CN110418955A - 在无风扇粉尘传感器中利用上升气流 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的实施方案涉及在颗粒物传感器内提供气流的***和方法。颗粒物传感器可包括：风道；被构造成使光穿过风道的光源；连接到光源的延伸件，该延伸件被构造成用于耗散由光源产生的热能并且产生进入风道的气流的上升气流；位于风道中的光电探测器；以及耦接到光电探测器的计算设备。该计算设备具有处理器和用于存储指令的存储器，这些指令在由处理器执行时基于光电探测器的输出来确定风道中颗粒的质量浓度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求Kevin Cai等人提交于2017年1月3日的名称为“UTILIZING UPDRAFTFLOW TN A FAN-LESS DUST SENSOR”(在无风扇粉尘传感器中利用上升气流)的美国专利申请序列号15/397,527的优先权，该美国专利申请以引用方式并入本文，就如同将其全文复制在此一样。
关于联邦赞助
研究或开发的声明
不适用。
缩微平片附件的引用
不适用。
背景技术
颗粒物传感器或粉尘传感器可用于确定空气的质量，例如，用于确定输入到空气净化器中和/或从空气净化器中输出的空气的质量。在一些工业化区域中，环境空气中可含有高浓度的具有不同尺寸的颗粒物。如果此类颗粒物的浓度足够高，则可能对人体健康造成损害。消费者可能希望购买并安装用于住宅的空气净化器，以改善在家中所呼吸的空气的质量。可能期望此类消费级空气净化器价格适中和尺寸紧凑。
发明内容
在实施方案中，颗粒物传感器可包括：风道；光源；连接到光源的延伸件，该延伸件被构造成用于耗散由光源产生的热能并且被构造成用于产生进入风道的气流的上升气流；位于风道中的光电探测器；和耦接到光电探测器的计算设备，该计算设备具有处理器和用于存储指令的存储器，这些指令在由处理器执行时基于光电探测器的输出来确定风道中颗粒的质量浓度。
在实施方案中，一种确定环境内颗粒物浓度的方法可包括：允许环境空气进入颗粒物传感器；为颗粒物传感器内的光源供电；经由连接到光源的延伸件耗散来自光源的热量；经由上升到风道中的耗散热量，产生进入颗粒物传感器内风道的上升气流；引导光源穿过风道；由光电探测器检测被风道中的颗粒物散射的光；并且基于光电探测器的输出确定风道中颗粒的质量浓度。
在实施方案中，颗粒物传感器可包括：风道；激光二极管；连接到激光二极管的延伸件，该延伸件位于风道的入口附近并且被构造成用于产生进入风道的气流的上升气流；位于风道中的光电探测器；和连接到光电探测器的计算设备，该计算设备具有处理器和用于存储指令的存储器，这些指令在由处理器执行时基于光电探测器的输出来确定风道中颗粒的质量浓度。
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示出了根据本公开的实施方案的颗粒物传感器的示意图。
图2示出了根据本公开的实施方案的颗粒物传感器内的风道的示意图。
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***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以及其等同物的全部范围内进行修改。
以下简短术语定义应适用于整个申请文件：
术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，这类短语不一定是指相同的实施方案)；
如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；
术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且
如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。这种部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。
本公开的实施方案包括用于在颗粒物(或粉尘)传感器中提供气流的***和方法。典型的粉尘传感器可使用风扇在传感器内产生气流，从而提供良好的准确性、一致性和相当可接受的制造成本。然而，需要移除传感器内的风扇以消除由风扇产生的噪音并延长传感器的使用寿命。此外，从成本的角度来看，移除风扇部件可能降低物料清单(BOM)成本(约30％)。
提供无风扇粉尘传感器的挑战在于，小颗粒物检测***失去良好管理的空气引入机构(即，风扇)来提供穿过检测区域的恒定气流，因此对空气中的移动颗粒造成不良统计效果。
本发明的实施方案提供一种无风扇粉尘传感器，其包括基于热能的耗散在传感器内产生气流的方法。本发明所公开的实施方案可提供气流而不显著增加成本或影响传感器的性能。本公开提出一种使用热源在粉尘传感器内产生主动气流的新方法。热源附近的空气在加热后趋于上升，由于显著的温差而在有限的空间中形成上升气流(被称为对流)。利用这种主动流控制，空气中的颗粒可有序地进入检测区域，其中光束穿过检测区，并且由撞击光束的颗粒所引起的散射光信号可由光电探测器接收。由热源产生的通过检测区域的有序气流可确保在传感器中不使用风扇的情况下得到可接受的采样效果。
可使用的一种可能热量(或热能)来源是传感器中的光源。在一些传感器中，光源可包括激光模块(或激光二极管)。激光模块可包括附接到激光二极管的铜外壳的延伸金属片，该延伸件可被构造成用于耗散由激光二极管产生的热量。当激光二极管通电一定时间量后，延伸件的温度可升高至约45℃。金属延伸件也可用作额外的散热器以帮助冷却激光二极管。
传感器外壳可包括精心设计的风道或流体通道，以引导传感器内的气流。传感器外壳的一侧处的弯曲入口可允许环境空气进入传感器，而弯曲或角度则吸引较大的颗粒或粉尘。风道顶部处的弯曲出口可防止颗粒再次落回到激光束中。另外，风道的高度经过精心设计以确保大部分颗粒离开传感器外壳。另外，入口和出口中的弯曲或角度可防止来自光源的任何光逸出传感器的内部。风道可包括两个小孔，以便光束无任何阻碍地正交穿过风道。
板载微处理器可监控(延伸件的)热源温度和环境温度。已知风道的尺寸和材料时，可使用温差来确定风道内的气流速度。微处理器可依据温差和预设速度来计算当前气流速度，然后可基于一种或多种算法来计算气流中颗粒物的正确质量浓度。由于传感器内不需要风扇，因此可完全消除来自风扇的机械噪音。另外，通过移除风扇而移除故障点，从而改善传感器的寿命。
图1示出了包括激光二极管120的示例性颗粒物传感器100。激光二极管120可包括延伸件122，其中延伸件122可包括延伸的金属杆、板或附接到激光二极管120的外壳的其他导热元件。延伸件122可被构造成用于传导来自激光二极管120的热量，以将由激光二极管120产生的热能从激光二极管120耗散出去。延伸件122可包括导热材料，诸如热连接到激光二极管120的金属外壳的金属材料、导热聚合物等。
延伸件122可定位在传感器100的外壳102内的风道108的开口附近。开口附近的延伸件122的形状可为能够将热能从延伸件122热传递到空气的任何合适形状。在一些实施方案中，延伸件122可为杆或板或一系列杆或板的形状。在一些实施方案中，延伸件122可为在风道108的开口附近具有开放或闭合的通道流的翅片形式。虽然示出为位于风道108的开口处或附近，但取决于管道108的形状，延伸件122可位于通道内或甚至风道108的出口内，以提供类似的气流模式和体积流量。
风道108可被成形为适于引导外壳102内的气流130。外壳102可包括入口104和出口106。气流130可经由入口104进入外壳102。入口104可包括被构造成能够耐受湍流和阻挡较大颗粒的角度或弯曲。由延伸件122耗散的热能可加热空气并产生进入风道108的上升气流，其中气流130可朝向出口106被拉入风道108中。出口106可包括被构造成能够减小颗粒落回风道108而导致二次检测和读数出现误差的可能性的角度或弯曲。
风道108可在围绕光电探测器114的区域内(例如，在中心区域内)具有一致的形状。例如，风道108可在中心区域内具有恒定的横截面积。在一些实施方案中，可使用其他形状。例如，风道108可在中心区域附近变窄以增大气流速度。在一些实施方案中，风道108可在中心区域附近变宽以降低光电探测器114上方的速度，这可能有利于产生层流，具体取决于体积流量。
激光二极管120可产生穿过风道108的光束121。在一些实施方案中，可准直和/或聚焦光束121。需注意，本公开的实施方案不将激光器120限制为特定类型的激光器。另外，尽管示出一个激光器120，但本公开的实施方案可使用多于一个激光器。传感器100可包括光电探测器114，该光电探测器可位于风道108附近和/或与其相邻。光电探测器114是接收一个或多个光信号并且将光信号转换为电信号的设备。本公开的实施方案不将光电探测器114限制为特定类型的光电探测器。
气流130中的颗粒物也可称为“粉尘”，其可进入风道108。之后，粉尘可行进到激光器120的光束121的路径中。激光束122的光可散射和/或反射气流130中的粉尘。散射的光信号可由光电探测器114接收，并且光电探测器114可将散射的光信号转换为电信号。
在一些实施方案中，激光二极管120、延伸件122和/或光电探测器114可由计算设备(例如，微处理器)112来控制。在一些实施方案中，激光器120、光电探测器114和/或计算设备112可位于印刷电路板(PCB)110上。
计算设备112可执行指令(例如，被实现为软件和/或固件)，以控制激光器120、延伸件122和/或光电探测器108。另外，如本文所讨论，计算设备112可转换从光电探测器114接收到的电信号，以确定气流130中粉尘的质量浓度。计算设备112可产生所确定的质量浓度的显示。也就是说，在一些实施方案中，传感器100可包括被构造成用于显示所确定的粉尘质量浓度的显示器。
计算设备112可包括存储器111。存储器111可以是任何类型的存储介质，其可以由处理器113访问以执行本公开的各种示例。例如，存储器111可以是其上存储有计算机可读指令(例如，计算机程序指令)的非暂态计算机可读介质，处理器113可执行该指令以接收多个电信号。
存储器111可以是易失性或非易失性存储器。存储器111还可以是可移除(例如，便携式)存储器或不可移除(例如，内部)存储器。例如，存储器111可以是随机存取存储器(RAM)(例如，动态随机存取存储器(DRAM)和/或相变随机存取存储器(PCRAM))、只读存储器(ROM)(例如，电可擦可编程只读存储器(EEPROM)和/或光盘只读存储器(CD-ROM))、闪存存储器、激光光盘、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储装置、和/或磁介质诸如磁带盒、磁带或磁盘、以及其他类型的存储器。
另外，尽管存储器111被示为定位在计算设备112内，但本公开的实施方案不限于此。例如，存储器111还可定位在另一个计算资源的内部(例如，使得能够通过互联网或另一种有线或无线连接来下载计算机可读指令)。
如先前所讨论，计算设备112可从光电探测器114接收电信号。在一些实施方案中，计算设备112可在特定时间段内从光电探测器114接收多个第一电信号，该多个第一电信号与多个第一颗粒相关联，其中多个第一信号中的每者具有相应的幅度。模数转换器(ADC)可例如位于与光电探测器114相同的PCB 110上，并且可采样电子信号。
提供热源的延伸件122可使用导热材料诸如铜来制造以提供高热传导率。可相对于25℃和50％相对湿度的标准周边环境测量风道108内的气流。使用这些已知量，计算设备112可测量热源(延伸件122)与周边环境之间的温差以确定实时气流速率。
图2示出了风道108的透视图，其中来自激光二极管120的光束121穿过风道108中的开口118。开口118可被成形为允许激光穿过风道108，同时不允许大量气流和/或颗粒穿过开口118。风道108可包括圆柱形状。在其他实施方案中，风道108可包括矩形、卵形、椭圆形或其他三维形状。
在第一实施方案中，颗粒物传感器可包括：风道；光源；连接到光源的延伸件，该延伸件被构造成用于耗散由光源产生的热能并且被构造成用于产生进入风道的气流的上升气流；位于风道中的光电探测器；和耦接到光电探测器的计算设备，该计算设备具有处理器和用于存储指令的存储器，这些指令在由处理器执行时基于光电探测器的输出来确定风道中颗粒的质量浓度。
第二实施方案可包括第一实施方案的颗粒物传感器，其中光源为激光二极管。
第三实施方案可包括第一实施方案或第二实施方案的颗粒物传感器，其中延伸件的至少一部分位于风道的入口附近。
第四实施方案可包括第三实施方案的颗粒物传感器，其中光电探测器位于风道入口的下游。
第五实施方案可包括第一实施方案至第四实施方案中任一项的颗粒物传感器，其中光电探测器被构造成用于检测被风道中的气流中的颗粒物散射的光。
第六实施方案可包括第一实施方案至第五实施方案中任一项的颗粒物传感器，其中传感器为粉尘传感器。
第七实施方案可包括第一实施方案至第六实施方案中任一项的颗粒物传感器，其中计算设备基于延伸件的温度确定风道内的气流速率。
在第八实施方案中，一种确定环境内颗粒物浓度的方法可包括：允许环境空气进入颗粒物传感器；为颗粒物传感器内的光源供电；经由连接到光源的延伸件耗散来自光源的热量；经由上升到风道中的耗散热量，产生进入颗粒物传感器内风道的上升气流；引导光源穿过风道；由光电探测器检测被风道中的颗粒物散射的光；并且基于光电探测器的输出确定风道中颗粒的质量浓度。
第九实施方案可包括第八实施方案的方法，其中延伸件的至少一部分位于风道的入口附近。
第十实施方案可包括第九实施方案的方法，其中光电探测器位于风道入口的下游。
第十一实施方案可包括第八实施方案至第十实施方案中任一项的方法，其中光源包括激光二极管。
第十二实施方案可包括第八实施方案至第十一实施方案中任一项的方法，还包括经由计算设备控制颗粒物传感器的元件。
第十三实施方案可包括第八实施方案至第十二实施方案中任一项的方法，其中确定风道内颗粒的质量浓度由连接到光电探测器的计算设备完成。
第十四实施方案可包括第八实施方案至第十三实施方案中任一项的方法，还包括确定风道内的气流速率。
第十五实施方案可包括第八实施方案至第十四实施方案中任一项的方法，还包括基于延伸件温度与环境空气温度之间的温差来确定风道内的气流速率。
在第十六实施方案中，颗粒物传感器可包括：风道；激光二极管；连接到激光二极管的延伸件，该延伸件位于风道的入口附近并且被构造成用于产生进入风道的气流的上升气流；位于风道中的光电探测器；和连接到光电探测器的计算设备，该计算设备具有处理器和用于存储指令的存储器，这些指令在由处理器执行时基于光电探测器的输出来确定风道中颗粒的质量浓度。
第十七实施方案可包括第十六实施方案的颗粒物传感器，其中延伸件还被构造成用于耗散来自激光二极管的热能，从而产生气流的上升气流。
第十八实施方案可包括第十六实施方案或第十七实施方案的颗粒物传感器，其中光电探测器位于风道入口的下游。
第十九实施方案可包括第十六实施方案至第十八实施方案中任一项的颗粒物传感器，还包括：外壳；外壳的入口，其中入口包括成角度的气流通道；和外壳的出口，其中出口包括成角度的气流通道。
第二十实施方案可包括第十九实施方案的颗粒物传感器，其中成角度的气流通道被构造成用于阻止来自光源的光离开外壳。
第二十一实施方案可包括第一实施方案至第二十实施方案中任一项的颗粒物传感器和/或方法，其中传感器内(即传感器的风道内)的气流在不使用风扇的情况下产生。
尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求书限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。
另外，本文所使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求书中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明以及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。
应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。
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***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***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、***、子***和方法与其他***、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。
Claims (15)
1.一种颗粒物传感器(100)，包括：
风道(108)；
光源(120)；
延伸件(122)，所述延伸件连接到所述光源(120)，所述延伸件被构造成用于耗散由所述光源(120)产生的热能并且被构造成用于产生进入所述风道(108)的气流的上升气流；
光电探测器(114)，所述光电探测器位于所述风道(108)中；和
计算设备(112)，所述计算设备耦接到所述光电探测器(114)，所述计算设备具有处理器(113)和用于存储指令的存储器(111)，所述指令在由所述处理器(113)执行时基于所述光电探测器(114)的输出来确定所述风道(108)中颗粒的质量浓度。
2.根据权利要求1所述的颗粒物传感器(100)，其中所述光源(120)为激光二极管。
3.根据权利要求1所述的颗粒物传感器(100)，其中所述延伸件(122)的至少一部分位于所述风道(108)的入口附近。
4.根据权利要求3所述的颗粒物传感器(100)，其中所述光电探测器(114)位于所述风道(108)的所述入口的下游。
5.根据权利要求1所述的颗粒物传感器(100)，其中所述光电探测器(114)被构造成用于检测被所述风道(108)中的所述气流中的颗粒物散射的光。
6.根据权利要求1所述的颗粒物传感器(100)，其中所述传感器(100)为粉尘传感器。
7.根据权利要求1所述的颗粒物传感器(100)，其中所述计算设备(112)基于所述风道(108)内确定的气流速率来控制所述延伸件(122)的所述温度。
8.一种用于确定环境内颗粒物的浓度的方法，所述方法包括：
允许环境空气进入颗粒物传感器；
为所述颗粒物传感器内的光源供电；
经由连接到所述光源的延伸件耗散来自所述光源的热量；
经由上升到所述风道中的所述耗散热量，产生进入所述颗粒物传感器内风道的上升气流；
引导所述光源穿过所述风道；
由所述光电探测器检测被所述风道中的颗粒物散射的光；并且
基于所述光电探测器的输出确定所述风道中的颗粒的质量浓度。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述延伸件的至少一部分定位在所述风道的入口附近。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述光电探测器定位在所述风道的所述入口的下游。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述光源包括激光二极管。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括经由计算设备控制所述颗粒物传感器的所述元件。
13.根据权利要求8所述的方法，其中确定所述风道内所述颗粒的质量浓度由连接到所述光电探测器的计算设备完成。
14.根据权利要求8所述的方法，还包括确定所述风道内的所述气流速率。
15.根据权利要求8所述的方法，还包括调节从所述延伸件耗散的所述温度以控制所述风道内的气流速率。
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