低功耗光致电离检测器(PID)的制作方法

无。

有关联邦资助的

研究或发展的简述

不适用。

缩微平片附件的引用

不适用。

背景技术：

光致电离检测器(pid)采用灯来发射使检测器电极附近的气体电离的光子。通过外加的电压偏置在这些电极的板之间建立电场。该电场引起电离粒子移动到一个或另一个板，从而在这些电极之间建立电流。可对该电流进行处理以提取气体存在的指示。例如，pid可用于检测挥发性有机化合物(voc)的存在和/或浓度，这些挥发性有机化合物可对人类构成威胁。

技术实现要素：

在一个实施方案中，公开了光致电离检测器。光致电离检测器包括：输出信号的检测器电极；紫外灯；灯驱动器，该灯驱动器通信地耦接到紫外灯并且被配置为响应于控制输入而接通和断开紫外灯；以及控制器，该控制器通信地耦接到检测器电极的输出信号和灯驱动器的控制输入，基于检测器电极的输出信号来输出气体检测的指示，并且以小于10％的接通占空比接通和断开灯驱动器。

在另一个实施方案中，公开了用光致电离检测器检测气体的存在的方法。该方法包括由控制器定期地接通和断开紫外灯，其中接通占空比小于10％；在紫外灯断开时，对检测器电极的输出进行采样；由控制器分析检测器电极的输出的采样；以及由控制器基于检测器电极的输出的采样的分析来输出气体检测指示。

在又一个实施方案中，公开了光致电离检测器。光致电离检测器包括：输出信号的检测器电极；紫外灯；灯驱动器，该灯驱动器通信地耦接到紫外灯且被配置为响应于控制输入而接通和断开紫外灯；滤波器，该滤波器接收由检测器电极输出的信号且输出经滤波的检测器电极信号，其中该滤波器具有小于50毫秒(ms)的时间常数；以及控制器，该控制器通信地耦接到由滤波器输出的经滤波检测器信号和灯驱动器的控制输入，基于由滤波器输出的经滤波的检测器电极信号来输出气体检测的指示，并且接通和断开灯驱动器。

根据以下具体实施方式并结合附图和权利要求，将更清楚地理解这些特征和其他特征。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。

图1是根据本公开的实施方案的系统的框图。

图2是根据本公开的实施方案的光致电离检测器的一部分的图示。

图3是根据本公开的实施方案的波形的图示。

图4是根据本公开的实施方案的方法的流程图。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前己知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围及其等同物的全部范围内进行修改。

本公开提出了低功耗光致电离检测器(pid)。本文所提出的pid实现了许多优点，包括因对电池的功率需求更少而延长了电池寿命，延长了pid灯的寿命，减少了因聚合物在pid灯和/或pid灯窗口上的沉积而引起的pid灯退化，以及因使用显著更快的滤波器而有更快的响应时间。灯驱动器由控制器接通和断开，从而接通和断开pid灯。pid灯在相对较短的占空时间例如，小于10％的时间内接通。这减少了电池上的电力负荷。另外，这延长了pid灯的寿命并且降低了pid灯和/或pid灯窗口上的聚合物沉积的速率。接收pid传感器和/或pid电极的输出的信号调理电路由控制器断开和接通，从而启用信号采样、调理以及信号向控制器的输出以便确定气体存在或不存在的指示。控制器仅在pid灯驱动器(以及pid灯)断开之后才接通信号调理电路。因为pid灯驱动器和/或pid灯在接通时会在pid中产生电噪声，所以在pid灯驱动器和pid灯断开时的采样和信号调理减少了进入信号调理电路的噪声。由于存在更少的电噪声，因此可大幅减小信号调理电路的滤波时间常数，从而增加pid的响应时间。

现在转到图1，描述了系统100。在一个实施方案中，系统100包括控制器102、灯驱动器104、紫外(uv)灯106、电极108、滤波器112和模数转换器116。控制器102可为微控制器、专用集成电路(asic)、可编程逻辑设备(pld)、现场可编程门阵列(fpga)或某种其他逻辑处理器。灯驱动器104被配置为提供功率和/或刺激紫外灯106发射紫外光。在一个实施方案中，紫外灯106可与窗口(未示出)相关联，紫外灯106发射的紫外光在辐射电极108附近之前穿过该窗口。电极108可包括电极的至少两个平行板，向这些平行板提供稳定直流(dc)偏置电压。

当紫外灯106接通时，紫外灯106发射的紫外光使电极108附近的气体(如果存在的话)电离，并且电极108的板之间的电场引起与电离的气体分子的存在成比例的电流。应当注意，当紫外灯106断开时，电离过程停止，但已电离的气体分子不会立即消电离，从而电极108的板之间的电流可在紫外灯106断开后持续一定时间(如果存在气体的话(例如，如果存在挥发性有机化合物[voc]的话))。当紫外灯106接通时，紫外灯106和/或灯驱动器104会引起电噪声进入pid。当紫外灯106和灯驱动器104由控制器102断开时，该电噪声源被消除。

控制器102经由第一控制信号103接通和断开灯驱动器104。在一个实施方案中，控制器102以小于10％的接通占空比定期地接通和断开灯驱动器104。如本领域技术人员所理解，占空比是接通时间量相比于断开时间量的表示，通常表示为百分比。作为一个示例，如果周期为1秒(s)，则10％接通占空比将在每1s周期内使灯驱动器104接通约100毫秒(ms)并且断开约900ms。在另一个示例中，如果周期为1秒，则1％接通占空比将在每1s周期内使灯驱动器104接通约10ms并且断开约990ms。作为另一个示例，如果周期为100ms，则10％接通占空比将在每100ms周期内使灯驱动器104接通约10ms并且断开约90ms。在另一个示例中，如果周期为100ms，则1％接通占空比将在每100ms周期内使灯驱动器104接通约1ms并且断开约99ms。

滤波器112和模数转换器116可被视为信号调理电路。在一个实施方案中，信号调理的一些或所有功能可在控制器102中执行。例如，控制器102可对来自模数转换器116的输入执行数字滤波。滤波器112和模数转换器116可由控制器102接通和断开。滤波器112和/或模数转换器116可由控制器102(例如由第二控制信号111)以小于1％接通占空比来接通和断开。在一个实施方案中，控制器102在灯驱动器104和紫外灯106已断开之后才接通滤波器112和/或模数转换器116。在一个实施方案中，滤波器112保持连续接通，并且模数转换器116在灯驱动器104和紫外灯106已断开之后才接通。

在一个实施方案中，在灯驱动器104和紫外灯106已断开之后的预定时间延迟，由控制器102接通模数转换器116。在一个实施方案中，预定时间延迟与滤波器112的时间常数有关，例如预定时间延迟是滤波器112的一个时间常数、滤波器112的两个时间常数或某个其他持续时间。如本领域技术人员所知，滤波器的时间常数是滤波器响应于输入值而达到其最终输出值的阈值部分的时间。在一个实施方案中，滤波器112的时间常数可小于50ms。在一个实施方案中，滤波器112的时间常数可小于5ms。在一个实施方案中，滤波器112的时间常数可小于1ms。通过在灯驱动器104和紫外灯106断开之后接通模数转换器116，可基本上使灯驱动器104和紫外灯106所产生的噪声保持在信号调理电路之外并且可减小滤波器112的时间常数，从而在信号调理电路中产生更快速的响应。电极108输出检测器电极信号110，该检测器电极信号输入到滤波器112。滤波器112输出经滤波的检测器电极信号114，该经滤波的检测器电极信号输入到模数转换器116。模数转换器116将数字信号118输出到控制器102。

现有技术pid可保持紫外灯连续接通。通过使紫外灯106在减少的时间部分内(例如在1/10的时间量内)接通，可减少向系统100提供功率的电池132上的电力负荷并且延长电池寿命周期(或再充电周期)。另外，通过使紫外灯106在减少的时间部分内接通，可在紫外灯106烧坏之前延长该紫外灯的寿命。此外，在存在voc的情况下接通紫外灯106时，可在电离期间形成一些聚合物，并且这些聚合物可沉积并聚积在紫外灯106上和/或紫外灯的窗口上。聚合物在紫外灯106和/或紫外灯的窗口上的沉积可使紫外灯106的性能退化。

当控制器102检测到气体存在时，其可输出气体检测警报或信号120。该信号120可引起由系统100的输出设备122例如向与系统100相关联的人类呈现指示。例如，系统100可以是由工人携带到可使工人暴露于voc危害的环境中的个人便携式光致电离检测器。输出设备122可包括听觉警报设备124和/或视觉警报设备126。在一个实施方案中，系统100还包括微处理器128，该微处理器接收信号120并且向输出设备122提供控制信号。微处理器128还可将记录写入到存储器130，例如以时间建立索引的记录气体检测水平的定期日志条目。例如，此类日志条目可用于和/或被规定用于审计工作环境的安全性。

现在转到图2，描述了系统100的更多细节。在一个实施方案中，滤波器112可包括放大器160，该放大器提高检测器电极信号110的振幅。在实施方案中，滤波器112还包括第一电阻器162、第二电阻器164和电容器166。应当理解，滤波器112可按与图2所示不同的方式实现。

现在转到图3，描述了波形图180。第一波形182表示由控制器102输出的第一控制信号103以便启用或接通灯驱动器104，从而接通紫外灯106。第一波形182在标签186处较高，并且启用或接通灯驱动器104。第二波形184表示由控制器102输出的第二控制信号111以启用或接通滤波器112和/或模数转换器116。第二波形184在标签192处较高，并且启用或接通滤波器112。在一个实施方案中，滤波器112保持接通，并且第二控制信号111单独接通和断开模数转换器116。应当理解，波形图180不表示波形182、184的周期的整个持续时间。例如，如果第一控制信号103具有1％接通占空比，则图3所示的完整波形周期的部分可仅占一个周期的约1/33。波形图180示出了第一控制信号103的接通间隔的持续时间与第二控制信号111的接通间隔的持续时间之间的关系。波形图180还示出了第一控制信号103的接通间隔和第二控制信号111的接通间隔的时序。

第一控制信号103的接通间隔(从而紫外灯106的接通间隔)显著长于第二控制信号111的接通间隔(从而至少模数转换器116的接通间隔)。在一个实施方案中，第一控制信号103的接通间隔可为第二控制信号111的接通间隔的至少五倍。在一个实施方案中，第一控制信号103的接通间隔可为第二控制信号111的接通间隔的至少五十倍。在一个实施方案中，第一控制信号103的接通间隔可为第二控制信号111的接通间隔的至少五百倍。在一个实施方案中，第一控制信号103可接通约10ms(毫秒)，而第二控制信号111可接通约10μs(微秒)。

第二控制信号111可在第一控制信号103断开之后接通。在一个实施方案中，第一控制信号103断开与第二控制信号111接通之间存在时间间隔。例如，第一控制信号103可在时间188时断开，并且第二控制信号111可在时间190时接通。时间188与时间190之间的差值可为与滤波器112的常数有关的预定时间间隔，例如滤波器112的约一个时间常数、滤波器112的约两个时间常数、滤波器112的约三个时间常数或某个其他数量。

在断开第一控制信号103之后延迟一些预定时间周期再接通第二控制信号111可引起从检测器电极信号110的输出的采样和/或捕获中排除与紫外灯106接通相关联的噪声的一部分，并且可引起滤波器112比其他情况更快地达到检测器电极信号110的输出的稳态或定值。应当注意，不希望过度延长预定时间周期(在时间188与时间190之间)，因为电离气体会随时间推移而消电离。因此，预定时间周期应足够长以允许滤波器112在第一控制信号103断开、从而紫外灯106断开及其产生的电噪声消除之后稳定，与此同时足够短以避免紫外灯106接通时电离的气体的过度消电离。结合本公开，本领域技术人员将易于为时间188与时间190之间的偏移确定合适的时间间隔。作为一个示例，滤波器112的时间常数的约三倍的时间间隔在一些实施方案中可为合适的。作为另一个示例，滤波器112的时间常数的约1.5倍的时间间隔在其他实施方案中可为合适的。在一个实施方案中，大于约20μs且小于约150μs的时间间隔可为合适的。在一个实施方案中，大于约20μs且小于约50μs的时间间隔可为合适的。在一个实施方案中，大于约50μs且小于约150μs的时间间隔可为合适的。在一个实施方案中，大于约50μs且小于约100μs的时间间隔可为合适的。在一个实施方案中，大于约35μs且小于约70μs的时间间隔可为合适的。

现在转到图4，描述了方法200。方法200可描述使用系统100的方法。在一个实施方案中，人类可将系统100随身携带到工作环境中以警告危险气体的存在，例如警告voc的存在。voc可包括各种溶剂、燃料、脱脂剂、塑料、传热流体、润滑剂及其他物质，但不限于此。voc在被吸入和/或吸入浓度超过预定暴露阈值时可对人类有害。voc可带来爆炸或着火的风险，例如当以超过预定阈值的浓度存在时。系统100可用于监测工业卫生与安全、环境污染与修复、危险材料处理、氨检测以及精炼厂环境。多个系统100可组合使用，每个系统基于其紫外灯106的主波长来调谐以适合不同种类的气体或voc。

在方框202处，由控制器定期地接通和断开紫外灯，其中接通占空比小于10％。例如，由控制器102定期地接通和断开紫外灯106。换句话讲，由灯驱动器104定期地接通和断开紫外灯106，并且由控制器102定期地接通和断开灯驱动器104。在方框204处，在紫外灯断开时，对检测器电极的输出进行采样。可在紫外灯106断开后的预定时间周期之后对检测器的输出(例如，检测器电极信号110)进行采样，如上文参照图3进一步描述。可在相对较短的时间周期内(例如在约10μs或约100μs内)对检测器的输出执行采样。可以以小于1％的接通占空比执行采样。在一个实施方案中，可以以小于0.01％的接通占空比执行采样。

在方框206处，控制器分析检测器电极的输出的采样。例如，控制器102至少间接地经由信号调理电路(即，滤波器112和模数转换器116)来分析检测器电极信号110。在方框208处，控制器基于检测器电极的输出的采样的分析来输出气体检测指示。应当理解，方法200包括在持续进行的基础上重复方框204、206、208的处理。

在方框210处，任选地(例如，在检测到高于预定阈值的气体浓度的适当情况下)，基于由控制器输出的气体检测指示来呈现所检测的气体的存在的警报。可由输出设备122(例如由听觉警报设备124和/或视觉警报设备126)呈现警报。在一个实施方案中，方法200还可包括定期地将所检测的气体的水平记录到存储器130，例如将日志存储到存储器130。

在一个实施方案中，可通过将控制器102、灯驱动器104、紫外灯106、检测器电极108、滤波器112、模数转换器116、输出设备122、微处理器128和/或存储器130机械地固定到电路板和/或封装来制造系统100。可在各部件之间提供合适的电线和连接。可将紫外灯106设置在电路板上和/或封装内，以便靠近检测器电极108并且使紫外光朝检测器电极108辐射。可将风扇和空气通道设置在封装内，以便在系统100在使用中时将环境气体朝检测器电极108和紫外灯106引导。可在与制造不同的时间时，例如在人类首次使用时，将电池132组装到系统100中。

在一个实施方案中，公开了光致电离检测器。光致电离检测器可包括：输出信号的检测器电极；紫外灯；灯驱动器，该灯驱动器通信地耦接到紫外灯并且被配置为响应于控制输入而接通和断开紫外灯；以及控制器，该控制器通信地耦接到检测器电极的输出信号和灯驱动器的控制输入，基于检测器电极的输出信号来输出气体检测的指示，并且以小于10％的接通占空比接通和断开灯驱动器。在一个实施方案中，控制器以小于2％的接通占空比接通和断开灯驱动器。在一个实施方案中，光致电离检测器还包括滤波器，该滤波器具有小于5毫秒(ms)的时间常数，其中该滤波器接收由检测器电极输出的信号且输出经滤波的检测器电极信号，其中该控制器经由滤波器通信地耦接到检测器电极的输出信号且基于由滤波器输出的经滤波的检测器电极信号来输出气体检测的指示。在一个实施方案中，光致电离检测器还包括模数转换器，该模数转换器输出数字的经滤波的检测器电极信号，其中该控制器经由模数转换器通信地耦接到经滤波的检测器电极信号且基于由模数转换器输出的数字的经滤波的检测器电极信号来输出气体检测的指示，并且其中该控制器接通和断开模数转换器以实现小于1％的接通占空比，并且其中该控制器在灯驱动器断开时接通模数转换器且在灯驱动器接着接通之前断开模数转换器。在一个实施方案中，控制器接通模数转换器小于15微秒(μs)。在一个实施方案中，滤波器包括电子放大器。

在一个实施方案中，用光致电离检测器(pid)检测气体存在的方法，包括由控制器定期地接通和断开紫外灯，其中接通占空比小于10％；在紫外灯断开时，对检测器电极的输出进行采样；由控制器分析检测器电极的输出的采样；以及由控制器基于检测器电极的输出的采样的分析来输出气体检测指示。在一个实施方案中，该方法还包括由具有小于50毫秒(ms)时间常数的滤波器对检测器电极的输出进行滤波，其中对检测器电极的经滤波输出进行采样并将其提供给控制器进行分析。在一个实施方案中，由控制器以小于1％的占空比来启用该采样。在一个实施方案中，该采样包括模数转换。在一个实施方案中，紫外灯的接通占空比小于2％。

在一个实施方案中，光致电离检测器包括：输出信号的检测器电极；紫外灯；灯驱动器，该灯驱动器通信地耦接到紫外灯且被配置为响应于控制输入而接通和断开紫外灯；滤波器，该滤波器接收由检测器电极输出的信号且输出经滤波的检测器电极信号，其中该滤波器具有小于50毫秒(ms)的时间常数；以及控制器，该控制器通信地耦接到由滤波器输出的经滤波检测器信号和灯驱动器的控制输入，基于由滤波器输出的经滤波的检测器电极信号来输出气体检测的指示，并且接通和断开灯驱动器。在一个实施方案中，滤波器具有小于5ms的时间常数。在一个实施方案中，控制器接通和断开灯驱动器以实现小于10％的接通占空比。在一个实施方案中，光致电离检测器还包括模数转换器，该模数转换器耦接到滤波器和控制器，将来自滤波器的经滤波的检测器电极信号转换为数字的经滤波的检测器电极信号，并且将数字的经滤波的检测器电极信号输出到控制器，其中该控制器基于由模数转换器输出的数字的经滤波的检测器电极信号来输出气体检测的指示，并且其中该控制器接通和断开模数转换器以实现小于1％的接通占空比，并且其中该控制器在灯驱动器断开时接通模数转换器且在灯驱动器接着接通之前断开模数转换器。

尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其他项可以通过一些接口、设备或中间部件间接耦合或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦合或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其他示例。