專利名稱：帶有涂層反射器的光電探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電煙霧探測器領域。更具體地說，本發明涉及包括用于改善性能的反射器的探測器。
本發明是1995年5月10日提出的題為“帶有反射器的光電探測器”的序號為08/438382的美國專利申請的繼續部分。
在檢測某些形式的火焰方面，已知有一些光電煙霧探測器，并且它們正在檢測中使用。已知的探測器將一個具有一個內腔的殼體與一個輻射能源組合起來。該輻射能源，例如，可以為一個發光二極管。
該輻射能源將輻射能量，以一束或射線的形式投射至該內腔中。如眾所周知那樣，當在該內腔中有煙霧時，由該輻射能源發出的一個或多個光子將會偏轉或散射開來。
在通常的光電探測器中，一部分散射的輻射能量入射在一個光電探測器上(例如，放置在該腔中的一個光電二極管)。散射的輻射能量的多少表示在該腔中煙霧的多少。因此，該傳感器或光電二極管的輸出可顯示火焰的情況。
在沒有煙霧時，光電探測器發射一定水平的背景噪聲，該噪聲是由腔中的懸浮空氣塵埃等產生的。這些懸浮在空氣中的顆粒會產生偏轉，甚至在沒有煙霧的情況下，這些顆粒也可碰到光電探測器。這種噪聲可構成虛假警報。
因此，已知的光電探測器可以得到改善的領域之一是在輸出信號的信噪比方面。通常，輸出信號必需經過放大，達到足夠高的電平，以便能被后續的處理回路所利用，因此，信噪比越高，真實的信號就越能辨識出來。
因此，對能改善光電探測器信噪比，最好又不顯著增加其成本的結構有持續的需要。最好，利用不需要電能的無源元件來達到信噪比的改善。
一種光電煙霧檢測器，它具有一個形成一個內容積，并可使周圍煙霧進入的腔。放置了一個輻射能源或光源(例如，一個發光二極管或一個激光二極管)，它可將輻射能引導至該腔中。在該腔中，還設有一個反射器。
該反射器可以作成圓錐形(至少部分地作成圓錐形)，以便將散射的入射輻射能，通過一次或多次反射，引導至一個相應的光電傳感器上。例如，該反射器可以作成帶有一個圓錐形或圓筒形的體，在該體的一端作有一個孔。該孔可以由該反射器體與一個幾何形狀(例如，一個平面)相交形成。
該反射器可以作成第一個內部反射區域。這個區域可以作成是有一個鉻的電氣沉積層的區域。鉻耐腐蝕并且較便宜。
在波長為780～830納米范圍內，鉻是優良的反射器。當使用發射波長為780納米的光的激光二極管時，鉻是特別有利的。
殼體的一部可以為圓錐形(至少部分為圓錐形)，并由反光金屬或涂敷金屬的塑料制成。在圓錐形反光區的小直徑端可以放置一個傳感器。由入射在圓錐形或作成錐度的反光區域上的煙霧顆粒散射出來的光，通過一次或多次反射，被引導至該光電傳感器上。
使用上述的反射器，可以大大增加送至傳感器上的信號電平，產生增大的信噪比。除了可以大大地改善信噪比之外，在與光電探測器所連接的輸出放大器上，可以使用較低的增益。
為了在輻射能量散射行進的同一方向上，至少部分地引導偏轉和散射的光，可以設置一個多元件的反射器。這種反射器可以與一個輻射能源和一個傳感器組合起來，以形成一個集成的固體電路模塊。
這樣，通過在寬廣的角度范圍(例如180°或360°)上，捕捉散射的光子，使用反射器聚集散射的煙霧光線可增加碰到光電二極管或傳感器的光子數目。然后通過多次反射，將捕捉到的光子聚集在傳感器或光電二極管上。
本發明的這些和其他一些方面和屬性，將參照附圖和附帶的說明書進行討論。附圖中
圖1為表示探測器的側視圖，部分為截面圖；圖2為光電探測器的另一個實施例的示意性框圖；圖3A和3B為散射輻射能收集器的詳細結構；圖4A至4D表示與圖2的光電探測器一起使用的另一個收集器的幾何形狀；圖5為根據另一個實施例的光電探測器的一部分的俯視圖；圖6為沿圖5的6-6平面所取的截面圖；圖7為輻射能的一個涂層的、耐腐蝕的反射器的放大的透視圖。
雖然本發明可以有許多不同的實現形式，而附圖中表示了一些特定的實例，并進行了詳細的說明，應當理解，本說明只能被認為是對要發明原理的一種示例而不是要將本發明局限在所示的特定的實施例上。
圖1表示根據本發明的光電探測器10。該探測器10包括一個殼體12，該殼體可以是圓筒形的，但不一定必需是圓筒形的。該殼體12具有一個第一末端，即輻射能輸入端12a和一個第二末端，即有錐度的或圓錐形的輻射能收集端12b。
輻射能源(它可以是激光)產生的輻射能可通過輻射能輸入口14射入該殼體12中。還應當理解，激光二極管(例如)可以放置在輸入口14上。另一種方案是，如剖視圖中所示，輻射能源14a可以放置在殼體12內。
殼體12形成一個內部容積16。殼體12的壁穿有孔，并具有許多開口或孔20a、20b…20n。該許多孔20為帶有煙霧的周圍空氣提供了進入容積16中的入口和出口。
光收集器22放置在容積16內，并且如圖1所示，其方向在輻射能的射束26預計要沿之行進的軸線上。該光收集器22包含一個內部光吸收區，它一般用24表示。該光收集器22用于吸收所有通過口14或通過放置在內部的輻射能源14a進入的，在區域16中容納的不散射的輻射能26。
內表面12c和12d是反光的。殼體12可由反光金屬或塑料制成，而區域12c和12d上涂敷有反光材料。壁12f具有一個不反光的，平的黑色表面。該光收集器22的外表面22a也是反光的。
一個光電傳感器29(它可帶有或不帶有透鏡)放在圓錐形區域12b的末端，可收集反射的和散射的光線或光子。傳感器29的電氣輸出表示存在著入射的散射光或光子。
區域16中空氣所攜帶的煙霧顆粒造成向前的散射，如散射射線32a，32b，32c所示。散射的射線或光子從表面12c和12d上反射出來，并被引導至光電傳感器29。在光電傳感器29上，散射的射線被收集起來。探測器10的特別有利之處是，它可在輻射能束26周圍的整個360°區域上，收集散射的射線或光子。假如散射角度太大，則偏轉的光子或射線從多個孔的一個孔中逸出(例如孔20a)，并損失掉。
可能出現向后散射。向后散射的光子可以入射在壁12f上，并被吸收或從表面12c和12d上反射出來，并最后被收集在傳感器29上。表面12f還可吸收任何從光收集器22的中心內部區域24反射出來的不需要的光。
總之，煙霧通過空氣開口或孔20a…20n，進入探測器10的內部容積16中。從一個外部或一個內部輻射能源(例如激光、激光二極管或發光二極管)發出的輻射能沿所有方向散射。
向前散射的輻射能，向著傳感器29，從表面12c和12d上反射出來，并在該傳感器上進行檢測。從光收集器22逸出的任何光或輻射能被不反光的后表面12f吸收。
圖2表示根據本發明的光電探測器的另一個實施例30。探測器30帶有一個殼體32，該殼體可利用不反光的塑料制成。殼體32上作有許多煙霧進氣孔34(例如孔34a，34b，34c和34d)。包圍殼體32的周圍大氣中的煙霧可以進入殼體32內的內腔36中。
殼體32也帶有一個輻射能源38，它可以是一個發光二極管，激光二極管或任何其他輻射能源。該輻射能源38產生一個輻射能束40，該輻射能束，以預先決定的方式，橫穿區域36的一部分投射出去。
因為輻射能束穿過區域36，因此，區域36中的光子與進入腔36，造成散射(如眾所周知那樣)的煙霧或燃燒生成物的顆粒相交，并從這些顆粒上反射出來。有代表性的散射射線42a、42b和42c被區域36中的煙霧顆粒，在所示的方向上散射開來。
在靠近輻射能束40處，放置一個散射光或散射光子收集器44(圖示為部分剖開的)。該收集器44可以由(例如)反光金屬或涂敷金屬的塑料制成。收集器44作有一個空心的、圓錐體部分46a，該部分具有一個內部的散射光接收區48。第二個有錐度的圓錐形區域46b與該圓錐體部分46a連接，并形成一個供入射的散射光用的孔48a。該孔48a的位置靠近輻射能束40，其方向作成可使散射的射線或光子42a，42b從一個內部反光表面50上反射出來，并被引導至光電傳感器或光電探測器52上。
從圖2中可看出，雖然收集器44可以收集一部分散射的射線或光子42a，42b，但它不能收集全部這種散射的光子(例如，散射射線或光子42c)。為了增加收集光子的數目，可以在輻射能束40的周圍，使用第二或第三個收集器44，以便收集更大量的散射光子。
雖然單獨使用時，收集器44不能收集所有的散射光子，但它可收集在180°范圍內散射的許多光子。由于將所收集的散射光子引導至傳感器52上的結果，從探測器52發出的信號輸出，將比只使用探測器52本身，而沒有收集器(例如收集器44)的結構的信噪比更高。
應當理解，為了給輻射能源38供給能量和檢測從傳感器52發出的信號，可以將探測器10及探測器30與通常形式的控制電子裝置一起使用。探測器10，30可以作為獨立使用的裝置使用，其中，控制電子裝置包括當以任何已知方式檢測出報警條件時，用于驅動一個音響輸出裝置(例如壓電喇叭)或一個可看得見的報警裝置(例如頻閃燈光)的電路。
探測器10，30還可以用在多個探測器式的火災報警系統中，該系統具有一個中心控制裝置或控制板，多個探測器(例如探測器10，30)可以與該控制板連接。在這種情況下，該控制電子裝置可與一個局部地址和接口電路連接，使得相應的探測器可以通過射頻(RF)或紅外線傳輸，或電纜，以雙向方式連通。
應當理解，這種連通的具體方式并不是對本發明的限制。已經轉讓給本申請的受讓人的Tice等人的美國專利4916432號公布了一種有代表性的通訊系統。這里引入Tice等人的專利的說明書和圖供參考。
圖3A和3B進一步表示收集器44結構的一些詳細情況，其中，圖3B中輸出信號＝36nA。收集器44的體部分46a作成帶有一個第一個有錐度的外表面54和一個相應的有錐度的內部反光表面。第二個有錐度的外表面56與體部分46b連接。該體部分46b也具有一個有錐度的內部反光表面。例如，表面54和56可以是圓錐形的，并在邊界線或平面58處相交。
孔48a是由一個平面與一個或二個圓錐形部分54，56相交形成的。末端孔部分48b可以為半圓形，其半徑為0.05英寸。探測器44可以具有(例如)一個拋光的黃銅內表面。應當理解，可以使用許多不同的幾何形狀來制造光子收集器，而不會偏離本發明的精神和范圍。
圖4A～4D表示體現本發明的另一個收集器的許多幾何形狀的截面圖，其中，圖4A中，有光澤的黑色內表面一信號＝6.5nA，拋光的黑色內表面一信號＝10nA；圖4B中輸出信號＝19.5nA；圖4C中輸出信號＝22nA。例如，圖4A表示一個管狀或圓筒形零件70，其孔是由零件70與平面相交形成的，從而形成該具有一個平面或邊界表面72的孔。零件70具有一個圓筒形的內部反光表面70a，將散射的光引導至傳感器52。該零件可以是切成一定角度的一個圓筒形黃銅管。
圖4B至4D表示另外一些收集器，其中，例如，對于圖4B，一個具有第一個圓錐形橫截面的體74與具有第二個圓錐形橫截面的體76相交。然后，用一個幾何元件(例如一個平面)將一個或二個圓錐形橫截面切去一部分，從而形成一個孔(例如，由表面78形成的孔)。末端孔部分78a可以為半圓形，其半徑為0.03英寸。
另一種方案是，可以作成諸如圖4D的收集器80那樣的收集器，它由一個圓柱形的空心體部分82與一個空心的圓錐形部分84相交構成。體部分82，84的一部分與一個平面相交，形成一個孔，從而形成一個以該孔為邊界的平面形上表面86。應當理解，圖4A至4D的收集器的所有功能與先前所述的收集器44相同。
圖5表示散射光子反射器的又一種形式。在圖5中，光電探測器90帶有一個殼體92。殼體92帶有一個散射光反射器結構，一般用94表示。結構94可采用固體電路制造技術制造。
結構94包括一個不透明的基片94a，在基片上形成一個基本上為長方形的孔94b。基片94a上裝有一個輻射能源和一個散射的反射輻射能傳感器。該輻射能源可以為一個發光二極管(例如二極管96)；該傳感器可以為光電二極管98。輻射能源96和傳感器98都可利用通常的固體電路處理技術沉積在該基片上。
在偏離該輻射能源96和傳感器98的地方，有一個彎曲的沉積反光層100。該反光層100由光學透明材料(例如，環氧樹脂)的102的一個彎曲部分支承。該透明材料還充滿作在基片94a上的孔94b。
透明材料的一個彎曲的圓周表面102a上裝著該沉積的反光層100。表面102a和反光層100可以作成技術熟練的人們可以理解的那種有選擇的部分拋物線或部分橢圓形的形式。隔膜106放置在充滿透明材料102的區域中。該隔膜106由不透光的材料制成，并用不透明的水泥106a固定。隔膜106從光學上將包含輻射能源96的材料102的區域與包含傳感器98的材料102的區域隔離開來。
整體結構94放置在殼體92中。電能可以提供給輻射能源96，而光電二極管98發出的信號可以利用通常形式的沉積導體檢測出來。
在工作中，輻射源96可以通電，并發出光射線(例如射線96a，96b)。發出的射線再從反光層100反射出來，并通過透明材料102。這些發出的射線從孔94b的上表面出來，在孔94b中，當該射線進入殼體92內部的周圍大氣中時，它們被彎折。反射回來的彎折射線聚集在焦點96c上。
在焦點96c附近的煙霧顆粒會產生散射光(例如，散射射線96d和96e)。散射的射線96d，96e在孔94b處，再次進入透明材料，并再次從反光層100反射出來，并被引導至光電二極管98上。光電二極管98收集這些散射的射線，并將它們檢測出來。
應當理解，在基片94a上可以形成各種各樣不同的幾何形狀，而不會偏離本發明的精神和范圍。特別是，反光層100可以作成各種各樣的形狀，同時仍可得到收集散射光和將散射光反射至傳感器(例如傳感器98)上的同樣的結果。
圖7表示與探測器30一起使用的反射器110的另一種形式。該反射器110包括一個圓筒形的空心體112，該空心體112有一個基本上是圓筒形的內部區域114。該圓筒形空心體112被第一和第二平面切去一部分，從而形成邊緣116a，b和118a，b。
由邊緣116a，b和118a，b形成的孔為從輻射能束40散射出來的，探測器容積中的光提供了一個接收區。與圖2和圖3b所示的光電二極管52的位置比較，象光電二極管52一樣的一個光電探測器可以放置在殼體112的基座上。
反射器110(例如)可以由不反光的塑料模制而成。在這種情況下，內表面114可以涂敷一層光亮的鉻的反光鍍層。技術熟練的人們知道，鉻可以沉積在一個或多個基本層上。鉻涂層的厚度可以為0.25微米數量級。
鉻特別適合于作為反光收集器(例如收集器110)的反光涂層，因為在紅外線波長為780～830納米范圍內，鉻的反光系數可達0.64。輻射能源38(例如)可以包括一個激光二極管，該二極管可產生780納米的輸出波長。
圖7中114a表示的上述反光涂層，因能耐受空氣中懸浮的污染物(例如SO2和H2S)的腐蝕，因此特別有利。鉻反光涂層114a預期要通過的一個耐腐蝕性測試為UL標準#268。雖然可以使用其他的耐腐蝕涂層(例如，黃金)，但鉻鍍層價格較低，并且其紅外反射率很好。
應當理解，上述的鍍鉻形式的反光涂層可以用在圖3a，3b、4a～4d的任何一種反光收集器中，而不會偏離本發明的精神和范圍。
從以上說明可看出，可以進行許多改變和改進，而不會偏離本發明的精神和范圍。還應當理解，對于這里所示的具體裝置也不應有或推論出任何限制。當然，希望所附的權利要求書能覆蓋所有在權利要求書范圍內的改進。
權利要求
1.一種光電式煙霧探測器，它包括一個殼體，它確定了一個用于接收周圍煙霧顆粒的內部區域；一個輻射能源，用于在所述殼體內引導輻射能量；一個輻射能收集器，它放在所述殼體內，其中，所述收集器包括一個基本上為圓筒形的鍍有耐腐蝕的涂層的反光表面，該表面圍繞一個圓形的橫截面連續延伸；和一個輻射能傳感器，其中，所述收集器取向成可以將煙霧顆粒散射出的至少一些輻射能反射至所述傳感器上。
2.如權利要求1所述的探測器，其特征為，所述反光表面包括一個鉻層。
3.如權利要求2所述的探測器，其特征為，所述輻射能源裝在所述區域內。
4.如權利要求2所述的探測器，其特征為，所述收集器包括第一和第二末端，并且其特征還在于，所述第一末端形成一個孔，用于接收散射的輻射能量。
5.如權利要求2所述的探測器，其特征為，所述收集器為細長形，基本上為圓筒形，并形成至少一個細長的孔，用于接收散射的輻射能量。
6.如權利要求2所述的探測器，其特征為，該殼體由至少一個圓錐形的部分構成。
7.如權利要求2所述的探測器，其特征為，所述的輻射能束的波長大約為780納米。
8.如權利要求1所述的探測器，其特征為，所述輻射能束的波長大約為780納米。
9.如權利要求8所述的探測器，其特征為，所述輻射能源裝在所述區域內。
10.如權利要求8所述的探測器，其特征為，所述收集器包括第一和第二末端，并且其特征還在于，所述第一末端形成一個孔，用于接收散射的輻射能量。
11.如權利要求8所述的探測器，其特征為，所述收集器為細長形，基本上為圓筒形，并形成至少一個細長的孔，用于接收散射的輻射能量。
12.一種使用如權利要求1所述的煙霧探測器來收集散射的輻射能的方法，它包括下列步驟形成一個散射的容積；至少部分地，沿第一個方向將輻射能導入該容積中；使煙霧進入該容積中；隨著煙霧的出現，散射一部分輻射能；通過一個耐腐蝕的收集器，將一部分散射的輻射能，沿著一定的方向，向著檢測區域反射，該方向至少部分地是沿著上述的第一個方向延伸的；和檢測沿著收集器反射的至少一些輻射能量。
全文摘要
一種耐腐蝕的光電煙霧探測器,它包括一個帶有許多煙霧進出口的殼體。該殼體形成一內部煙霧接收區域。該殼體帶有一個輻射能源,它可產生橫穿該區域投射的一束輻射能。沿著該輻射能束的軸線,放置著一個輻射能收集器。該收集器與一輻射能傳感器連接。被上述內部區域中的煙霧散射的輻射能部分地入射至收集器。該收集器通過多次反射,將入射的散射輻射能引導至傳感器上。該收集器帶有一個耐腐蝕涂層,或由耐腐蝕的反光材料制成。
文檔編號G01N21/47GK1191361SQ9810009
公開日1998年8月26日 申請日期1998年2月4日 優先權日1997年2月4日
發明者伯納德·Y·C·索, 馬克·博安農, 愛德華·道斯柯達斯 申請人:彼特威公司