射光。由三角形OPQ形成的所述平面分别与XY平面(水平面)、ZX平面(垂直面)形成一个角度。
在这里，简单地说，所述平面上的发射点O对应在X轴上的发射点是A，并且在发射光轴13和垂直方向形成的角度即是光轴13和X轴形成的角度。
当发射光轴13和接收光轴14从水平面即XY平面上来看，发射点A对应光发射点O，发射点B对应光接收点Q，如图13B所示。换句话说，在水平方向，发射光轴13和接收光轴14之间以一预定的角度α相交(在水平面上显示α形角)。
当相应地把光发射点O设为(a1，b1，c1)，光接收点Q设为(a2，b2，c2)，δ角、α角和φ角可以用以下(1)至(3)的方程式来表达[表达式一]cosδ=a1a2+b1b2+c1c2a12+b12+c12a22+b22+c22---(1)]]>[表达式二]cosα=a1b1+a2b2a12+b12a22+b22---(2)]]>[表达式三]tanφ=c1a1---(3)]]>例如，当垂向倾角φ＝30°、水平面上的外形夹角α＝120°时，夹角δ＝97°。当水平平面上的夹角α＝120°、倾角φ＝9.8°时，夹角δ＝117°。
简单地说，当外形夹角α＝120°时，倾斜角φ＝9.8°，30°，夹角δ＝117°，97°。当光发射点O和光接收点Q在水平方向的位置不变时，垂直方向上的倾角φ变大，相反地，夹角δ变小。毫无疑问，当垂直方向上的倾角φ变小时，光轴交叉点O的高度下降，同时传感器变。
如图13A和13B所示，基于发光光轴和光接收光轴的三维空间关系，在第二实施例中，光发射轴13和光接收轴14所产生的夹角δ大约为110°。当夹角δ＝110°时，相对应地散射角θ＝180°-δ＝70°。夹角δ＝110°(θ＝70°)的原因如下，所述光散射型烟雾传感器上的烟雾感测单元必须满足两个相互矛盾的需求(1)增加靠烟雾产生的散射光的数量，(2)降低由于不同类型的烟雾产生的影响。基于试验和模拟(OPTIMIZATION OFSENSITIVITY CHARACTERISTICS OF PHOTOELECTRIC SMOKE DETECTOR TOVARIOUS SMOKES，Nagashima et al.，Asia Oceania Fire Symposium，1998)，发明人发现散射角和因大量不同烟雾而产生的散射光的数量之间的关系。
如图14出示了根据散射角θ(＝180°-δ)的不同，散射光数量的变化和出示了散射角和根据不同类型的烟雾在同一比率下产生的散射光数量之间的关系。其中，在散射角为40°的传统光散射型烟雾传感器中因滤纸熏制烟产生的散射光的数量也在其中。如图14所示，随着散射角的增加，散射光的数量在减少。由于烟雾传感器操作的稳定性，在传统的传感器中至少1/5的散射光数量需要保障，同时θ角必须小于90°。另一方面，为了压制不同类型的烟雾产生的影响，煤油燃烧烟雾输出量需与滤纸熏制烟的输出量进行尽可能多的比较，如图15所示。用于煤油燃烧烟雾的输出量的灵敏度需要至少滤纸灵敏度的1/7，同时θ大于50°使用EN标准和UL标准来控制不同的燃烧测试是一个理想的条件。散射角必须满足50°＜θ＜90°，理想的是θ＝70°。
从而，第二实施例和第一实施例一样获得同样的效果。而且，根据第二实施例，当光发射元件5发射出来的光轴13和光接收器6接收的光轴14所行成的夹角δ＝110°，同时投影于腔体基部41，从而产生在水平面上的夹角α和在垂直方向上的倾角φ，即使这种夹角的设置是理想的，烟雾颗粒的大小在灵敏度方面只有少许的影响，光轴交叉点P的凸出数量相对应的烟雾可以被减少。
接下来，描述光散射型烟雾传感器的第三实施例。光散射型烟雾传感器的第三实施例不同于光散射型烟雾传感器的只包含一个光发射器的第一实施例和第二实施例，因为光散射型烟雾传感器的第三实施例中含有两个光发射元件。第三实施例在结构和方法方面均与第二实施例相同，除特别说明外，具有相同功能的构成要数的名称/性能也与第二实施例相同。
首先，叙述设置两个光发射器的原因，传统的光散射型烟雾传感器当感应到烹饪的烟雾，浴室里的蒸汽，和其它一些非火灾的烟雾时，会出现错误的火警。
众所周知，引导两种波长不同的到光烟雾感测空间，找出两种波长不同的散射光的光强比率，以区分烟雾的种类。或者引导具有垂直散射平面的垂直偏振面的光和具有平行散射平面的偏振面的光，找出被烟雾散射的光各个偏振成分的光强比率，以防止传感器由于火灾以外的其他因素而发出错误的火灾警报。
在传统的区别用于具有不同波长或具有不同偏振平面的光线的烟雾类型的方法中，然而，正确地区别火灾的烟雾和非火灾的烟雾，例如亨饪的蒸汽和浴室的蒸汽是不足够的。因此，更多高精确的烟雾区别是我们所想要的。
因此，在第三实施例中，除了移去烟雾腔体使烟雾传感器体积更小外，还有一个目的就是提高区分烟雾的准确性以可靠的实现非火灾报警的预防。
接着，描述光散射型烟雾传感器的第三实施例。图16为第三实施例中光散射型烟雾传感器的剖视图。用于散射光的烟雾传感器100包括传感器主体112，端子盘113，腔体基部114，第一光发射器109，第二光发射器110(图16中未示出)，光接收器111，和透明盖116。除特别说明外，传感器主体112，端子盘113，腔体基部114，第一光发射器109，光接收器111和透明盖116可以被类似地认为是传感器主体2，端子盘3，腔体基部4，第一光发射器5，光接收器6，透明盖9，第二光发射器110可被类似地认为是光发射器5。
在这里，第一光发射器109和第二光发射器110作为双重的光发射器，光接收器111设置在腔体基部114里作为光的接收部。此外，两个光发射口109b、110b(图16中只示出了光发射口109b)用于把第一光发射器109和第二光发射器发射出来的光喷射到光散射型烟雾传感器100的外侧，光接收口111b用于引导受烟雾散射的光进入设置在传感器主体外表面118上的光接收器。第一光发射器109和第二光发射器110的光轴与光接收器111的光轴相交形成光轴交叉点P，同时光轴交叉点P形成烟雾感测点。
当所述传感器基部安装在天花板上并且如图16所示光散射型烟雾传感器100安装在所述传感器基部，与附图2中的第一实施例一样，所述烟雾腔同样不具有突出部分，其中，光散射型烟雾传感器100可以不突出地设置在天花板上。
此外，当所述传感器基部安装在天花板的内侧且光散射型烟雾传感器100(图16)设置在所述传感器基部的内部时，与附图2中的第一实施例一样，光散射型烟雾传感器100的下表面与天花板共面，并且不存在突出部，因而，可以实现天花板完全平坦。尤其是设置在所述天花板内部的部分比设置在传统的传感器内部的要小，其中，光散射型烟雾传感器100可以设置在狭窄天花板空间里。
图17是腔体基部114采用立体角的方式来设置第一光发射器109，第二光发射器110和光接收器111的视图。在附图17中，第一光发射口109b，第二光发射口110b和光接收口111b形成在腔体基部114的外表面上，第一光发射器109，第二光发射器110和光接收器111分别设置在相应的穴口内(图17中均未显示这些元件)。
图18是图17腔体基部使用立体角结构的整个烟雾感测单元的剖视图(剖视图是沿着第一光发射口109b和光接收口111b来剖的。透明盖116用虚线来表示)。在图18中，腔体基部114的上部形成传感器主体平坦的外表面118，第一光发射口109b，第二光发射口110b和光接收口111b设置在所述外表面上，且用透明盖保护所述外表面。
第一光发射器109，第二光发射器110(图18中未示出)，和光接收器111设置在腔体基部114的内部，第一光发射器109的光轴109a，第二光发射器110(图18中未示出)的光轴110a，和光接收器111的光轴111a相互间在传感器主体外表面的烟雾感测空间中的烟雾感测点P形成一个立体交叉道。
同时，光轴在所述外表面空间中相交的烟雾感测点P与感测主体118外表面之间的距离h可以设为这样一个高度，即，物质黏附在感测主体的外表面7上对烟雾感测不产生影响，这一点与第一实施例相似。较为理想的是，设定h≥5mm。
图19为第三实施例中光散射型烟雾传感器的电路方框图。在图19中用于散射光的烟雾传感器包括通报电路102，采用微处理单元(MPU)的信号处理单元103，储存单元104，第一光发射控制器105，第二光发射控制器106，放大电路107和烟雾感测单元108。简单地说，通报电路102，信号处理单元信号处理单元103，储存单元104，第一光发射控制器105，放大电路107和烟雾感测单元108可以类似地设置成通报电路15，信号处理单元16，储存单元17，光发射控制器18，放大电路19，烟雾感测单元4a，第二光发射控制器106可以类似地设置成光发射控制器18。
烟雾感测单元108包括第一光发射器109，第二光发射器110和光接收器111。第一光发射器109，第二光发射器110和光接收器111如此设置使光轴能够在烟雾传感器外部空间中的烟雾检测点P相交。
图20A是第一光发射器109发射的光轴109a，第二光发射器110发射的光轴110a和光接收器111接收的光轴111a形成的立体角结构图。
烟雾感测点P是发射光光轴109a，110a和接收光光轴111a相交在腔体基部114(图17)的传感器主体外表面上的烟雾检测空间中形成的，且第一光发射器109，第二光发射器110和光接收器111设置在腔体基部114的内部。
图20B为第一光发射器109的A点和光接收器111的C点的立体角结构图。这里，一个平面包括从第一光发射元件109的A点发出的发射光光轴109a和从光接收器111的C点接收的接收光光轴111a，所述平面以三角形PCA来表示。在所述平面中，由发射光光轴109a和接收光光轴111a形成第一发射器109的第一散射角θ1。
图20C为第二光发射器的B点和光接收器111的C点的立体角结构图。在这里，发射光光轴110a和接受光光轴111a在具有所述三角形PCB的平面上，由发射光光轴110a和接受光光轴111a形成的散射角θ2。
简单描述具有立体角结构(图20A和20C)的烟雾感测单元108，假设第一光发射器109、第二光发射器110和光接收器111的光轴存在于如图21所示的相同平面内。
如图21，在第三实施例中，第一光发射器109如此设置使第一散射角θ1＝θ＝30°，其中相对于第三实施例中的交叉点P，第一散射角θ1由第一光发射器109发射的发射光光轴109a和光接收器111接收的接收光光轴111a组成。另外，一红外线二极管(LED)用来作为第一光发射器109，并且，第一光发射元件109发射出来光的中部波长为λ1＝900nm(＝0.9μm)。
在第三实施例中，除了第一光发射器109，还设置了第二光发射器110。相对于交叉点P，第二光发射器110的第二散射角θ2由第二光发射器110的发射光光轴和光接收器111的接收光光轴111a所形成，且第二散射角大于上述的第一散射角，即θ2＞θ1。在第三实施例中，第二散射角θ2＝120°。
可见光LED用于作为第二光发射器110，第二光发射器110发射光的中部波长称为λ2，λ2小于第一光发射器109的波长λ1，在第三实施例中，λ2＝500nm(＝0.5μm)。
最好是能够发射出平行光束的激光二级管用来作为第一光发射器109和第二光发射器110。此外，相对于烟雾感测点P，具有精确视野角度的元件更适宜作为光接收器111。所述的视野角度不超过5度。当所述的视野角度设置在这个范围时，只有来自烟雾感测空间且在烟雾感测点P周围的光才能被吸收，同时干扰光的数量可以减少，并且受外界的影响也可以减少。使用这种结构，光散射型烟雾传感器可以减少因干扰光而发生误警报的风险，例如，照明灯，反射光或太阳光。此外，由于可以减少对干扰光的接收数量，因此可以降低如图19中放大电路107到达饱和程度的风险。
图22揭示了视野面积和视野角之间的关系，其中，横轴表示的是当把光散射型烟雾传感器安装于将近3米高度的天花板上监控时的该烟雾传感器的视野角，纵轴表示的是该光散射型烟雾传感器的视野面积，包括地表面积(视野面积)。如图22所示，当视野角为5度时，视野面积为将近2200cm2，当视野角为20度时，视野面积为将近38000cm2。假若房间里的照明光或类似的光线是均衡的，则接收到的干扰光线的数量就会依面积比率增加，只有视野角增加时，图19中所示的放大电路107达到标准值的风险就会以二次函数的方式急剧增长。
进一步地，当使用附加透镜的光敏二极管或光敏三极管作为光接收器111时，尽管小的光接收器的视角可以减小干扰光的影响，但视角度不超过5度是必要的条件。另一方面，当视角小于必需的角度时，所接收到的烟雾自身发射的光量也会变小，由此，S/N的比率会降低。因此，光接收单元的视角最好不要超过5度。
图23是从第一光发射器109和第二光发射器110发射的光的散射效率I的曲线图，其中所述光来自于在θ角度时由燃烧棉芯所产生的烟(白烟)，θ是如图16至图21所示的结构的烟雾传感单元观察的角度。图23中的横轴表示散射角度θ(θ＝0°~180°)，纵轴表示对数坐标上的散射效率I。
当从第一光发射器109发出的光的第一波长λ1＝900nm时，光接收器111一侧的散射效率表现为特性曲线20。另一方面，当从第二光发射器110发出的光的第二波长λ2＝500nm时，光接收器111一侧的散射效率表现为特性曲线21。
当用光发射器所产生的光线的波长来检验特性曲线20、21时，会发现波长λ1＝900nm的第一光发射器109的特性曲线13的散射效率较低，而波长λ2＝500nm的第二光发射器的特性曲线14的散射效率较高。
另一方面，根据第一、第二光发射器109、110的散射效率特性曲线20、21散射角θ的变化，均显示了较小的散射角θ可以得到较高的散射效率，并且当只有散射角增大时，散射效率也会减小。当散射角为将近120°时，散射效率达到最低值。此后，当散射角增加时，散射效率也提高。
在第三实施例中，第一光发射器109的散射角θ1＝30°，散射效率A1达到特性曲线20上的P1点。而第二光发射器110的散射角θ2＝120°时，散射效率A2达到特性曲线21上的P2点。
当第一光发射器109和第二光发射器110在不同的散射角度具有不同的波长时，就会产生上述的散射效率。然后，光接收器111接收到的光量可表示为(受光信号量)＝(光的发射量)×(光的接收效率)，其中，受光信号量与图23中所示的散射效率I成正比。
在第三实施例中，可定义一个比率R；比率R为光接收器111接收的由烟雾产生的第一光发射器109的光的受光信号量与光接收器111接收的由相同烟雾产生的第二光发射器110的光的受光信号量的比值。由于比率R的受光信号量与散射效率成正比，当受光信号量为A1、A2时，R可定义为R＝A1/A2。通过预定阈值与比率R的比较，就可以决定烟雾的类型。
图24是散射角θ与散射效率I的关系曲线图，其反映烟雾传感单元的结构如图16至图21所示时，燃烧煤油所产生的浓烟(黑烟)使第一光发射器109和第二光发射器110所发射的光线的散射状况。
在图24中，当第一光发射器109产生的光线具有的第一波长λ1＝900nm时，光线的散射效率I可表现为特性曲线22。同时，当第二光发射器110产生的光线具有的第二波长λ2为500nm时，光线的散射效率工可表现为特性曲线23。
当波长集中在图24中表示时，与图23中棉芯所产生的烟雾相同，特性曲线22取低值时，特性曲线则取较高值，此时的特性曲线22表示的是从第一光发射器109发出的光线波长λ1＝900nm时的散射效率，特性曲线23表示的是从第二光发射器109发出的光线波长λ2＝500nm时的散射效率。
进一步的，散射效率的变化也与图23中所示情况相同。在特性曲线22、23中，当散射角θ变小时，散射效率增大。当散射角θ接近120°时，散射效率达到最小值，此后，当散射角θ变大，散射效率也增加。
根据煤油所产生的浓烟，当第一光发射器109的散射角θ1＝30°时，特性曲线22中的散射效率A1’位于P3点，此时，第二光发射器110的散射角θ2＝120°，特性曲线23中的散射效率A2’位于P4点。
与图23中所示情况相似，散射效率A1’、A2’与受光量成正比，例如，发光量与受光效率的乘积。因此，光接收器111接收到的第一光发射器109的受光信号量与接收到的第二光发射器110的受光信号量的比值为比率R，该比率R可表示为R＝A1’/A2’。
图25表示的是来自于燃烧棉芯产生的熏蒸烟和燃烧煤油所产生的烟的第一光发射器109的受光信号量A1、第二光发射器110的受光信号量A2、以及信号量的比率R的列表。由于，受光信号量与散射效率成正比，散射效率工的数值如图23及图24所示。
由图25的列表可知，燃烧棉芯产生的白烟，即熏蒸烟的比率R值为8.0，其中R等于第一光发射器109和第二光发射器110受光信号量的比值。
而燃烧煤油产生的黑烟的比率R值为2.3，其中R等于第一光发射器109和第二光发射器110受光信号量的比值。
因此，根据白烟和黑烟，第一光发射器109和第二光发射器110受光信号量的比值R有明显的不同。假若将比率R设为阈值以辨识烟的种类，该阈值可以设为6，由此，在火灾发生时所产生的烟可以被辨识出是熏蒸烟或者燃烧的烟。
另外，水蒸气或水汽颗粒的直径可以充分的大于烟雾颗粒。因此，当散射角θ如图23、24所示，数值较小时，散射效率可以高于火灾中产生的烟雾的散射效率，并且，当取第一散射角θ1时，由第一光发射器109发出的光的受光信号量较大，因此，在第一散射角θ1时第一光发射器109的受光信号量与第二散射角θ2为120度时第二光发射器110的受光信号量的比率R可以定为10或者更大的数值。
所以，根据第一光发射器109的受光信号量和第二光发射器110的受光信号量的比值R，可以将阈值设为10，当比值高与上述阈值时，可以辨识出烟雾是来自于水蒸气或水汽而不是来自于火灾。
以上也可以同样应用于烟草产生的烟雾。由于烟草的比率R为10或更高，若将比率R的阈值设为10，当比率高于设置的阈值时，烟雾也可以同样的被辨识为并非由火灾产生。
图26为图19所示的电路部件的传感器火灾感知过程的流程图，该传感器设有图16至图21中所示的烟雾传感单元，并且火灾可被CPU的控制程序识别，该CPU与信号处理单元103的功能相同。
火灾感知过程中，常规操作只有第一光发射器109产生光线。当从第一光发射器109处接收的受光信号量的数值超过一个预定警报值时，传感器会驱动第二光发射器110发射光线以辨别是否有火灾发生，该数值以从第一光发射器109发出的光线和从第二光发射器110发出的光线的受光信号量的比率为基础。
图26中，首先，将第一步骤SB1中的计算器的数值n设为1。步骤SB2中，将第一光发射器109驱动发射光线，如脉冲。步骤SB3，为响应第一光发射器109的光发射，光接收器111收到的受光信号量被记录并保留，受光信号量A1被存储在存储单元104中。同时，由受光信号量A1产生的微分值B也存储在存储单元104中。
与图6中的第一实施例相同，图19中的第一光发射控制器105，通过驱动第一光发射器109发射脉冲光来调整光的发射，在每个周期T1重复产生脉冲宽度T2。由此，放大电路107把受光信号作为与光发射调整器同步的同步受光信号。
例如，当发射光周期T1为1秒时，调节的发射光的脉冲宽度T2为500微秒。调解光发射和相应的同步光接收可以排除入射光产生的光接收信号，除了烟雾感测空间外的烟的散射光，并保证仅对烟雾散射光的接收。
由于第一光发射元件109的发射光的波长波段处于可见光波段，光发射时间周期限制于1毫秒或更短，所以人类肉眼不能识别间歇的发射光。要人类肉眼能识别光发射器产生的光，发射光必须持续一毫秒以上。因此，将光发射时间周期限制于1毫秒或更短，人类就不能用肉眼识别光发射器发射出来的光线。
假设3次发射光脉冲的总发射时间周期为1毫秒或更短，调整的光发射脉冲就足够。当发射光总量的时间周期为150微秒时，发射光不会被肉眼识别。图19中第二光发射控制器106所控制的第二光发射器110所发射的光的调整光发射和同步光接收也类似。
再参照图26，步骤SB4中检测受光信号量A1是否超过预定阈值TH1，该预定阈值TH1用来判断火灾的预报警。当受光信号量A1超过预定阈值时，步骤SB5中的障碍判断程序则开始执行，稍后将进一步描述障碍判断程序。当判断出烟雾不是来自于非火灾时，则在步骤SB6中驱动第二光发射器110发射脉冲光，接着的步骤SB7中，光接收器110所获得的受光信号会被记录并以受光信号量A2的形式存储在存储单元104中。
接着，在步骤SB8中，计算出比率R，其中，比率R为存储在存储单元104中第一光发射器109的受光信号量A1和储在存储单元104中第二光发射器110的受光信号量A2之间的比值。然后，将比率R与预设为10的阈值相比较，并在步骤SB9中判断烟雾是否来自于非火灾。当比率R小于预设为10的阈值，则认为烟雾来自于火灾，然后继续在步骤SB10中将比率R与预设为6的阈值比较以判断燃烧材料的种类。
此时，若比率R等于或大于预设为6的阈值时，则在步骤SB11中判断火灾引起的烟雾为白烟(熏蒸烟火灾)。在步骤SB12中，计算器的数值n逐一增大，在步骤SB13中判断数值n是否达到3。
当计算器的数值n为2时，程序回到步骤SB2，重复步骤SB2到SB12。当步骤SB13中计算器的数值n达到3时，则在步骤SB15中判断烟雾来自于火灾。则发送火灾信号。如有必要，显示火灾为白色烟雾火灾的的信息将同步发出。
另一方面，在步骤SB10中，当比率R小于预设为6的阈值时，程序会跳至步骤SB14，并判断出烟雾来自于黑烟火灾(燃烧火灾)。在步骤SB15中判断烟雾来自于火灾并将火灾信号发送至接收器。如有必要，显示火灾为黑色烟雾火灾的的信息也将同步发出。当步骤SB9中比率R等于或高于预设为10的阈值，则转至步骤SB16并判断烟雾来自于非火灾，程序回到步骤SB1，并将数值n重新设定为1。
从而，在第三实施例中，图16至图21所示烟雾感测单元中的第一光发射器9和第二光发射器10发射出不同波长和不同散射角的光。光被光接收器11接收并将两者的比值于预定阈值相比较。根据比较的结果，判断烟雾是来自于火灾还是非火灾。进一步的，当判断出烟雾来自于火灾时，燃烧材料的种类，例如，是白烟火灾还是黑烟火灾也会被判断出。
作为例子，在具有图16至图21所示结构的烟雾感测单元中，将第一光发射器109的第一波长λ1设为900nm，第一散射角θ1设为30°，将第二光发射器110的第二波长λ2设为500nm，第二散射角θ2设为120°。在第三实施例中，最佳数值如上所述，但以下数值范围也可以取得相同的效果。
首先，第一光发射器109的第一波长λ1可设为中心波长为800nm或更大数值。第一光发射器109的散射角θ1可在20°到50°之间取值。另外，第二光发射器110的第二波长λ2可设为中心波长为500nm或更小数值。第二光发射器110的散射角θ2可在100°到150°之间取值。
特别地，可以对第一光发射器109的第一波长λ1及第一散射角θ1和第二光发射器110的第二波长λ2及第二散射角θ2进行设置，光接收器的受光量的比值R高于预设为6的端值时，可以根据图23中的棉芯的烟雾判断燃烧材料，例如熏蒸烟(白烟)；比值R设置小于预设为6的端值时，可以根据图25中燃烧煤油的烟雾判断材料，例如浓烟(黑烟)，该比值为接收到的第一光发射器109由烟雾散射的受光信号量和接收到的第二光发射器110由烟雾散射的受光信号量的比值。
更进一步的，在图19中所示的信号处理单元3中，将辨别内置误报警情况并发送障碍信号，所述预报警由传感器外表面118的烟雾感测空间上烟雾感测点P的设置控制。
根据外置的烟雾感测点P的设置工作的内置的误报警系统当在有如人手或昆虫的外物干扰时，会直接忽略烟雾感测点P。因此，在图26的处理过程中，障碍判断程序设置在步骤SB5中，它的处理过程如图27的流程图所示。
在图27的障碍判断程序中，首先在步骤SC1中判断受光信号量A1的微分值B是否超过预定障碍阈值TH2。当微分值B没超过预定障碍阈值TH2时，程序转至图26中的步骤SB6，然后执行火灾的判断过程。
当微分值B超过了预设的障碍阈值TH2时，步骤SC2就在定时器中设置预定的时间T，定时器开始工作。并在步骤SC3中对所设置时间T的进程进行监控。当时间T开始计算时，程序转至步骤SC4，并判断此时的受光信号量A1是否超出障碍阈值TH3。若受光信号量A1超出障碍阈值TH3，可以判定在传感器的外表面118的烟雾侦测部附近有诸如蜘蛛网的外物黏附，然后在步骤SC5中发出有障碍物存在的通报。然后接收器显示障碍报告以提醒做维护确认，例如清洁传感器的外表面等。
与图8中所示的第一实施例相同，由火灾引起的烟雾浓度的增加很小。因此，微分值B与误报警阈值TH2相比很小，在火灾发生时也不会超过误报警阈值TH2。所以，在图27的步骤SC1判断时，当受光信号量A1在时间T1超过预报警阈值TH1时，微分值B低于误报警阈值TH2。然后，跳过步骤SC2至步骤SC5的障碍判断程序，然后程序转至图26中的步骤SB6后进行火灾的判断。在这里，障碍阈值TH3相对于火灾判断中的预报警阈值TH1来说，设置在比较高的数值。
图28显示了如昆虫的外部事物临时经过传感器外部表面118的外部开放空间上的烟雾感测点P时的情况。受光信号量A1改变并临时超过障碍阈值TH3。随着受光信号量A1的改变，微分值B由于受光信号量A1的增加也正向改变并超过误报警阈值TH2，然后当受光信号量A1回落时，微分值B也明显地向负方向改变。
接着，将预设值B与误报警阈值TH2比较，所述预设值B在受光量数据A1超过障碍阈值TH3前被记录下来。当预设值B超过误报警阈值TH2时，判定有障碍的可能。为了确认随后的改变，当微分值B超出障碍阈值TH2，定时器被激活，传感器处于准备状态直到时间T经过。
接着，当时间T经过后再次确定受光信号量A1。受光信号量A1等于或少于障碍阈值TH3，障碍被认为是暂时的。障碍移除时，则不提供显示障碍的输出结果。即，停止火灾判断程序的完成。
图29显示了如大昆虫的大型物体临时经过传感器外部表面118的外部开放空间上的烟雾感测点P时的情况。受光信号量A1改变并超出障碍阈值TH3，并保持在该水平。当受光信号量A1增加时，微分值B向负方改变并超出障碍阈值TH2。
接着，将预设值B与误报警阈值TH2比较，所述预设值B在受光信号量A超过障碍阈值TH3前被记录下来。当预设值B超过误报警阈值TH2时，判定有障碍的可能。为了确认随后的改变，当预设值B超出障碍阈值TH2，定时器被激活，传感器处于准备状态直到时间T经过。接着，当时间T经过后再次确定受光信号量A1。受光信号量A超过障碍阈值TH3时，障碍被判定是持续的，然后提供显示障碍存在的输出结果。
因此，第三实施例所述的烟雾传感器除了具有第二实施例所述的烟雾传感器同样的功效以外，由于有多组受光信号量，可作出多种判断，因此能更精确地感测火灾。
此外，散射光特性因光的波长不同而异，散射角和波长的差异会使从不同烟尘上反射的光的强度不同，因此能精确地将不同种类的烟雾区分开。
此外，由于多个光发射器布置成立体角的形式，光发射器的光轴和受光元件的光轴的交叉点，即感受烟尘点可以设置在传感器外表面以外的外部空间，以感测烟雾反射光。
此外，将接收到的来自第一光发射器的反射光的受光信号量与接收到的来自第二光发射器的反射光的受光信号量相比较，就有可能得到二者的比例，再将这个得到的比例与阈值比较。这样，就能识别出不同烟尘的种类以便更精确地感测火灾。
此外，因为接受光元件的角度设置在5°或5°以下的范围内，所以感测来自感光区的散射光的区域可以设置在必要的最小值内，因此能防止外部光线的影响。
此外，光发射器发出校准平行光束，感受来自烟雾感测区的散射光的区域能设置在必要的最小值内，因此能防止外部光线的影响。
下面描述第四实施例。第四实施例在结构上基本与第三实施例相同，区别在于散射角和两个光发射器的偏振方向。第四实施例的结构和方法与第三实施例相同，有特别说明除外。具有同样功能的组件用与第三实施例中相同的名称或件号表示。
图30为第四实施例的烟雾感测单元的结构示意图。在图30中，第一光发射器125、第二光发射器129和光接收器133均面向烟雾检测点P布置。烟雾检测点P是光轴的交点，在烟雾传感器外部。
第一光发射器125发出光线128，光线128具有与第一散射平面127相垂直的垂直偏振平面，第一光发射器125的光轴125A和光接收器133的光轴均在所述垂直偏振平面上。
在当前实施例中，第一光发射器125为发光二极管LED，其前面布置偏振滤波器126，所以发射光线128具有垂直第一散射平面的垂直偏振平面。第一光发射器125光轴125a和光接收器133的光轴133A在第一散射平面127上形成的角为第一散射角θ1，如图30所示，θ1为70°。
另一方面，光发射器129发射光132，光132的偏振平面平行第二散射平面131，并穿过第二光发射器129的光轴129a和光接收器133的光轴133a。此外，第二光发射器129的光轴129a和光接收器133的光轴133a在第二散射平面131上形成的角为第二散射角θ2，第二散射角θ2大于第一散射角θ1，如图30所示，θ2为120°。
因第二光发射器129也采用发光二极管LED，其前面布置偏振滤波器130，所以发射的光132具有平行的偏振平面。
从第一光发射器125发射的光128的有一个垂直于第一散射平面127的垂直偏振平面，从第二光发射器129发射的光132有一个平行于第二散射平面131的平行偏振平面，在P点向光接收器133散射的散射光134直接指向烟雾颗粒，并具有平行第二散射平面的偏振平面。
第四实施例的烟雾感测单元在三维空间的布置如图31所示。与第三实施例相似，第一光发射器125，第二光发射器129和光接收器133布置为立体角形式，并嵌入在腔体基部114(图中未示)。烟雾感测点P设置在外部空间距离传感器主体的外表面118大约高5mm处。
特别地，参见图31，如果把第一光发射器125、第二光发射器129和光接收器133的位置分别用字母A，、B和C表示，那么以A，、B、C和烟雾感测点P这四点间的连线形成的四棱锥以A，、B和C三点为顶点的三角形为底，以烟雾感测点P为顶点。烟雾感测点P是光轴的交叉点，在腔体基部114的外表面的外部。
图32A表示了以立体角形式布置的第一光发射器125、第二光发射器129和光接收器133以及他们的光轴125a，129a，and 133a。
烟雾感测点P是第一光发射器125、第二光发射器129和光接收器133的光轴的交点，设置在腔体基部114上的传感器体的外表面118的外部，如图16至图18所示。另一方面，第一光发射器125、第二光发射器129和光接收器133设置在腔体基部114内。
图32B表示了立体角形式布置的第一光发射器125和光接收器133，字母A和C分别表示第一光发射器125和光接收器133。分别过A点和C点的第一光发射器125和光接收器133的光轴125a和133a确定的平面表示为三角形PCA，光轴125a和133a在PCA平面上的形成的角为第一光发射器125的散射角θ1。
图32C表示了立体角形式布置的第二光发射器129和光接收器133，字母B和C分别表示第二光发射器129和光接收器133。第二光发射器129的光轴195a和光接收器133的光轴133a确定的平面表示为三角形PCB，，光轴129a和133a在PCB平面上形成的角为第二散射角θ2。
对图30中所示的烟雾感测单元进行实验，测量在不同的散射角和偏振角条件下，对不同种类烟雾的受光信号量，实验结果如图33列表所示。在图33的列表中，列出了散射角θ分别为70°、90°和120°时，偏振角φ为0°(水平偏振)和90°(垂直偏振)的多种情况下的实验结果。
在第四实施例中，和第三实施例一样，判断火灾或障碍出现的程序(图26和图27)由内部结构电连接图(图19所示)完成。而且，判断烟雾是否是产生于非火灾的阈值，判断火灾是白色烟雾火灾还是黑色烟雾火灾的阈值，这些也和第三实施例一样。
图33中的受光信号量，为传感器接收烟雾对来自第一光发射器125和第二光发射器129的光散射的受光信号量，图33中列出了烟雾分别产生于燃烧滤纸、煤油和烟这三种情况，散射角θ和偏振角φ确定时，实验得到的受光信号量。
首先，关于受光信号量随着散射角θ的变化而改变的情况为随着散射角的降低受光信号量增大，反之，随着散射角的升高受光信号量减小，对第一光发射器125的垂直偏振光和第二光发射器129的平行偏振光均呈此规律。
另一方面，对同样的散射角θ，比如70°，第一光发射器125的垂直偏振光的受光信号量大于第二光发射器129的平行偏振光的受光信号量。
在作火灾判断时，比率R为受光信号量A1和A2的比值，即R＝A1/A2，A1是对来自第一光发射器125的光的受光信号量，A2是对来自第二光发射器129的光的受光信号量。判断烟雾是来自火灾或是非火灾，如果烟雾来自火灾，则需判断火灾是白色烟雾火灾还是黑色烟雾火灾，这些判断由R值决定。
为了提高比率R值，为第一光发射器125选定的散射角θ1应小于70°以提高受光信号量；而为第二光发射器129选定的散射角θ2，在120°时，能提高受光信号量。
在另一方面，当散射角相等时，垂直偏振光的受光信号量较大，而平行偏振光的受光信号量较小。为了得到一个较大的R值，第一光发射器125选择偏振角φ1＝90°的垂直偏振以提高受光信号量，第二光发射器129选择偏振角θ2＝0°的水平偏振以降低受光信号量。
基于对图31的实施例测量得到的如图33所示的散射角θ和偏振角φ的测量结果，(1)第一光发射器125设置为具有第一散射角θ1＝70°的垂直偏振，(2)第二光发射器129设置为具有第二散射角θ2＝120°的水平偏振。
图34列出了当偏振方向和散射角设置为上述(1)和(2)情况下，不同燃烧材料的A1和A2值，A1为对来自第一光发射器125的光的受光信号量，A2为对来自第二光发射器129的光的受光信号量，此外，还列出了A1和A2的比率R值的计算结果。
从图34中可清楚看到，对火灾中的不同燃烧物，比如滤纸和煤油，比率R为4.44，5.60，比较小，而对属于不发光类的烟草，比率R为16.47，非常大。所以，如图26中的流程图所示，基于步骤SB9中的R值和阈值等于10的判断，保证了在火灾和非火灾之间做出区分。
此外，因为图34所示的燃烧煤油产生的烟雾属于黑色烟雾火灾，所以图26中步骤SB10设定阈值等于6，可以在步骤SB14中判断火灾是黑色烟雾火灾(燃烧火灾)。
在图34中没有表示在图23中已示出的燃烧棉芯产生的烟雾的情况。然而，棉芯的比率R值大于煤油的R值，所以，比率R值等于或大于在图26中的步骤SB10的阈值6，在步骤SB10中判断烟雾是否来自白色烟雾火灾，当计数n达到三次，即可判定火灾已经发生。
在图30所示的实施例中，第一光发射器125的第一散射角θ1设定为70°，第二光发射器129的第二散射角θ2设定为120°，而实际上，θ1值等于或小于80°，θ2值等于或大于100°。
这样，除了取得与第三实施例相同的效果外，第四实施例还有以下有益效果。光的散射特性因光的偏振方向而变化，同时，在两个发光单元中之间的接收光元件的散射角也因光偏振方向而变化。因此，每种烟雾的散射特性不同，能更精确地鉴别不同烟雾。
以下描述第五实施例。对于烟雾感测点设置在传感器体外部的光散射型烟雾传感器，烟雾无需象在现有烟雾传感器那样留驻在烟雾腔室内，这样就能在火灾感测中更精确地感测到烟雾中心的情况。第五实施例的特征在于，由于光散射型烟雾传感器的这种特性，感测火灾的过程更加精确。第五实施例的结构和方法除有特别说明外与第一实施例的相同，具有同样功能的组件用与第一实施例中相同的名称或引用符号表示。
在第五实施例中，光散射型烟雾传感器的结构如图1所示，基本的电路结构如图5所示。在第五实施例中，火灾感测阈值包括第一火灾阈值TH1和第二火灾阈值TH2，TH1和TH2预先储存在随意选择的存储单元17中。第一火灾阈值TH1用来表示在监测区的烟雾中心超出正常状态(空气清洁状态)，表明火灾有可能会发生，但还未构成威胁。第二火灾阈值TH2高于第一火灾阈值TH1(TH2＞TH1)，用来表示在监测区的烟雾中心超出正常状态(空气清洁状态)，火灾极有可能发生。
在第五实施例中，第一设定时间TA1为自火灾感测开始的已消逝时间是否超出第一阈值TH1的判断标准，第二设定时间TA2为自火灾感测开始的已消逝时间是否超出第二阈值TH2的判断标准。第一设定时间TA1和第二设定时间TA2储存在预先任意选择的存储单元17中。
下面对第五实施例的火灾判断过程作描述。图35为火灾判断过程流程图。首先在步骤SD1中，检测受光信号量A的数量是否高出第一火灾阈值TH1，若已高出，则到第二步SD2，在这一步中，开始计算第一设定时间TA1，TA1的计算一开始，第三步SD3开始检测TA1的已消逝时间。同时，步骤SD4不断地监测受光信号量A的数量是否等于或高于第一火灾阈值TH1。若在第一设定时间TA1未结束以前，受光信号量A的数量低于第一火灾阈值TH1，则表明烟雾集中的产生是由于临时性原因而非火灾。在这个阶段，不能得出发生火灾的判定。
另一方面，若直至第一设定时间TA1结束，受光信号量A的数量一直保持等于或高于第一火灾阈值TH1，则开始步骤五SD5，在步骤五SD5中检测第二设定时间TA2。同时，持续检测受光信号量A的数量是否等于或高于第二火灾阈值TH2。若在第二设定时间TA2未结束以前，受光信号量A的数量低于第二火灾阈值TH2，则表明烟雾集中的产生是由于临时性原因而非火灾。在这个阶段，不能得出发生火灾的判定。另一方面，若直至第二设定时间TA1结束，受光信号量A的数量一直保持等于或高于第二火灾阈值TH2，则表明已发生火灾，开始步骤七SD7。
下面来描述上述过程的背景知识及有益效果。现有的散射型烟雾传感器探测火灾需要烟雾进入烟雾腔室中，烟雾填充到烟雾腔室中需要一定的时间，这就造成开始感测火灾时间的后延。而且，烟雾腔室中的烟雾需要一定的时间才能消散掉，因此，即使烟雾腔室外的烟雾集中已经降低，但烟雾腔室中的烟雾集中依然保持很高，以至于发出错误警报。
例如，在具有烟雾腔的现有光散射型烟雾传感器中，火灾烟雾的烟雾集中的变化不同于燃烧烟草或烹饪产生的烟雾集中。换言之，尽管火灾的烟雾集中自然保持升高，燃烧烟草、烹饪或类似燃烧产生的烟雾集中却是波动的。尤其，当烟雾集中降低时，实际的烟雾集中比检测到的烟雾集中要低得多。具有烟雾腔的现有光散射型烟雾传感器不能实时检测出变化着的烟雾集中情况。
图36显示了具有烟腔的现有光散射型烟雾传感器对于燃烧烟草产生的烟雾的光接收量和时间的关系，图37显示了具有烟腔的现有光散射型烟雾传感器对于火灾烟雾的受光信号量和时间的关系，图38显示了第五实施例的光散射型烟雾传感器对于燃烧烟草产生的烟雾的受光信号量和时间的关系，图39显示了第五实施例的光散射型烟雾传感器对于火灾烟雾的受光信号量和时间的关系。在图36至图39中，横轴代表间，纵轴代表光接收量。
首先，将图36和图37中的受光信号量作比较，发现虽然对于燃烧烟草产生的烟雾的受光信号量波动比较大，但是两个图表中曲线的过渡总体上比较相似。这种相似性是因为烟雾进和出烟腔都需要花一定的时间，烟雾更趋向于停留在烟腔内，受光信号量比较均衡。所以，基于这样的光接收量不容易对燃烧烟草产生的烟雾和火灾产生的烟雾做出区分。
另一方面，将图38和图39中的受光信号量作比较，却发现图38中的曲线较图39中的曲线存在着明显的大幅度波动。第五实施例能清楚将火灾和非火灾区分开，这可以从图35中看到。
根据图35所示的火灾判断过程，尽管由于燃烧烟草产生的烟雾使得受光信号量高出第一阈值TH1(图38中T1时刻)，如果在第一设定时间TA1结束以前，受光信号量低于第一阈值TH1(图38中T2时刻)，传感器不能判定火灾发生。而且，即使受光信号量高于第一阈值TH1(图38中T3时刻)，如果在第二设定时间TA1结束以前，受光信号量低于第二阈值TH2，传感器还不能判定火灾发生。总之，尽管受光信号量升高，如果受光信号量没有在预定时间内保持在一定值内，传感器就会判定没有火灾发生，不发出火灾警报，也就避免了错发警报。
另一方面，当烟雾来自火灾，且受光信号量高出第一阈值TH1(图39中T1时刻)并保持这一状态直至第一设定时间TA1结束(图39中T2时刻)，更进一步，如果受光信号量高出第二阈值TH2(图39中T3时刻)，并保持这一状态直至第二设定时间TA2结束(图39中T4时刻)，传感器发出火灾警报。
特别是，第一阈值TH1、第二阈值TH2、第一设定时间TA1和第二设定时间TA2可以在通过实验确定的范围内任意取值。例如，第一设定时间TA1和第二设定时间TA2分别设定为30秒和60秒。
这样，第五实施例利用火灾烟雾和非火灾烟雾的在行为上不同这个特性，可直接得出感测结果，因此第五实施例除了达到第一实施例的有益效果外，还能将火灾烟雾和非火灾烟雾别分开，从而防止发错警报。
上文已描述了第一实施例至第五实施例，根据上述实施例，本领域的技术人员很容易做出一些变化，所以本发明的保护范围不限于上述实施例，根据本发明的构思及内容所作的变化属于本发明的保护范围。
例如，第一实施例至第五实施例的特征可以相互替换。又例如，第五实施例的第一火灾阈值TH1和第二火灾阈值TH2，可以结合成为一个如第三实施例所述的具有多个光发射器的光散射型烟雾传感器。
更进一步地，在第一实施例的传感器体的外表面7上，可设置一个非平坦的护罩，以防止昆虫或外部物质进入传感器内，护罩在某种程度上相对其它部件突出不明显。在第一实施例中，透明盖9盖了传感器体的整合外表面7，而护盖9仅盖光发射口5b和光接收口6b。当烟雾传感器安装在天花板上时，传感器体的外表面朝下，所以可以将烟雾传感器设计为开口式，即光发射口5b和光接收口6b没有被透明盖9所盖。
在如图30所述的第四实施例中，第一光发射器125和第二光发射器129均为发光二极管LED，并分别与偏振滤波器126、130相结合，所以第一光发射器125发出具有垂直偏振平面的光线128，第二光发射器129发出具有水平偏振平面的光线132。若用能发出偏振光的激光二极管代替发光二极管LED作为第一光发射器125和第二光发射器129，则可以去掉偏振滤波器126和偏振滤波器130。
在第四实施例中，第一光发射器和第二光发射器发出相同波长的光，若这两种光的波长不等，则能提高对烟雾区分的精确度。
如图16至图21所示，烟雾感测单元中的两个光发射器的波长和散射角均不相同。作为一个替换实施例，只要保持第一光发射器109和第二光发射器110的波长和散射角不变，可将两个接收光元件用作光发射器109和110。
有宽放射光谱的光发射器，如白炽灯或白色发光二极管，均可用作光发射器，用这类光发射器可以仅用一个。在光发射器上设置波段转换滤波器，可将光线转换为相当于图16所示的第一光发射器109发出的光和第二光发射器110发出的光。
烟雾感测单元设置为两个光发射器125和129有如图30所示的不同的散射角和偏振方向。作为一种替换方式，两个分离的接收光元件可以设置在不同的位置，以使得两个光发射器125和129有不同的偏振平面。
在自光发射器125和光发射器129的发射光的偏振平面可以调整到最适合检测的位置。可以机械旋转如图30所示的偏振滤波器126和130，或通过驱动一个已知的液晶滤波器，以适当地调整偏振平面134的偏振方向。
工业应用如上所述，根据本发明所述的光散射型烟雾传感器通过感测烟雾发出火灾警报，能精确地将不同类型的烟雾区分开，从而发出准确地火灾情报，因其减少了很多突出安装面如天花板的突出部分，有较好的外形，尤其适合在室内使用。
权利要求
1.光散射型烟雾传感器，包括传感器主体；设置在传感器主体中的光发射器，所述光发射器向设置在传感器主体外部的烟雾感测空间发射光；设置在传感器主体中的光接收器，所述光接收器接收由所述光发射器发射到烟雾感测空间的光所产生的散射光，并根据接收到的散射光量输出一个光接收信号；以及火灾判断单元，此火灾判断单元根据由光接收器所输出的光接收信号所确定的光量来判断是否发生火灾。
2.根据权利要求1所述的光散射型烟雾传感器，其中所述的火灾判断单元根据接收到的光量以及此光量的微分值来判断火灾发生。
3.根据权利要求2所述的光散射型烟雾传感器，其中当接收到的光量超过一个预定的火灾阈值，且所接收到的光量的微分值等于或小于一个预定的错误报警阈值时，所述的火灾判断单元作出火灾发生的判断。
4.根据权利要求3所述的光散射型烟雾传感器，其中，当接收到的光量超过一个预定的火灾阈值，且所接收到的光量的微分值超过一个预定的错误报警阈值时，在经过一个从微分值超出预定的错误报警阈值开始起算的预定时间后，所述火灾判断单元检测接受到的光量是否超出一个预定的障碍阈值，当接收到的光量超过障碍阈值时，所述火灾判断单元将作出存在阻碍火灾感测的障碍物的判断。
5.根据权利要求1所述的光散射型烟雾传感器，其中，在等于或长于一个第一预设定时间段内，当接收到的光量超过一个预定的第一火灾阈值，而且在等于或长于一个长于第一预设定时间段的第二预设定时间段内，接收到的光量超过一个预定的比第一火灾阈值大的第二火灾阈值时，所述火灾判断单元作出火灾发生的判断。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中所述光发射器可以是由多个光发射器组成。
7.根据权利要求6所述的光散射型烟雾传感器，其中所述的光发射器具有发射第一波长光的第一光发射器，以及发射比第一波长短的第二波长光的第二光发射器，第一光发射器的光轴与光接收元件的光轴之间相互交叉所形成的第一散射角小于第二光发射器的光轴与光接收元件的光轴之间相互交叉所形成的第二散射角。
8.根据权利要求7所述的光散射型烟雾传感器，其中所述第一波长的中心波长等于或大于800nm，所述第二波长的中心波长等于或小于500nm，所述第一散射角介于20°至50°之间，所述第二散射角介于100°至150°之间。
9.根据权利要求6所述的光散射型烟雾传感器，其中所述光发射器具有第一光发射器和第二光发射器，第一光发射器发射出具有垂直于第一散射面的偏振面的光，其穿过第一光发射器的一个光轴和光接收元件的光轴，第二光发射器发射出具有平行于第二散射面的偏振面的光，其穿过第二光发射器的一个光轴和光接收元件的光轴，第一光发射器的光轴与光接收元件的光轴相互交叉所形成的第一散射角小于第二光发射器的光轴与光接收元件的光轴相互交叉所形成的第二散射角。
10.根据权利要求9所述的光散射型烟雾传感器，其中第一散射角等于或小于80°，第二散射角等于或大于100°。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中所述的多个光发射器以立体角度排列，使得各光发射器的光轴与光接收元件的光轴所在的多个平面之间不共面。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中所述光发射器包括第一光发射器与第二光发射器，火灾判断单元根据由第一光发射器发射并由烟雾散射的散射光，通过光接收器比较接收到的光量，同时，火灾判断单元根据由第二光发射器发射并由烟雾散射的散射光，通过光接收器比较接收到的光量，以此鉴别烟雾的种类，并根据与烟雾种类相关的标准判断火灾是否发生。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中所述光感测空间中的光发射器的光轴与光接收器的光轴之间的相互交叉点与传感器主体之间的距离最少大约为5mm。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中传感器主体外表面的至少一部分由驱虫材料制成，或者传感器主体外表面的至少一部分被使用或者渗入驱虫剂。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中光接收器具有不超过5度的视角。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其中光发射器发射经过校准的平行光束。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其进一步包括一个用于放大光接收器所输出的光接收信号的对数放大器。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的光散射型烟雾传感器，其进一步包括一个光发射控制器，其使用一个调制后的光发射信号驱动光发射器间歇性地发射光，以及一个放大器，其同步于调制后的光发射信号，将从光接收器输出的光接收信号进行放大。
19.根据权利要求18所述的光散射型烟雾传感器，其进一步包括一个光发射控制器，光发射控制器使用一个调制后的光发射信号驱动光发射器间歇性地发射光，其中光发射器发射可见光波长范围内的光，所述光发射控制器以等于或小于1毫秒的光发射脉冲宽度驱动发射间歇性的光。
20.根据权利要求19所述的光散射型烟雾传感器，所述光发射控制器将一个间歇光发射过程设置成一个等于或小于1毫秒的光发射周期。
全文摘要
本发明涉及一种光散射型烟雾传感器，包括传感器主体、光发射器以及火灾判断单元，该光发射器通过烟雾感测空间发射光，并且依据接收到的散射光数量输出接收光信号，依据由输出的接收光信号确定的接收光量，该火灾判断单元判断火灾是否发生。
文档编号G08B17/107GK1882968SQ200480033829
公开日2006年12月20日 申请日期2004年11月17日 优先权日2003年11月17日
发明者长岛哲也 申请人:报知机股份有限公司