专利名称：颗粒检测装置及用于该颗粒检测装置的颗粒检测方法
技术领域：
本发明涉及用于检测悬浮在空气中的灰尘、花粉、烟尘等微粒的颗粒检测装置以及用于该颗粒检测装置的检测方法。
背景技术：
近年来随着花粉症及其它过敏性患者的增多，对室内环境的关注度也在不断提高。因此，要求空气净化器或空调等产品能够高灵敏度地探测使用这些产品的环境中所存在的灰尘、花粉、香烟的烟尘等微粒。
在许多建筑物中安装了空调设备以将室内环境保持在一定水平以上。为了维持规定的室内环境，对于这样的设备，制定了将悬浮粉尘量维持在一定标准以下的法令等规章制度。另一方面，近年来，从节省能源的角度出发，希望能够有效运行空调设备。因此，强烈需求能够高精度地测量悬浮粉尘量的测量手段。
以往已知有用于探测悬浮在室内的灰尘、花粉、烟尘等微粒的各种传感装置以及探测方法。
作为一个示例，已知有这样的装置，该装置具有吸入功能，从而从外部吸入想要测定的气体，然后从内部的LED向要测定的气体照射光，并通过检测因悬浮在该空间的颗粒而引起的散射光来判断颗粒的有无(专利文献1日本专利申请公开公报特开2000-356583号)。
另外还已知有不测定散射光，而是根据透过光的偏振态变化来检测颗粒的装置(专利文献2日本专利申请公开公报特开2001-83079号)。根据该装置，为了分开检测灰尘和烟尘而将光照射为脉冲状。由于烟尘是非常细小的颗粒(颗粒直径0.01微米～几微米)，因此在空气中滞留的时间长。而灰尘和花粉颗粒形状大并且较重，因而，虽然在空气中漂浮，但下落速度快。因此，如果以脉冲状来照射光，则当有烟尘进入时，传感器的输出变化缓慢，而当有灰尘进入时，与有烟尘进入发时候相比，传感器的输出就会急剧变化，由此可识别灰尘和烟尘。总之是根据时间的变化信息来识别灰尘和烟尘。
另外，在用于探测花粉的传感器装置中，还已知有为了识别花粉和其它的微粒而使用激光的装置(专利文献3日本专利申请公开公报特开2004-125602号)。该装置使用激光和两个光检测器。首先向要测定的气体照射激光，对于所照射的激光检测偏振光的垂直分量和水平分量二者的散射光，并根据其输出来识别是花粉还是其它。根据散射光的不同偏振态来识别花粉和其它微粒。
以往，还有能够以一定的灵敏度检测特定尺寸的微粒的已实用化的装置。但其性能不够理想，从而希望对此作进一步的改进。
例如，已有的微粒传感器在检测中使用光敏二极管或光敏晶体管，并利用因灰尘、花粉、烟尘等微粒而发生的光的散射或被遮挡的效果来检测所述微粒的有无。在所述装置中，传感器的输出值仅依赖于微粒的大小以及该微粒的反射率(在散射的情况下)。因此，在20微米～50微米的微粒中很难区分灰尘和花粉。虽有上述利用偏振光的方法，但即使使用该方法也不够理想。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种与以往的装置和方法相比构成非常简单，并能够高灵敏度地探测灰尘、花粉、烟尘的微粒检测装置以及用于该微粒检测装置的检测方法。另外，本发明的另一目的在于，提供一种可通过分析检测出的数据来分别单独输出灰尘、花粉、烟尘的悬浮量的装置和方法。
在本发明的颗粒检测装置中，特别地将图像传感器用作用于检测光的单元。典型的图像传感器为CMOS图像传感器，但也可以使用CCD图像传感器等。在本发明中，通过使用将光检测元件配置成二维或一维的图像传感器，能够高灵敏度地观测微粒。
在本发明中，通过利用颗粒的性质来有效识别颗粒。各种颗粒的性质如下所述。
(a)烟尘颗粒大小在微米级以下，并在气体中均匀分布；(b)花粉大小在20微米～50微米，较重，可被单个吸入；(c)灰尘大小在100微米以下，较轻，可被单个吸入。
因此，本发明的装置具有能够使作为测定对象的空气产生气流的单元。气流沿着与重力方向相反的方向(例如朝上)或者顺着重力方向(例如朝下)而产生。
颗粒的识别按下述的规则进行。
(A)烟尘颗粒的识别烟尘颗粒比较小，若烟尘被吸入装置中，将在空间中均匀扩散。因此，在使用图像传感器的测定中，当吸入空气时，作为摄影对象的整个范围内的图像信息会发生变化。并且，可在图像传感器的输出中检测到空间标准偏差比灰尘、花粉的场合小很多。在该过程中，将被判断为不是烟尘的微粒判断为灰尘或花粉。
(B)灰尘和花粉的识别(B-1)以某一阈值对图像传感器的输出进行二值化，求出散射或遮挡的颗粒。当其大小在20微米以下或50微米以上时，判断为灰尘。
(B-2)当判断出微粒大小在20微米以上且50微米以下时，计算悬浮颗粒的移动速度，并在该移动速度在某一固定值以上时，判断为灰尘，除此之外判断为花粉。当气流不是上升气流，微粒从上向下流动时，将移动速度快的微粒判断为花粉，将慢的微粒判断为灰尘。通过将从图像传感器得到的输出在时间轴上进行映射(相关)来计算悬浮颗粒的移动速度。
即，根据本发明，提供一种颗粒检测装置，其具有光源和检测从该光源发出的光的光检测器，并检测位于光的通过位置的空气中所悬浮的颗粒，其特征在于，具有气流产生控制装置，该气流产生控制装置能够将位于光的通过位置的空气气流控制为固定或基本为零，在光检测器中使用图像传感器，从而根据通过图像传感器而确定的图像信息来识别规定的颗粒，该图像信息中包含移动物的移动速度和尺寸形状。
可将光源和图像传感器配置成图像传感器直接接收从光源发出的光，并使由气流产生控制装置产生的气流的流动与光交差地流动。在其它的情况下，光源和图像传感器可以隔着由气流产生控制装置产生的气流并朝着倾斜方向而配置，或者也可以朝着倾斜方向而配置在气流的同一侧，图像传感器接收由从光源发出的光在气流内产生的散射光或反射光。可以根据空气的气流固定时的移动物的移动速度来确定移动物的重量。典型地，光源可以由半导体发光元件构成。
另外，根据本发明，提供一种颗粒检测方法，其特征在于包括在有颗粒悬浮的空气中产生气流的步骤；向气流的产生位置照射光的步骤；检测通过气流的光，或者因气流内的颗粒而散射的光的步骤；以及根据通过检测的光而确认的图像信息来识别规定的颗粒的步骤，该图像信息中包含移动物的移动速度和尺寸形状。
另外，该方法还可以包括根据空气的气流固定时的移动物的移动速度来确定移动物的相对重量的步骤。典型地，照射光是由半导体发光元件提供的具有较强方向性的光。另外，如果作为测定对象的颗粒的尺寸、浓度满足规定的条件，则也可以利用自然状态下的颗粒的扩散，而不是主动产生气流。
发明效果根据本发明，可实现结构比较简单，并能够以高灵敏度探测灰尘、花粉、烟尘颗粒的微粒检测装置及方法。特别是，根据本发明的装置和方法能够分别输出悬浮于空气中的灰尘、花粉、烟尘颗粒的量，因此，可将所述输出有效地利用于空调设备等其它装置的控制中，或者作为分析环境的参数来使用。
图1是示出作为本发明第一实施方式的颗粒检测装置的结构的概要图；图2是示出发光元件的动作定时和图像传感器的曝光的动作定时的时序图；图3的(a)和(b)是将颗粒图像的二值化图式化了的图像信息的示意图；图4的(a)和(b)是二值化的图像信号的时间变化示意图；图5的(a)和(b)是光检测器的变形例的示意图，分别示出了在不同时间中的颗粒检测，在各个图中，在左侧示出了光检测器和颗粒的位置关系，在右侧示出了输出值；图6是示出作为本发明第二实施方式的颗粒检测装置的结构的概要图。
具体实施例方式
下面参考附图来详细说明作为本发明优选实施方式的颗粒检测装置和颗粒检测方法。
图1是示出作为本发明第一实施方式的颗粒检测装置的结构的概要图。装置10具有被墙壁11包围的房间12，并具有用于将外部空气吸入房间12内的吸入口13以及用于排气的排出口14。为了吸入空气并如后所述那样在颗粒检测位置产生气流，在吸入口13的内侧设有气流产生控制装置15。另外，即使气流产生控制装置15处于没有打开的状态，空气也能够在吸入口13和排出口14之间通过。
作为气流产生控制装置15，典型的有小型风扇，但特别是在使气流朝着与重力方向相反的方向、即上升方向产生时，可以使用利用加热器等的空气加热装置。从吸入口13进入房间12内的空气通过房间12并导向排出口14。虽然图中没有示出，但也可以在吸入口13和排出口14之间设置例如筒状的气流导引单元。另外，也可以在气流产生控制装置15的前段安装过滤器，以使比要检测的微粒大的颗粒不被吸入。
装置10还包括用于检测颗粒的单元。该单元包括光源20和检测装置30。在本实施方式中，光源20和检测装置30沿着在水平方向而并列配置。由此，从光源20发出的光直接被检测装置30接收，由气流产生控制装置15产生的气流通过光源20和检测装置30之间。
光源20由发光元件21和透镜等的光学系统22构成。发光元件21通常可由发出相干光的激光二极管或发光二极管等半导体发光元件构成。虽然在不考虑灵敏度水平等的情况下也可以使用其它的发光元件，但从装置的设计方面来看，希望所发出的光具有一定程度的方向性。
检测装置30由光检测器31和透镜等的光学系统32构成。光检测器31使用CMOS图像传感器或CCD图像传感器等图像传感器。光检测器31被构成为向外部的分析装置40输出检测信号的结构。
从发光元件21照射的光在通过光学系统22后向作为测定对象的气体照射。在一个示例中，从发光元件21照射的光通过光学系统22而变成大致平行的光。在测定区域透过气体的光在检测装置30内被光学系统32聚光，并被图像传感器31检测为图像。图像传感器31将该图像的信号输出给分析装置40。
光学系统22中的透镜的焦点距离等光学尺寸由发光元件21所发出的光的辐射角度和要测定的微粒的直径尺寸来决定。具体来说，需要选择可使光束直径数倍于要测微粒的大小的透镜的焦点距离。例如，当测定100微米左右的微粒时，为了保证系统整体的灵敏度，需要照射直径可达数百微米以上的光。但是，若向宽广部分照射光，则要检测的透过光的能量就会下降，从而会降低信噪比，因此需要进行优化。
图2是示出发光元件的动作定时和图像传感器的曝光的动作定时的时序图。为达到降低功耗的目的，在激光二极管等发光元件21中产生脉冲状的光而不是连续(CW)光。脉冲光的周期T和照射时间ΔT根据要测定的微粒的移动速度来选择适当的值。如果周期T过长，就会发生无法检测到微粒本身、或者所拍摄的图像模糊不清等的问题。如果周期T过短，则照射时间ΔT也会缩短，从而会发生信噪比恶化的问题。
图1的图像传感器31的曝光时间和发光元件21的时间相同。考虑系统整体的信噪比来优化所述时间。图像传感器的像素数主要依赖于要测定的微粒的大小。当要测定的微粒尺寸为1微米～10微米时，像素数为1万像素左右。
下面说明检测烟尘颗粒、灰尘、花粉的规则。该方法不限于本实施方式，也适用于后述的第二和第三实施方式中。
这里，通过图像传感器，将x轴(第i行)、y轴(第j列)的输出设为V(i，j)。根据透镜焦点距离的构成的不同，图像传感器的每个像素的输出有时也不同。因此需要在开始时进行校正，以将所有像素中的偏移、灵敏度调整在固定的范围中。所述调整可通过硬件方式、软件方式中的任一方式来进行。在之后的描述中，V(i，j)是进行所述调整后的输出值。
考虑不存在烟尘颗粒、灰尘、花粉等障碍物的情况。此时，透过的光没有散射，而是直接被图像传感器检测，因此，其输出V_non(i，j)的像素全体的离散σ_non非常小。
当吸入了烟尘颗粒、灰尘、花粉等某种微粒时，光会因这些颗粒而散射，从而透过的光量减少。由此可进行微粒的检测。根据检测装置内部的LD的稳定性、在图像传感器中发生的散粒噪声、在放大电路中发生的噪声和热噪声等来设定固定值V_noise，当超过该值时判断为有信号输入。微粒的吸入是通过产生气流来进行的，但也可以利用不产生气流的状态下的颗粒的自然扩散作用或自然吸引作用。
当判断为有信号输入时，按照以下步骤来识别烟尘颗粒、灰尘、花粉。
1.当判断出在所有像素中均有信号输入时，判断为这是由烟尘颗粒引起的。
即，当在所有的像素中V(i，j)＜V_non-V_detect_1时，判断为烟尘。这里，V_detect_1是大于V_noise的固定的阈值。虽然在吸入了非常大的颗粒的情况下也会在所有的像素中检测出信号，但如上所述，此时已通过过滤器预先去掉了微粒。另外，根据信号的强弱来识别烟尘的浓度。
2.当有一部分像素作出反应时，判断为灰尘或花粉。
为了识别被微粒遮挡的部分，进行二值化。图3的(a)和(b)是对该二值化进行图式化的图。例如，若灰尘具有图3(a)所示的大小、形状，则通过二值化，其被识别为图3(b)所示的图像。将用于进行二值化的参数设为V_detect_2，将输出该阈值V_detect_2以上的信号的像素作为计数对象。其计数数量与微粒遮挡入射光的光遮挡截面面积成比例。将根据所述计数的像素数而被判断为20μm以下或50μm以上的微粒判断为灰尘。
3.对微粒的尺寸进行测定的结果，当判断出微粒的大小在20微米以上且50微米以下时，也有可能是花粉。因此，此时需要通过其它方式来进行辨别。通常，灰尘由于比花粉轻，所以随气流的移动速度快。因此，计算悬浮颗粒的移动速度，当该移动速度在某固定值以上时判断为灰尘，其它情况判断为花粉。当气流不是上升气流，但微粒却从上向下流动时，将移动速度快的微粒判断为花粉，将移动速度慢的微粒判断为灰尘。
取相邻单位时间的两幅图像，并根据该图像的移动距离和帧时间来计算速度值。图4是示出了二值化的图像信号的时间变化。在该示例中，识别出微粒在向上移动。为了从图像信息中识别颗粒的移动，可利用在以往类似的技术中所使用的相关值。对移动速度进行确定的结果，当该移动速度在预定的某一固定速度以上或以下时，可分别识别为灰尘、花粉。
在本发明中主要说明了对烟尘、灰尘、花粉等微粒的检测，但通过改进本装置的分析规则，也可以关于吸入气体中所包含的微粒的大小或重量而制作通过某时间的颗粒的柱状图。根据该结果，也可以分析室内或屋外存在着什么样的微粒。
图5是光检测器的变形例的说明图。在上述的例子中，作为光检测器的图像传感器具有100×100左右的矩阵状的检测元件。但光检测器并不需要必须具备矩阵状的检测元件，如图5所示，也可以利用将检测元件51配置成条状的光检测器。即，在本装置中，由于产生气流时的微粒的移动方向被确定为沿气流的方向，因此，可使用条状结构的光检测器50来进行与上述示例一样的颗粒检测，此时使所述条状结构的光检测器50的检测元件51在与微粒的移动方向垂直的方向上细长延伸。
图5的(a)和(b)示出了使用光检测器50时分别在不同时间中的颗粒检测，在各个图中，在左侧示出了光检测器和颗粒的位置关系，在右侧示出了输出值。图5(a)示出了初始状态，图5(b)示出了一定时间之后的状态。构成条状的各个检测元件51可以输出与图像的面积大致成比例的信号。因此，通过确认比较输出值来识别该时间下的颗粒位置以及颗粒的移动速度。例如，通过利用空间过滤器，像传感器那样对从形成条状的各个光检测元件51得到的数据进行处理，能够简单地求出微粒的大小及其移动速度。但此时，在颗粒尺寸和移动速度之间存在某种平衡(trade-off)关系。
与使用矩阵状图像传感器的情况相比，根据该方式，可减少处理数据量，因此具有能够更加简单高速地进行数据处理的优点。
图6是示出作为本发明第二实施方式的颗粒检测装置的结构的概要图。在第一实施方式中示出了使用透过光的方式的颗粒检测装置，但通过图6所示的测定反射/散射光的方法，也可以检测烟尘颗粒、灰尘、花粉。关于各个元件，在图1所示的起相同作用的元件的标号上加上100后作为参考标号来标注，并省略对其作用等的说明。
就光源120和检测装置130的位置关系来说，在图6中，光源120和检测装置130中间隔着气流而置于相反的两侧，但也可以不这样配置。例如也可以将光源和检测装置配置在气流的同一侧，此时，可从气流的上游侧和下游侧中的任一侧进行光源的照射。另外，光源和检测装置位于垂直于气流的平面内，并且也可以在该平面内朝着倾斜方向而配置，而不是图1所示的直线配置。
由于在第一实施方式的装置中通常入射透过光，因此，必须将检测侧的输入范围保持在某一范围，这样有可能无法恰当地进行测定。对此，在第二实施方式的装置检测系统中，由于能够灵活运用图像传感器的动态范围，因此具有可用于高灵敏度颗粒检测的优点。
以上对作为本发明优选实施方式的颗粒检测装置及其检测方法进行了详细说明，但这些仅仅是示例性说明。本发明不限于此，本领域技术人员可进一步进行各种变形和改变。
例如，可以在适当位置设置机械式或基于施加的空气流的擦拭单元，以防止作为检测对象的微粒附着到光学系统上。
另外，颗粒检测装置自身可以不具有气流产生控制单元，而是通过用户的手动方法来产生气流。例如，也可以通过使装置主体振动来产生气流。此时，为了减少外部扰动对光检测作用的影响，需要在图像传感器的前段设置与照射光的波长相匹配的滤波器来缩短透镜的焦点距离。
工业实用性该装置可作为空气净化器、空调、吸尘器、换气扇、火灾警报器、环境检测传感器、绝对无尘室中的微粒检测装置、即用于探测灰尘、花粉、烟尘等微粒的装置而应用。
权利要求
1.一种颗粒检测装置，具有光源和检测从所述光源发出的光的光检测器，并检测位于所述光的通过位置的空气中所悬浮的颗粒，其特征在于，具有气流产生控制装置，该气流产生控制装置能够将位于所述光的所述通过位置的空气气流控制为固定或基本为零，所述光检测器使用图像传感器，从而根据通过该图像传感器而确认的图像信息来识别规定的颗粒，所述图像信息中包含移动物的移动速度和尺寸形状。
2.如权利要求1所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光源和所述图像传感器被配置成所述图像传感器直接接收从所述光源发出的光，由所述气流产生控制装置产生的气流的流动与所述光交差地流动。
3.如权利要求1所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光源与所述图像传感器中间隔着由所述气流产生控制装置产生的气流并朝着倾斜方向而配置，或者朝着倾斜方向而配置在气流的同一侧，所述图像传感器接收由从所述光源发出的光在所述气流内产生的散射光或反射光。
4.如权利要求1所述的颗粒检测装置，其特征在于，根据所述空气的气流固定时的所述移动物的移动速度来测量所述移动物的相对重量。
5.如权利要求4所述的颗粒检测装置，其特征在于，所述光源包括半导体发光元件。
6.一种颗粒检测方法，其特征在于，包括在有颗粒悬浮的空气中产生气流的步骤；向所述气流的产生位置照射光的步骤；检测通过所述气流的所述光或者因所述气流内的所述颗粒而散射的所述光的步骤；以及根据通过所检测的所述光而确认的图像信息来识别规定的颗粒的步骤，所述图像信息中包含移动物的移动速度和尺寸形状。
7.如权利要求6所述的颗粒检测方法，其特征在于，具有根据所述空气的气流固定时的所述移动物的移动速度来测量所述移动物的相对重量的步骤。
8.如权利要求6所述的颗粒检测方法，其特征在于，由半导体发光元件提供所述光。
全文摘要
本发明提供一种结构非常简单并能够以高灵敏度探测灰尘、花粉、烟尘颗粒的颗粒检测装置和用于该颗粒检测装置的检测方法。颗粒检测装置(10)具有光源(20)和检测从该光源(20)发出的光的检测装置(30)，并检测位于光的通过位置的空气中所悬浮的颗粒。装置(10)还包括气流产生控制装置(15)，其能够将位于光的通过位置的空气的气流控制为固定或基本为零，检测装置(30)的光检测器(31)使用图像传感器。从而根据通过图像传感器而确认的图像信息来识别规定的颗粒，该图像信息中包括移动物的移动速度和尺寸形状。
文档编号G01N21/53GK1932475SQ200610109920
公开日2007年3月21日 申请日期2006年8月24日 优先权日2005年8月24日
发明者板垣信孝 申请人:安华高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司