专利名称：高灵敏度的颗粒检测的制作方法
技术领域：
一般地说本发明涉及高灵敏度的颗粒检测。仅作为举例的方式更详细地描述的本发明的实施例是用于检测烟尘颗粒的存在。
已有技术的描述GB-A-2330410公开了以蓝色和红外辐射发射器的交替启动的烟尘检测器。比较表示所接收的蓝色和红外辐射的信号以确定烟尘的存在。
发明概述根据本发明，提供了一种颗粒检测设备，包括第一和第二辐射发射装置、辐射感测装置、处理装置和输出装置，所述第一和第二辐射发射装置在分别工作时将第一和第二辐射沿基本相同的预定通路分别发射到散射空间，所述辐射感测装置接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第一辐射和接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第二辐射，该处理装置响应所接收和感测的第一辐射依赖其产生第一信号和响应所接收和感测的第二辐射依赖其产生第二信号，该输出装置比较这两个信号由此在比较结果指示该颗粒具有预定的类型时但不是在比较结果指示其它的情况时产生报警输出，其特征在于控制装置，其工作使第一辐射发射装置工作时保持第二辐射发射装置不工作直到第一信号已经超过预定的值，然后使第二辐射发射装置工作。
根据本发明，还提供一种颗粒检测方法，包括如下的步骤沿基本相同的预定通路可控制地允许第一和第二辐射的相应的发射进入散射空间，接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第一辐射和接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第二辐射，处理所接收和感测的第一辐射依赖其产生第一信号和处理所接收和感测的第二辐射依赖其产生第二信号，比较这两个信号由此在比较结果指示该颗粒具有预定的类型时但不是在比较结果指示其它的情况时产生报警输出，其特征在于在允许第一辐射发射的同时阻止第二辐射的发射直到第一信号已经超过预定的值，然后使第二辐射发射。
附图概述参考附图，仅以举例的方式描述根据本发明的高灵敏度颗粒检测设备和方法，其中附
图1所示为该设备的一种形式的示意图；附图2-7所示为解释附图1的设备的工作和优点的曲线图；和附图8所示为进一步解释附图1的设备的工作的流程图。
实施本发明的模式虽然下文描述的设备和方法使用辐射散射技术检测在空气中的烟尘，但是可以理解的是使用相同的设备和方法也可以检测其它的颗粒。本设备和方法的目的在于至少检测低至0.2％每米的烟尘密度的烟尘颗粒的存在。这种设备主要用于检测初期燃烧。
设备1(附图1)包括发射辐射的两个辐射源3，3A，辐射通过分束器17沿7所示的通路5传输。辐射7通过空间9朝束流收集器11传输。设置椭面镜13以收集由在空间9(在下文要讨论的前向散射角度的预定范围内)中存在的烟尘颗粒散射的辐射并将这种辐射聚焦到检测器15上，该检测器15可以是硅光电二极管。
源3以大约400纳米和500纳米之间的相对短波长(即可见蓝光)发射辐射。可取的是，辐射源3是产生470纳米的辐射的LED。源3A产生大约880纳米的红外辐射，并且也可以是LED。检测器15对由两个源所发射的辐射敏感。
在使用中，在散射空间9中存在的颗粒使辐射7通过预定的角度范围散射。设置椭面镜13以通过椭面镜13收集小于45°的前向散射角度(更具体地，以在大约10°和35°之间的散射角度)散射的任何光。椭面镜13在垂直于入射辐射方向的所有平面中从散射空间以这些角度散射的光聚焦到硅光电二极管15上，该硅光电二极管产生相应的信号。这种结构使入射在硅光电二极管15上的辐射最大。
没有被散射的任何辐射将入射并基本由束流收集器11捕获，并且硅光电二极管15不产生相应的信号。
来自硅光电二极管15的输出通过线路18馈送给控制系统16。控制系统16控制LED 3和3A的激发。如下文所解释，控制系统16处理从光电二极管15中接收的输出并在线路21和23上产生信号，该信号分别对应于响应来自LED 3的散射辐射由光电二极管15产生的输出和响应来自LED 3A的散射辐射由光电二极管15所产生的输出。
线路21和23馈送给比较器25和阈值单元26，28和29。
在附图2中的曲线A所示为对于以每米遮蔽的蓝光(即来自光源3的光)的百分比表示的不同的烟尘遮蔽的检测器15的输出。曲线B所示为在辐射的波长大约880纳米(即来自源3A的辐射)时在相同的散射角度上的对应的检测器输出。在每种情况下，前向散射角度的范围相同(在大约10°和35°之间)。所示的测试的烟尘由阴烧棉产生的。
附图2清楚地示出了在低至0.2％每米的烟尘密度下从光电二极管15中产生的可检测的信号，与响应来自源3A的红外辐射产生的检测器输出相比响应源3的蓝色可见光产生的检测器输出大得多。
附图3所示为使用不同的波长对于烟尘的颗粒大小的典型分布所计算的散射增益相对于前向散射角度的曲线。散射增益是散射进单位立体角中的光量作为落在单个颗粒上的光的分数。曲线A对应于通过源3所产生的蓝色可见光，曲线B对应于通过源3A所产生的红外可见光。
附图3所示为对于高达大约155°的散射角度响应蓝色可见光(曲线A)的散射增益明显大于响应红外辐射(曲线B)的散射增益，虽然在小于45°的散射角度上散射增益的增加大得多。
因此，在附图2和3中的曲线A示出了如何结合使用蓝色可见光(在400和500纳米之间的辐射)和使用在低散射角度(在大约10°和35°之间)使灵敏度极大地增加。
烟尘检测器在存在较大的悬浮颗粒(比如冷凝的水雾或灰尘)的情况下易于产生错误的报警。附图4对应于附图3，但所使用的颗粒是具有典型的冷凝水雾的大小分布的颗粒。曲线A所示为响应来自源3的蓝色可见光的散射增益，而曲线B是响应来自源3A的红外辐射的散射增益。在附图4中的曲线A和B所示为在该测试波长下，至少在大约15°和30°之间的散射角度下散射增益基本相同。因此附图3和4的对比说明对于烟尘颗粒响应蓝色光的光电二极管信号与响应红外辐射的光电二极管信号的比率高于“讨厌的”悬浮微粒(比如水雾颗粒)的比率。
在使用中，检测设备可以在两种模式中的任一模式下工作。
在第一检测模式下，控制系统16以不同的频率连续地驱动LED 3，3A，形成控制系统16的部件的独立的窄带或锁定放大器响应光电二极管15的输出，并以对应于散射的蓝光和散射的红外辐射的信号分别激发线路21和23。在线路21和23上的信号馈送给比较单元25，该比较单元25测量在线路21上的信号的幅值与在线路23上的信号的幅值的比率。附图5和6解释在这种模式下设备的工作。
在附图5和6中，水平轴代表时间，左手垂直轴代表以每米遮蔽的光的百分比表示的可见遮蔽，右手垂直轴代表在附图1中的检测器15的输出。左手和右手轴是对数标度。
附图5所示为在由烟尘(在这种情况下是由阴燃棉产生的灰烟)引起的遮蔽时获得的结果，该烟尘在100s释放5s，然后在200和300s之间释放100s。在附图6中，遮蔽由非烟尘源引起，在这种情况下由头发定型剂悬浮颗粒引起。在100s 1秒喷射被释放而在200s喷射10s。
在附图5中，曲线I绘制遮蔽曲线。曲线II绘制检测器15响应由源3发射的蓝色光的输出曲线。曲线III绘制了检测器15响应由源3A发射的红外辐射的输出的曲线。可以看出，检测器响应散射的红外辐射的输出(曲线III)比检测器响应散射的蓝色光的输出(曲线II)小得多。曲线IV显示了在发射的辐射是蓝色光时的检测器的输出(曲线II)与在发射的辐射是红外时的输出(曲线III)的比率。该比率比1明显大。
在附图6中，曲线I，II，III和IV与附图5相同。应该注意的是，由曲线IV所示的比率比1明显小。
因此，如果比较单元25确定它所测量的比率大于预定的值，则这表示烟尘的遮蔽，该单元在线路30上产生报警信号。然而，如果所测量的比率小于1，这表示没有烟尘遮蔽，不产生报警信号。因此，通过测量在检测模式下在线路21和23上产生的信号的比率，以相对非烟尘遮蔽非常好的分辨率产生非常灵敏的烟尘检测。来自比较单元25的在线路30上的报警信号的输出馈送给报警单元32，如果在线路21上的信号的量值(即光电二极管15响应所接收的散射蓝光产生的信号)超过由阈值单元29固定的预定的阈值，该报警单元也接收在线路34上的输出。如果报警单元32接收在线路30和34二者上的信号，则它产生报警输出。
然而，根据上述的检测器设备的特征，它也可以在监视模式下工作，实际上，它通常工作在这种模式下。在监视模式下，控制系统16维持源3切断或可能以很低的速率发送脉冲。但是，在这种模式中，控制系统部件16周期性地激发红外源3A。源3A可以以相当大的强度但非常短的周期和非常低的闪烁率(例如，大约每秒一次)激发。因为在监视模式下仅激发源3A，并且以相对较低的闪烁率在短的周期内激发，因此在这种模式下功率消耗较低。人们所已知的是，在这种方式激发时红外LED具有较长的寿命。
在监视模式下，控制系统16监视来自检测器15的输出。在空间9中没有任何遮蔽的情况下，当然不存在输出。但是，在存在任何遮蔽的情况下，某些红外辐射就散射到检测器15上，因此在线路18上产生相应的输出。控制系统16在线路23上产生相应的信号(使用适合的同步放大器)并将这个信号的幅值与在阈值检测器28中的预定的阈值进行比较。如果超过预定的阈值，则在线路36上的信号使控制系统16将设备切换到上述的检测模式，在上述的检测模式下，源3和3A分别被以不同的频率输送脉冲，这些频率比在监视模式中对红外源3A输送脉冲的频率大。如上文已经解释，比较单元25现在测量在线路21和23上分别产生的信号之间的比率，因此，相对于非烟尘遮蔽，该系统现在以更高的灵敏度工作以检测烟尘颗粒和鉴别。
因此，这样，在要求高灵敏度烟尘检测和鉴别的情况时仅激发产生蓝光的光源3。因此可以使功率消耗最小，这可以降低对蓝光发射LED 3的寿命的不利影响。
在监视模式下，红外LED 3A被输送脉冲的速率和为将该系统切换到检测模式光电二极管的输出必须超过的通过阈值检测器28施加的阈值根据在该设备的特定应用中感觉出的危险性设定。为了维持高灵敏度，这个阈值通常设定在低的水平。但是，为了确保不出现错误报警，在将该设备切换到检测模式之前，控制系统被设定成使光电二极管15的输出必需超过这个阈值一个来自红外LED 3A的脉冲输出的预定数量(例如两个或更多)。
在该设备已经从监视模式切换到检测模式时，它通常保持在检测模式直到在线路21上产生的对应于检测器15所接收的散射蓝光的信号落在由阈值检测器26所设定的预定的阈值之下(可取的是，保持在该阈值之下至少预定的时间)或直到由比较单元25所测量的比率已经上升到产生表示点火报警的报警输出的电平之上。
在比较单元25的比率输出落到报警电平之下时可以将该设备设置成自动切换回监视模式。另外，手动复位也是需要的。
在某些情况下，比如在空间9基本是含杂质的环境时，该设备可能易于在两种模式之间反复切换。因此，在空间9中含有杂质但没有烟尘的环境中，在比较单元25的输出表示遮蔽是非烟尘遮蔽时该设备从监视模式切换到检测模式，但然后快速地切换回监视模式，并可能继续重复这种切换动作。在这种环境中，控制系统16可自动设置成增加阈值单元28的阈值，在将检测器切换到检测器模式之前检测器15的输出在监视模式中必需超过该阈值。可替换的是，控制系统可以设置在这种环境中以限制在检测模式中花的时间。
参考附图7和8进一步描述该设备的工作。
附图7所示为表示时间的水平轴和表示通过LED 3和LED 3A的驱动电流的垂直轴的曲线图。因此，曲线A所示为红外LED 3A输送脉冲。在时间周期I上，设备在监视模式下工作，在这种模式下LED 3A被以相对较高的电流但偶尔输送脉冲。因此，在周期I上，蓝色LED 3不发送脉冲。在时间tI，假设光电二极管15响应散射红外辐射的输出到达由阈值单元28所设定的预定的阈值，然后该设备切换到检测模式。因此，在时间周期II上，在该设备处于检测模式时，曲线显示红外LED3A被以较低的电流幅值但高得多的频率输送脉冲。类似地，在相同的时间周期(曲线B)上，蓝色LED 3现在被输送脉冲但其频率不同于红外LED 3A。
附图8所示为检测器的两种工作模式的流程图。
在开始(步骤A)之后，设备在监视模式中开始工作，红外LED 3A被以较低的速率(每秒)输送脉冲(步骤B)。控制系统16检查检测器15响应任何所接收的散射红外辐射的输出是否超过第一阈值(阈值I-由阈值单元28所施加的阈值)(步骤C)。如果没有超过这个阈值，则该设备保持在监视模式。但是，如果超过了阈值1，则该设备进入检测模式(步骤D)，两个LED 3和3A现在都被以不同的频率输送脉冲。
在所解释的方式中，在控制系统16中的锁定放大器在线路21和23上产生对应于检测器响应来自LED 3的蓝色辐射和来自LED 3A的红外辐射的输出的信号。比较单元25检查在线路21上的信号的幅值与在线路23上的信号的幅值的比率是否大于1(步骤E)。如果该比率没有超过1，则控制系统16检查在线路21上的信号幅值是否超过第二预定的阈值(阈值2-由阈值单元26所施加的阈值)(步骤F)。如果超过了阈值2，则该设备保持在检测模式中。如果没有超过阈值2，则该设备返回到监视模式。
如果在步骤E中确定由比较单元25所测量的比率大于1，则该设备检查(步骤G)在线路21上的信号的幅值是否超过由阈值单元29所施加的阈值(阈值3)。如果没有超过这个阈值，则不产生报警输出。但是，如果超过了阈值3，则产生报警(步骤H)。这个信号使报警单元32(附图1)产生适合的报警输出(步骤I)。
在步骤J中检查是否仍然正在产生报警信号。如果不是这样，则检测器返回到监视模式。如果仍然产生报警信号，则维持报警输出(步骤I)。
在该设备中使用的红外辐射不需要处于880纳米。
在变型方案中，可以使用双LED结构，以替换附图1的分离的发射器3，3A和分束器17。
在另一变型方案中，不要求很高的灵敏度，但可以省去附图1的椭面镜13，并可以由迷宫式结构(labyrinth arrangement)替代以收集散射的辐射。
权利要求
1.颗粒检测设备，包括第一(3)和第二(3A)辐射发射装置、辐射感测装置(15)、处理装置(16)和输出装置(25)，所述第一和第二辐射发射装置在分别工作时将第一和第二辐射沿基本相同的预定通路(5)分别发射到散射空间；所述辐射感测装置接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第一辐射和接收和感测从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第二辐射；所述处理装置响应所接收和感测的第一辐射依赖其产生第一信号(21)和响应所接收和感测的第二辐射依赖其产生第二信号(23)；所述输出装置比较这两个信号由此在比较结果指示该颗粒具有预定的类型时但不是在比较结果指示其它的情况时产生报警输出(30)，其特征在于控制装置(16)，在使第一辐射发射装置(3)工作时所述控制装置(16)工作用于保持第二辐射发射装置(3A)不工作直到第一信号(21)已经超过预定的值，然后使第二辐射发射装置(3A)工作。
2.根据权利要求1所述的设备，其中控制装置(16)保持第二辐射装置(3A)不工作直到第一信号(21)已经超过预定的值至少预定的时间，然后使它工作。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中通过控制装置(16)保持第二辐射装置(3A)断电而保持它不工作。
4.根据前述任一权利要求所述的设备，其中在每个辐射发射装置(3，3A)工作时使它的辐射的发射以预定的发射频率间歇地进行。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中在每个辐射发射装置(3，3A)工作时使它的辐射的发射以预定的发射频率间歇地进行，其中控制装置(16)通过控制第二辐射发射装置(3A)以比预定的发射的频率低得多的发射频率发射辐射而保持它处于不工作状态。
6.根据权利要求4或5所述的设备，其中在使第一和第二辐射发射装置(3，3A)都工作时它们的辐射的发射频率预定为彼此不同的第一和第二频率。
7.根据权利要求6所述的设备，其中处理装置(16)包括依赖两个不同的频率工作的装置。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其中在保持第二辐射发射装置(3A)不工作的同时通过第一辐射发射装置(3)间歇发射辐射的频率小于所述第一和第二频率。
9.根据权利要求4至8中任一权利要求所述的设备，其中控制装置(16)包括控制标记/空间比率的装置，在该比率下在第二辐射发射装置(3A)保持不工作时第一辐射发射装置(3)发射比在第二辐射发射装置(3A)工作时更低的第一辐射。
10.根据权利要求4至9中任一权利要求所述的设备，其中控制装置(16)包括控制幅值的装置，在该幅值下在第二辐射发射装置(3A)保持不工作时第一辐射发射装置(3)发射比在第二辐射发射装置(3A)工作时更高的第一辐射。
11.根据前述任一权利要求所述的设备，包括阻止输出装置(25)产生报警信号直到第一和第二信号(21，23)中的至少一个超过预定的值的装置(29)。
12.根据前述任一权利要求所述的设备，其中第一辐射是红外辐射。
13.根据权利要求12所述的设备，其中红外辐射的波长大约880纳米。
14.根据前述任一权利要求所述的设备，其中第二辐射是蓝光。
15.根据权利要求14所述的设备，其中第二辐射的波长在大约400纳米和大约500纳米之间。
16.根据前述任一权利要求所述的设备，包括从散射空间中采集由其中存在的颗粒以预定的散射角度前向散射的第一和第二辐射并将所采集的第一和第二辐射导向到辐射和感测装置(15)以由此接收和感测的采集装置(13)。
17.根据权利要求15所述的设备，其中预定的散射角度位于大约10°和35°之间的范围。
18.根据权利要求15或16所述的设备，其中采集装置(13)是椭面镜。
19.根据前述任一权利要求所述的设备，其中辐射感测装置(15)包括光电二极管。
20.根据前述任一权利要求所述的设备，其中预定类型的颗粒是烟尘颗粒。
21.根据权利要求20所述的设备，其中烟尘颗粒的尺寸小于1微米。
22.根据前述任一权利要求所述的设备，包括设置在预定的通路中并比散射空间更加远离辐射发射装置(3，3A)的束流收集装置(11)。
23.一种颗粒检测方法，包括如下的步骤沿基本相同的预定通路(5)可控制地允许第一和第二辐射的相应的发射进入散射空间，接收和感测(15)从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第一辐射和接收和感测(15)从散射的空间通过在其中存在的颗粒前向散射的所说的第二辐射，处理(16)所接收和感测的第一辐射以依赖其产生第一信号(21)和处理所接收和感测的第二辐射以依赖其产生第二信号(23)，比较这两个信号(21，23)由此在比较结果指示该颗粒具有预定的类型时但不是在比较结果指示其它的情况时产生报警输出，其特征在于，在允许第一辐射发射的同时阻止第二辐射的发射直到第一信号已经超过预定的值，然后允许第二辐射发射。
24.根据权利要求23所述的方法，其中阻止第二辐射的发射的步骤阻止这种高于额定值的发射。
25.根据权利要求23或24所述的方法，其中阻止第二辐射的发射的步骤阻止这种发射直到第一信号超过预定值至少一个预定的时间。
26.根据权利要求23至25中任一权利要求所述的方法，其中在允许时每种辐射的发射以预定的发射频率间歇地进行。
27.根据权利要求26所述的方法，其中在允许时第一和第二辐射的发射频率预定为分别不同的第一和第二频率。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述处理步骤依赖所述两个不同的频率工作。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中在阻止第二辐射发射的同时第一辐射的间歇发射频率小于第一和第二频率。
30.根据权利要求26至29中任一权利要求所述的方法，其中第一辐射以一标记/空间比率间歇地发射，该比率在阻止第二辐射发射时比在允许第二辐射发射时更低。
31.根据权利要求26至30中任一权利要求所述的方法，其中在阻止第二辐射发射时发射的第一辐射的辐值比在允许第二辐射发射时更高。
32.根据权利要求24至31中任一权利要求所述的方法，包括阻止产生报警输出直到第一和第二信号中至少一个超过预定值的步骤。
33.根据权利要求24至32中任一权利要求所述的方法，其中第一辐射是红外辐射。
34.根据权利要求33所述的方法，其中红外辐射的波长大约880纳米。
35.根据权利要求24至34中任一权利要求所述的方法，其中第二辐射是蓝光。
36.根据权利要求33所述的方法，其中第二辐射的波长在大约400纳米和500纳米之间。
37.根据权利要求23至36中任一权利要求所述的方法，包括采集以预定的散射角度从散射空间由其中存在的颗粒前向散射的第一和第二辐射并导向所采集的第一和第二辐射以便于接收和感测的步骤。
38.根据权利要求37所述的方法，其中预定的散射角度位于大约10°和35°之间的范围。
39.根据权利要求23至38所述的方法，其中预定类型的颗粒是烟尘颗粒。
40.根据权利要求39所述的方法，其中烟尘颗粒的尺寸小于1微米。
全文摘要
所示的烟尘检测器从辐射发射器(3)导向蓝光通过散射空间(9)并从红外源(3A)导向红外辐射通过散射空间(9)。在散射空间(9)中由任何颗粒前向散射的辐射由反光镜(13)导向到光电二极管(15)，光电二极管(15)给控制装置(16)产生输出。发射器(3，3A)被以不同的频率输送脉冲，使控制装置(16)产生分别对应于散射的蓝光和散射的红外辐射的不同的信号(21，23)。对于烟尘颗粒，散射的蓝光比红外辐射多得多，但对于非烟尘颗粒的情况则不散射那么多。比较器(25)获得两个信号(21，23)的比率以产生取决于烟尘的报警输出。为了减小功率消耗并增加蓝光发射器(3)的寿命，该设备通常在监视模式下工作，在这种模式下红外发射器(3A)被以较高的强度但较低的闪烁速率输送脉冲，并且蓝光发射器(3)保持不工作，直到在空间(9)中由颗粒散射的红外辐射使光电二极管(15)产生足够的输出，由此使蓝光二极管工作。
文档编号G01N21/53GK1489756SQ0280417
公开日2004年4月14日 申请日期2002年9月17日 优先权日2001年9月25日
发明者K·F·贝尔, J·吉尔莫雷, , K F 贝尔 申请人:基德Ip控股有限公司