颗粒传感器设备和电子设备的制作方法

本实用新型涉及用于确定通过颗粒传感器的空气流中的颗粒浓度的颗粒传感器设备，该颗粒传感器设备包括具有对周围环境开放的第一开口和对周围环境开放的第二开口的空气流通道，该空气流通道包括在第一开口和第二开口之间的感测区域。

本实用新型还涉及包括这种颗粒传感器设备的电子设备。

背景技术：

随着对于例如PM2.5(小于2.5μm直径范围的颗粒)的空气污染对人类健康的不利健康影响的越来越多的关注，对生活空间的污染信息的需求持续增长。例如，在诸如中国和印度的一些发展中国家，严重的PM2.5污染已经成为过去十年常见的问题。这已经使得人们变得对于获取环境污染级别越来越有兴趣，该兴趣导致了对颗粒传感器设备的越来越多的兴趣，例如，集成在诸如智能电话或其他智能设备的消费电子设备中的颗粒传感器设备。

大多数颗粒传感器设备使用光散射原理来测量颗粒浓度。当颗粒穿过颗粒传感器设备的感测区域时可以引起光散射，其中被散射的光被检测并被变换成可以被放大和处理的电信号。由于信号的数量可以与感测区域中的颗粒数量相关联的事实(其中信号波形包含有关于颗粒直径的信息)，颗粒的数量和直径可以通过分析这种电信号来获得。

已知不同类型的基于光散射的传感器。一种已知的原理是例如JP2008145353A和CN104089858A中所公开的基于LED的传感器。另一种已知的原理是基于激光的传感器，例如，用于检测尺寸(直径)小于2.5μm的大气颗粒的基于激光的PM2.5检测器，例如CN203551443U、CN203824872U和CN105021501A中所公开的。这种基于激光的PM2.5检测器的基本原理是通过颗粒的激光散射可以用光学传感器来检测，光学传感器被设置为产生可以转换成数字信号的脉冲信号输出。

通过这种传感器的空气流通常由电阻器、风扇、泵等生成。以这种方式，通过颗粒传感器设备的空气流动速度可以被准确地控制，这是准确确定每单位体积空气的颗粒浓度所需要的。然而，这种组件相对昂贵，这造成了这种颗粒传感器设备的制造成本上的所不期望的上涨压力，特别是其中这样的颗粒传感器设备要被部署在竞争性的小利润技术领域(例如诸如消费电子设备的电子设备)中。此外，这种组件增大了颗粒传感器设备的尺寸以及增大了颗粒传感器设备的功耗，这在某些应用领域(例如可穿戴设备)可能是不期望的。此外，这种组件在使用时产生热量，这可能导致颗粒传感器设备中的温度波动以及相关的测量误差。

US2016/0025628 A1公开了一种感测颗粒物质的移动设备。该移动设备包括：具有当移动设备被摇动时空气流过的空气流路径的壳体；检测移动设备的加速度的惯性传感器；用光照射空气流路径并检测流过空气流路径的空气中的颗粒物质的光散射型传感器；以及控制器，其包括用于对光散射型传感器检测到的颗粒物质计数的计数器，以及用于基于惯性传感器的检测信号来检测空气流路径的空气流率的流率计算器。以这种方式，空气流产生组件可以被避免。

技术实现要素：

本实用新型力图提供具有更少组件以进一步最小化传感器体积以及降低成本的无风扇颗粒传感器设备。

本实用新型力图提供包括这种颗粒传感器设备的电子设备。

根据一个方面，提供了用于确定通过颗粒传感器设备的空气流中的颗粒浓度的颗粒传感器设备，空气流由颗粒传感器设备的限定的移动生成，颗粒传感器设备包括：具有对周围环境开放的第一开口和对周围环境开放的第二开口的空气流通道，空气流通道包括第一开口和第二开口之间的感测区域；颗粒传感器，包括用于发射通过感测区域的光的光学模块、以及用于检测由空气流中的颗粒散射的光的检测器；以及处理器，耦合到检测器，并被布置为使用与限定的移动相关联的数学模型、由从检测器接收的一个或多个信号来获得空气流中的颗粒浓度，所述数学模型不包括作为参数的空气流速。

本实用新型基于以下认识：当通过无风扇颗粒传感器设备的空气流根据限定的移动(即，与典型空气流速相关联的移动)来生成时，不再需要获得空气流速的明确确定。代之，可以使用对于典型空气流速有效的诸如经验模型的数学模型，以确定颗粒浓度，该数学模型不包括作为参数的空气流速度。因此，由于用于生成空气流或用于确定空气流速的组件未形成设备设计的一部分的事实，所以可以获得更紧凑的颗粒传感器设备。

在一个实施例中，颗粒传感器设备进一步包括响应于处理器的输出设备，其中处理器适于在输出设备上提供用户指示，以用于指示用户根据限定的移动来移动颗粒传感器设备。以这种方式，可以确保用户根据限定的移动来移动颗粒传感器设备，从而可以生成通过空气流通道的具有数学模型对其有效的空气流速的空气流。

颗粒传感器设备可以进一步包括耦合到处理器的另一传感器，其中处理器适于从另一传感器提供的传感器读数中检测颗粒传感器的实际移动，以验证用户是否根据限定的移动来移动颗粒传感器设备。处理器可以进一步适于响应于从所述传感器读数中检测到不符合限定的移动的实际移动而生成警报信号，诸如以警报用户由于实际移动不能够生成所需的空气流速，所以不能获得可靠的颗粒浓度。例如，这种另一传感器可以是压力传感器或加速度计，其具有相对便宜和紧凑的优点，因此这种压力传感器或加速度计的集成不会显著影响颗粒传感器设备的成本和紧凑性。

颗粒传感器设备可以进一步包括存储所述数学模型的存储器，其中处理器通信地耦合到存储器。这具有数学模型可以被编程到存储器中的优点。在特别有利的实施例中，存储器存储不包括空气流速作为参数的多个数学模型，所述数学模型中的每一个与颗粒传感器的限定的移动相关联，其中颗粒传感器进一步包括用户接口，用户接口通信地耦合到处理器，以用于用户选择所述限定的移动之一，以及处理器进一步适于从存储器中选择与用户选择的限定的移动相关联的数学模型，或其中处理器进一步适于从存储器中选择与检测的实际移动对应的所述限定的移动之一相关联的数学模型。这具有如下优点：不同用户可以选择不同优选的限定的移动，从而增加颗粒传感器设备的使用灵活性。

颗粒传感器设备可以是可穿戴设备。

根据本实用新型的一个实施例，颗粒传感器设备不包括用于在设备中生成空气流的有源装置，例如风扇。

根据另一个方面，提供了包括本申请中描述的任何实施例的颗粒传感器设备的电子设备。这样的电子设备例如可以是诸如移动电话、平板计算机等的便携式设备，例如因为其降低的功耗和紧凑性，该电子设备受益于根据本申请中描述的任何实施例的颗粒传感器设备的存在。

根据又一方面，提供了使用本申请中描述的任何实施例的颗粒传感器设备确定颗粒浓度的方法，该方法包括：根据限定的移动来移动颗粒传感器设备，以生成通过空气流通道的空气流；使用光学模块发射通过感测区域的光；使用检测器检测由生成的空气流中的颗粒散射的光；以及通过处理器、使用与限定的移动相关联的数学模型、由从检测器接收的一个或多个信号来获得空气流中的颗粒浓度，所述数学模型不包括空气流速作为参数。如上面更详细解释的，这个方法具有如下优点：能够提供空气流中的颗粒浓度的准确测量，而无须例如使用惯性传感器来测量空气流的速度。

该方法可以进一步包括：监测颗粒传感器设备的实际移动，以确定颗粒传感器设备是否根据限定的移动而移动；以及如果监测的实际移动没有根据所述限定的移动，则生成警报信号。以这种方式，可以避免依靠由不知道颗粒传感器设备的非意图移动导致的不准确的颗粒浓度。

监测颗粒传感器设备的实际移动以确定颗粒传感器是否根据限定的移动而移动可以包括：使用压力传感器或加速度计，确定所述监测的实际移动期间的空气流通道中的压力的改变。

该方法可以进一步包括使用颗粒传感器设备生成限定的移动的指示，以减少颗粒传感器设备的用户以不符合限定的移动的方式移动设备的风险。

在一个实施例中，该方法进一步包括：提供不包括空气流速作为参数的多个数学模型，所述数学模型中的每一个与颗粒传感器设备的限定的移动相关联；接收用于选择限定的移动的用户输入、或检测用户的实际移动；标识与用户选择的限定的移动或检测的实际移动关联的数学模型；以及使用所标识的数学模型、由从检测器接收的一个或多个信号中获得空气流中的颗粒浓度。这允许不同用户根据个人喜好以不同方式移动颗粒传感器设备，从而改善了颗粒传感器设备的使用灵活性。例如，这种不同的限定的移动可以与颗粒传感器设备的不同移动速度相关联。

附图说明

参照附图，通过非限制性示例的方式并且更加详细地描述本实用新型的实施例，其中：

图1示意性地描绘了根据一个实施例的颗粒传感器设备；

图2是根据一个实施例的颗粒传感器设备可实施的数学模型图；

图3示意性地描绘了根据另一实施例的颗粒传感器设备；

图4是通过根据一个实施例的颗粒传感器设备来确定颗粒浓度的方法的流程图；

图5是通过根据另一实施例的颗粒传感器设备来确定颗粒浓度的方法的流程图；以及

图6是通过根据又一实施例的颗粒传感器设备来确定颗粒浓度的方法的流程图。

具体实施方式

应当理解，附图仅仅是示意性的并没有按照比例绘制。还应当理解，整个附图中的相同的附图标记用于指示相同或类似的部分。

图1示意性地描绘了根据一个实施例的颗粒传感器设备100。颗粒传感器设备100包括延伸穿过颗粒传感器设备100的外壳105的空气流通道110。外壳105可以由任何合适的材料制成，例如，塑料材料、金属、金属合金或其组合。空气流通道110具有各自对周围环境开放的第一开口111和第二开口113。例如，第一开口111可以与第二开口113相对。

感测区域115被定位在流通道110中、在第一开口111和第二开口113之间，感测区域115容纳用于检测流过空气流通道110的颗粒的颗粒传感器120。这种颗粒传感器120例如可以是PM2.5传感器，但是还可以考虑其它颗粒传感器，例如适于检测诸如超细颗粒(UFP)、PM5.0或PM10.0颗粒的其他尺寸颗粒的传感器。在一个实施例中，颗粒传感器120为光学颗粒传感器，其包括用于发射通过感测区域的光的光学模块121以及用于检测由流过感测区域115的空气中的颗粒散射的光的检测器123。光学模块121例如可以是LED模块或激光模块，并且检测器123例如可以是诸如光电二极管等的光电检测器。可以使用任何合适的光学颗粒传感器设计。由于这样的光学颗粒传感器本身是公知的，仅为简洁起见对此未进一步详细描述。

颗粒传感器设备100进一步包括耦合到检测器123的处理器130。处理器130被布置为使用与限定的移动相关联的数学模型，由从检测器123接收的一个或多个信号，获得通过空气流通道110的空气流中的颗粒浓度。如下面将更详细解释的，数学模型不包括作为参数的空气流速。尽管因为空气流速确定每单位时间通过空气流通道110的空气体积，所以空气流速在确定通过空气流通道110的空气流中的颗粒浓度时必须大概已知，但是本实用新型的实施例是基于以下认识：通过指示颗粒传感器设备100的用户以限定的方式移动设备，与限定的移动相关联的空气流速可以被假定。换句话说，如果正确执行，给定的限定的移动对应于特定空气流速，并且由处理器130实施的数学模型可以对于包括与限定的移动相关联的流速的窄范围的空气流速是有效的。这一范围的大小可以基于被认为可接受的所确定颗粒浓度中的误差容限来选择；例如，对于20％的误差容限，范围的端点可以被限定为分别比与限定的移动相关联的流速小20％和大20％。

数学模型可以以任何合适的方式得出。例如，如图2中示意性地描绘的，数学模型可以是从用校准的颗粒传感器的测量所得出的经验模型，图2描绘了如何可以得出数学模型的一个示例。在其中产生污染空气(例如，通过燃烧香烟)的室内执行颗粒污染测量。保持在室外的用户保持设备100，并且将设备100移动通过附接到室壁的手套。室内的颗粒浓度由校准的例如Grimm传感器的专业传感器来监测。通过试图保持每次移动尽可能相似，设备100按照限定的移动由用户移动5次，例如，在特定距离(大约60厘米)、特定方向(垂直)以及特定速度(具有中等力量的成年人)内移动。每次测量后，从设备100读出的颗粒计数数据和从Grimm传感器读出的颗粒浓度被记录作为图2中所示的5个点。在图2中，x轴描绘从Grimm传感器读出的PM2.5颗粒浓度，以及y轴描绘从设备100读出的PM2.5颗粒计数。图2中的直线描绘例如基于按照指示移动的设备100的5个点、使用拟合函数模拟的仿真曲线。该直线用以下函数表示：y＝8.7636x+6093.9或者x＝(y–6093.9)/8.7636，其为用于在实验中使用的设备100的数学模型。如可以从图2中的仿真曲线(如通过R2＝0.9878表示的拟合质量)看出的，获得了用Grimm传感器确定的颗粒浓度和用颗粒传感器设备100确定的颗粒计数之间的极佳拟合。

要理解，图2的函数仅仅是说明本实用新型的示例；其不应该被用于限制本实用新型的保护范围。本实用新型中描述的颗粒传感器设备可以设计成与图2相比具有不同空气流通道的不同形状，因此，数学模型将不同。一般地，根据一个实施例，数学模型可以是线性公式，表示成：y＝kx+b，其中k和b可以在其被卖到市场前由设备100的制造商来确定并预先存储在设备100中。根据另一实施例，数学模型还可以是依赖于不同空气流通道设计的非线性公式。数学模型可以存储在处理器130可访问的存储器140中。任何合适的存储器设备(例如RAM，ROM、EEPROM、闪存设备等)可以用于该目的。

存储器140可以与处理器130分立，在这种情况下处理器130可以例如经由P2P连接、总线等通信地耦合到存储器140，或替代地存储器140可以形成处理器130的一部分。存储器140可以存储单个数学模型或可以替代地存储多个数学模型，每个数学模型与不同的限定移动(例如与不同移动速度关联的不同限定移动)相关联，在这种情况下用户可以能够根据用户准备应用到颗粒传感器设备100的限定的移动来选择适当的数学模型。例如，在可穿戴颗粒传感器设备100的情况下，用户可以在步行或跑步期间穿戴颗粒传感器设备100，该相应活动通常与通过空气流通道100的不同空气流速相关联，因此用户可能需要选择适当的数学模型，以由处理器130应用于对应的活动。为此，颗粒传感器设备100可以进一步包括用户接口170，例如，触摸屏布置、按钮布置、开关布置、表盘布置、这些布置的组合等，其中处理器130响应于用户接口170。

在一个实施例中，颗粒传感器设备100可以进一步包括响应于处理器130的输出设备150，例如显示器，扬声器、光源等。处理器130适于在输出设备150上提供用户指示，该用户指示用于指示用户根据限定的移动来移动颗粒传感器设备100。例如，可以通过输出设备150向用户提供图示、书面或口头指示，或替代地，输出设备150可以生成移动的或振荡的光束，例如以指示根据限定的移动用户应该移动颗粒传感器设备100的速度，例如在限定的移动是摇动移动的情况下用户应该多块地摇动颗粒传感器设备100。输出设备150可以与用户接口170分立，或替代地，可以形成用户接口170的一部分。

在一个实施例中，颗粒传感器设备100是可穿戴传感器设备。例如，通过非限制性示例的方式，颗粒传感器设备100可以被附接于带子上，以将颗粒传感器设备穿戴在诸如手臂或腿的身体部分上，或者可以被附接于诸如项链、臂章等的链条上。在这些实施例中，颗粒传感器设备100可以进一步包括通信地耦合到处理器130的近场通信模块或无线通信模块(未示出)，从而颗粒传感器设备100可以将确定的颗粒传感器浓度传送到另一设备(例如电子设备，诸如可穿戴电子设备、诸如智能电话、平板计算机、膝上计算机、个人计算机的智能电子设备等)。在另一个实施例中，颗粒传感器设备100可以形成这种电子设备的一部分，在这种情况下，颗粒传感器设备100的诸如处理器130、输出设备150以及用户接口170的至少一些元件可以是电子设备的多功能组件。

图3示意性地描绘了根据另一实施例的颗粒传感器设备100。在这个实施例中，颗粒传感器设备100包括之前在图1辅助下描述的全部特征，并进一步包括耦合到处理器130的诸如压力传感器或加速度计的另一传感器160。在这个实施例中，处理器130进一步适于从另一传感器160提供的传感器读数中检测颗粒传感器设备100的实际移动。例如，在另一传感器160是压力传感器或加速度计的情况下，处理器130可以适于通过用压力传感器或加速度计检测的压力波，来估计颗粒传感器设备100的加速度，并将估计的加速度转换为颗粒传感器设备100的估计速度。

处理器130可以适于对比之前提到的有效空气流速范围来比较估计速度，以检查用户是否实际根据限定的移动在移动颗粒传感器设备100。在检测的实际移动不符合限定移动的情况下(即检测的实际移动使得颗粒传感器设备100以应用的数学模型有效的速度范围外的速度移动)，处理器130可以进一步适于响应于从另一传感器160提供的传感器读数中检测到用户对颗粒传感器设备100的实际移动而生成警报信号。例如，这样的警报信号可以使用输出设备150或使用单独的输出设备(未示出)来生成。

在一个实施例中，由另一传感器160提供的数据，即处理器130从这一数据得到的实际移动，可以被用于从存储器140中选择对应于实际移动的适当的数学模型，以由处理器130使用于确定颗粒浓度。在这个实施例中，用户接口170可以被省略。

图4是通过根据上述任何实施例的颗粒传感器设备100来确定颗粒浓度的方法200的一个实施例的流程图。方法200开始于210，例如，通过启动颗粒传感器设备100，之后方法200继续到220，其中颗粒传感器设备100根据限定的移动被移动以生成通过空气流通道110的空气流。限定的移动例如可以是摇动颗粒传感器设备100，将颗粒传感器设备100附接于以大概已知速度移动的身体等。合适的移动的许多其他示例对于技术人员来说将是显而易见的。在限定的移动期间，在230传感器读数被获取，这可以包括使用光学模块121发射通过感测区域115的光，并使用检测器123检测被生成的空气流中的颗粒散射的光。在250检查方法200是否已经完成之前，在240空气流中的颗粒浓度由从检测器123接收的一个或多个信号、通过处理器130、使用上述的与限定的移动相关的数学模型来获得。如果情况是没有完成，方法200返回到200，例如，以执行另一个传感器读数，否则方法200在260结束。

图5是通过根据上述任何实施例的颗粒传感器设备100来确定颗粒浓度的方法200的另一实施例的流程图。在图5中，方法200通过在212允许用户选择限定的移动(例如，使用用户接口170)而展开，在这之后在214与选择的限定的移动对应的数学模型从存储器140中取回。在这个实施例中，在250中判定方法200还未完成(例如另一个传感器读数应该被生成)的情况下，方法200可以返回212。将理解，可以设想替代的实施例，例如如下实施例，其中附加的检查(如果被执行)确定这样的另一个传感器读数是否应该使用之前选择的限定的移动来生成，在这种情况下方法200可以返回到220而不是212。其他变化对于技术人员而言将立即是显而易见的。

图6是通过根据上述任何实施例的颗粒传感器设备100来确定颗粒浓度的方法200的又一实施例的流程图。在这个实施例中，根据限定的移动的颗粒传感器设备100的移动220包括验证225颗粒传感器设备100的实际移动是否符合限定的移动(例如，使用上面解释的另一传感器160)。在225如果判定实际移动符合限定的移动，方法200继续到230，其中如之前所解释的传感器读数被获取。另一方面，在225如果判定实际移动不符合限定的移动，即由于数学模型对于与实际移动关联的空气流速无效，而可能导致不准确的颗粒传感器浓度，则方法200可以代之继续到235，其中如上面解释的在继续到250之前，警报信号被生成以警告用户颗粒传感器设备100没有根据限定的移动而移动。这种警报信号可以使用诸如输出设备150的输出设备生成，并且可以是听觉警报信号、视觉警报信号、触觉警报信号(例如穿戴颗粒传感器设备100时用户感受到的振动)等。

应当注意，上述实施例说明而不是限制本实用新型，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，放置在括号中的任何附图标记不应被解释为限定权利要求。词语“包括”不排除除了权利要求中列出的那些元件或步骤外的其他元件或步骤的存在。元件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以通过包括若干不同元件的硬件的手段来实现。在列举了若干手段的装置权利要求中，这些手段中的若干可以由同一硬件项来体现。在互不相同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实，并不指示这些措施的组合不能够被有利地使用。