专利名称：带有涂层反射器的光电探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电烟雾探测器领域。更具体地说，本发明涉及包括用于改善性能的反射器的探测器。
本发明是1995年5月10日提出的题为“带有反射器的光电探测器”的序号为08/438382的美国专利申请的继续部分。
在检测某些形式的火焰方面，已知有一些光电烟雾探测器，并且它们正在检测中使用。已知的探测器将一个具有一个内腔的壳体与一个辐射能源组合起来。该辐射能源，例如，可以为一个发光二极管。
该辐射能源将辐射能量，以一束或射线的形式投射至该内腔中。如众所周知那样，当在该内腔中有烟雾时，由该辐射能源发出的一个或多个光子将会偏转或散射开来。
在通常的光电探测器中，一部分散射的辐射能量入射在一个光电探测器上(例如，放置在该腔中的一个光电二极管)。散射的辐射能量的多少表示在该腔中烟雾的多少。因此，该传感器或光电二极管的输出可显示火焰的情况。
在没有烟雾时，光电探测器发射一定水平的背景噪声，该噪声是由腔中的悬浮空气尘埃等产生的。这些悬浮在空气中的颗粒会产生偏转，甚至在没有烟雾的情况下，这些颗粒也可碰到光电探测器。这种噪声可构成虚假警报。
因此，已知的光电探测器可以得到改善的领域之一是在输出信号的信噪比方面。通常，输出信号必需经过放大，达到足够高的电平，以便能被后续的处理回路所利用，因此，信噪比越高，真实的信号就越能辨识出来。
因此，对能改善光电探测器信噪比，最好又不显著增加其成本的结构有持续的需要。最好，利用不需要电能的无源元件来达到信噪比的改善。
一种光电烟雾检测器，它具有一个形成一个内容积，并可使周围烟雾进入的腔。放置了一个辐射能源或光源(例如，一个发光二极管或一个激光二极管)，它可将辐射能引导至该腔中。在该腔中，还设有一个反射器。
该反射器可以作成圆锥形(至少部分地作成圆锥形)，以便将散射的入射辐射能，通过一次或多次反射，引导至一个相应的光电传感器上。例如，该反射器可以作成带有一个圆锥形或圆筒形的体，在该体的一端作有一个孔。该孔可以由该反射器体与一个几何形状(例如，一个平面)相交形成。
该反射器可以作成第一个内部反射区域。这个区域可以作成是有一个铬的电气沉积层的区域。铬耐腐蚀并且较便宜。
在波长为780～830纳米范围内，铬是优良的反射器。当使用发射波长为780纳米的光的激光二极管时，铬是特别有利的。
壳体的一部可以为圆锥形(至少部分为圆锥形)，并由反光金属或涂敷金属的塑料制成。在圆锥形反光区的小直径端可以放置一个传感器。由入射在圆锥形或作成锥度的反光区域上的烟雾颗粒散射出来的光，通过一次或多次反射，被引导至该光电传感器上。
使用上述的反射器，可以大大增加送至传感器上的信号电平，产生增大的信噪比。除了可以大大地改善信噪比之外，在与光电探测器所连接的输出放大器上，可以使用较低的增益。
为了在辐射能量散射行进的同一方向上，至少部分地引导偏转和散射的光，可以设置一个多元件的反射器。这种反射器可以与一个辐射能源和一个传感器组合起来，以形成一个集成的固体电路模块。
这样，通过在宽广的角度范围(例如180°或360°)上，捕捉散射的光子，使用反射器聚集散射的烟雾光线可增加碰到光电二极管或传感器的光子数目。然后通过多次反射，将捕捉到的光子聚集在传感器或光电二极管上。
本发明的这些和其他一些方面和属性，将参照附图和附带的说明书进行讨论。附图中
图1为表示探测器的侧视图，部分为截面图；图2为光电探测器的另一个实施例的示意性框图；图3A和3B为散射辐射能收集器的详细结构；图4A至4D表示与图2的光电探测器一起使用的另一个收集器的几何形状；图5为根据另一个实施例的光电探测器的一部分的俯视图；图6为沿图5的6-6平面所取的截面图；图7为辐射能的一个涂层的、耐腐蚀的反射器的放大的透视图。
虽然本发明可以有许多不同的实现形式，而附图中表示了一些特定的实例，并进行了详细的说明，应当理解，本说明只能被认为是对要发明原理的一种示例而不是要将本发明局限在所示的特定的实施例上。
图1表示根据本发明的光电探测器10。该探测器10包括一个壳体12，该壳体可以是圆筒形的，但不一定必需是圆筒形的。该壳体12具有一个第一末端，即辐射能输入端12a和一个第二末端，即有锥度的或圆锥形的辐射能收集端12b。
辐射能源(它可以是激光)产生的辐射能可通过辐射能输入口14射入该壳体12中。还应当理解，激光二极管(例如)可以放置在输入口14上。另一种方案是，如剖视图中所示，辐射能源14a可以放置在壳体12内。
壳体12形成一个内部容积16。壳体12的壁穿有孔，并具有许多开口或孔20a、20b…20n。该许多孔20为带有烟雾的周围空气提供了进入容积16中的入口和出口。
光收集器22放置在容积16内，并且如图1所示，其方向在辐射能的射束26预计要沿之行进的轴线上。该光收集器22包含一个内部光吸收区，它一般用24表示。该光收集器22用于吸收所有通过口14或通过放置在内部的辐射能源14a进入的，在区域16中容纳的不散射的辐射能26。
内表面12c和12d是反光的。壳体12可由反光金属或塑料制成，而区域12c和12d上涂敷有反光材料。壁12f具有一个不反光的，平的黑色表面。该光收集器22的外表面22a也是反光的。
一个光电传感器29(它可带有或不带有透镜)放在圆锥形区域12b的末端，可收集反射的和散射的光线或光子。传感器29的电气输出表示存在着入射的散射光或光子。
区域16中空气所携带的烟雾颗粒造成向前的散射，如散射射线32a，32b，32c所示。散射的射线或光子从表面12c和12d上反射出来，并被引导至光电传感器29。在光电传感器29上，散射的射线被收集起来。探测器10的特别有利之处是，它可在辐射能束26周围的整个360°区域上，收集散射的射线或光子。假如散射角度太大，则偏转的光子或射线从多个孔的一个孔中逸出(例如孔20a)，并损失掉。
可能出现向后散射。向后散射的光子可以入射在壁12f上，并被吸收或从表面12c和12d上反射出来，并最后被收集在传感器29上。表面12f还可吸收任何从光收集器22的中心内部区域24反射出来的不需要的光。
总之，烟雾通过空气开口或孔20a…20n，进入探测器10的内部容积16中。从一个外部或一个内部辐射能源(例如激光、激光二极管或发光二极管)发出的辐射能沿所有方向散射。
向前散射的辐射能，向着传感器29，从表面12c和12d上反射出来，并在该传感器上进行检测。从光收集器22逸出的任何光或辐射能被不反光的后表面12f吸收。
图2表示根据本发明的光电探测器的另一个实施例30。探测器30带有一个壳体32，该壳体可利用不反光的塑料制成。壳体32上作有许多烟雾进气孔34(例如孔34a，34b，34c和34d)。包围壳体32的周围大气中的烟雾可以进入壳体32内的内腔36中。
壳体32也带有一个辐射能源38，它可以是一个发光二极管，激光二极管或任何其他辐射能源。该辐射能源38产生一个辐射能束40，该辐射能束，以预先决定的方式，横穿区域36的一部分投射出去。
因为辐射能束穿过区域36，因此，区域36中的光子与进入腔36，造成散射(如众所周知那样)的烟雾或燃烧生成物的颗粒相交，并从这些颗粒上反射出来。有代表性的散射射线42a、42b和42c被区域36中的烟雾颗粒，在所示的方向上散射开来。
在靠近辐射能束40处，放置一个散射光或散射光子收集器44(图示为部分剖开的)。该收集器44可以由(例如)反光金属或涂敷金属的塑料制成。收集器44作有一个空心的、圆锥体部分46a，该部分具有一个内部的散射光接收区48。第二个有锥度的圆锥形区域46b与该圆锥体部分46a连接，并形成一个供入射的散射光用的孔48a。该孔48a的位置靠近辐射能束40，其方向作成可使散射的射线或光子42a，42b从一个内部反光表面50上反射出来，并被引导至光电传感器或光电探测器52上。
从图2中可看出，虽然收集器44可以收集一部分散射的射线或光子42a，42b，但它不能收集全部这种散射的光子(例如，散射射线或光子42c)。为了增加收集光子的数目，可以在辐射能束40的周围，使用第二或第三个收集器44，以便收集更大量的散射光子。
虽然单独使用时，收集器44不能收集所有的散射光子，但它可收集在180°范围内散射的许多光子。由于将所收集的散射光子引导至传感器52上的结果，从探测器52发出的信号输出，将比只使用探测器52本身，而没有收集器(例如收集器44)的结构的信噪比更高。
应当理解，为了给辐射能源38供给能量和检测从传感器52发出的信号，可以将探测器10及探测器30与通常形式的控制电子装置一起使用。探测器10，30可以作为独立使用的装置使用，其中，控制电子装置包括当以任何已知方式检测出报警条件时，用于驱动一个音响输出装置(例如压电喇叭)或一个可看得见的报警装置(例如频闪灯光)的电路。
探测器10，30还可以用在多个探测器式的火灾报警系统中，该系统具有一个中心控制装置或控制板，多个探测器(例如探测器10，30)可以与该控制板连接。在这种情况下，该控制电子装置可与一个局部地址和接口电路连接，使得相应的探测器可以通过射频(RF)或红外线传输，或电缆，以双向方式连通。
应当理解，这种连通的具体方式并不是对本发明的限制。已经转让给本申请的受让人的Tice等人的美国专利4916432号公布了一种有代表性的通讯系统。这里引入Tice等人的专利的说明书和图供参考。
图3A和3B进一步表示收集器44结构的一些详细情况，其中，图3B中输出信号＝36nA。收集器44的体部分46a作成带有一个第一个有锥度的外表面54和一个相应的有锥度的内部反光表面。第二个有锥度的外表面56与体部分46b连接。该体部分46b也具有一个有锥度的内部反光表面。例如，表面54和56可以是圆锥形的，并在边界线或平面58处相交。
孔48a是由一个平面与一个或二个圆锥形部分54，56相交形成的。末端孔部分48b可以为半圆形，其半径为0.05英寸。探测器44可以具有(例如)一个抛光的黄铜内表面。应当理解，可以使用许多不同的几何形状来制造光子收集器，而不会偏离本发明的精神和范围。
图4A～4D表示体现本发明的另一个收集器的许多几何形状的截面图，其中，图4A中，有光泽的黑色内表面一信号＝6.5nA，抛光的黑色内表面一信号＝10nA；图4B中输出信号＝19.5nA；图4C中输出信号＝22nA。例如，图4A表示一个管状或圆筒形零件70，其孔是由零件70与平面相交形成的，从而形成该具有一个平面或边界表面72的孔。零件70具有一个圆筒形的内部反光表面70a，将散射的光引导至传感器52。该零件可以是切成一定角度的一个圆筒形黄铜管。
图4B至4D表示另外一些收集器，其中，例如，对于图4B，一个具有第一个圆锥形横截面的体74与具有第二个圆锥形横截面的体76相交。然后，用一个几何元件(例如一个平面)将一个或二个圆锥形横截面切去一部分，从而形成一个孔(例如，由表面78形成的孔)。末端孔部分78a可以为半圆形，其半径为0.03英寸。
另一种方案是，可以作成诸如图4D的收集器80那样的收集器，它由一个圆柱形的空心体部分82与一个空心的圆锥形部分84相交构成。体部分82，84的一部分与一个平面相交，形成一个孔，从而形成一个以该孔为边界的平面形上表面86。应当理解，图4A至4D的收集器的所有功能与先前所述的收集器44相同。
图5表示散射光子反射器的又一种形式。在图5中，光电探测器90带有一个壳体92。壳体92带有一个散射光反射器结构，一般用94表示。结构94可采用固体电路制造技术制造。
结构94包括一个不透明的基片94a，在基片上形成一个基本上为长方形的孔94b。基片94a上装有一个辐射能源和一个散射的反射辐射能传感器。该辐射能源可以为一个发光二极管(例如二极管96)；该传感器可以为光电二极管98。辐射能源96和传感器98都可利用通常的固体电路处理技术沉积在该基片上。
在偏离该辐射能源96和传感器98的地方，有一个弯曲的沉积反光层100。该反光层100由光学透明材料(例如，环氧树脂)的102的一个弯曲部分支承。该透明材料还充满作在基片94a上的孔94b。
透明材料的一个弯曲的圆周表面102a上装着该沉积的反光层100。表面102a和反光层100可以作成技术熟练的人们可以理解的那种有选择的部分抛物线或部分椭圆形的形式。隔膜106放置在充满透明材料102的区域中。该隔膜106由不透光的材料制成，并用不透明的水泥106a固定。隔膜106从光学上将包含辐射能源96的材料102的区域与包含传感器98的材料102的区域隔离开来。
整体结构94放置在壳体92中。电能可以提供给辐射能源96，而光电二极管98发出的信号可以利用通常形式的沉积导体检测出来。
在工作中，辐射源96可以通电，并发出光射线(例如射线96a，96b)。发出的射线再从反光层100反射出来，并通过透明材料102。这些发出的射线从孔94b的上表面出来，在孔94b中，当该射线进入壳体92内部的周围大气中时，它们被弯折。反射回来的弯折射线聚集在焦点96c上。
在焦点96c附近的烟雾颗粒会产生散射光(例如，散射射线96d和96e)。散射的射线96d，96e在孔94b处，再次进入透明材料，并再次从反光层100反射出来，并被引导至光电二极管98上。光电二极管98收集这些散射的射线，并将它们检测出来。
应当理解，在基片94a上可以形成各种各样不同的几何形状，而不会偏离本发明的精神和范围。特别是，反光层100可以作成各种各样的形状，同时仍可得到收集散射光和将散射光反射至传感器(例如传感器98)上的同样的结果。
图7表示与探测器30一起使用的反射器110的另一种形式。该反射器110包括一个圆筒形的空心体112，该空心体112有一个基本上是圆筒形的内部区域114。该圆筒形空心体112被第一和第二平面切去一部分，从而形成边缘116a，b和118a，b。
由边缘116a，b和118a，b形成的孔为从辐射能束40散射出来的，探测器容积中的光提供了一个接收区。与图2和图3b所示的光电二极管52的位置比较，象光电二极管52一样的一个光电探测器可以放置在壳体112的基座上。
反射器110(例如)可以由不反光的塑料模制而成。在这种情况下，内表面114可以涂敷一层光亮的铬的反光镀层。技术熟练的人们知道，铬可以沉积在一个或多个基本层上。铬涂层的厚度可以为0.25微米数量级。
铬特别适合于作为反光收集器(例如收集器110)的反光涂层，因为在红外线波长为780～830纳米范围内，铬的反光系数可达0.64。辐射能源38(例如)可以包括一个激光二极管，该二极管可产生780纳米的输出波长。
图7中114a表示的上述反光涂层，因能耐受空气中悬浮的污染物(例如SO2和H2S)的腐蚀，因此特别有利。铬反光涂层114a预期要通过的一个耐腐蚀性测试为UL标准#268。虽然可以使用其他的耐腐蚀涂层(例如，黄金)，但铬镀层价格较低，并且其红外反射率很好。
应当理解，上述的镀铬形式的反光涂层可以用在图3a，3b、4a～4d的任何一种反光收集器中，而不会偏离本发明的精神和范围。
从以上说明可看出，可以进行许多改变和改进，而不会偏离本发明的精神和范围。还应当理解，对于这里所示的具体装置也不应有或推论出任何限制。当然，希望所附的权利要求书能覆盖所有在权利要求书范围内的改进。
权利要求
1.一种光电式烟雾探测器，它包括一个壳体，它确定了一个用于接收周围烟雾颗粒的内部区域；一个辐射能源，用于在所述壳体内引导辐射能量；一个辐射能收集器，它放在所述壳体内，其中，所述收集器包括一个基本上为圆筒形的镀有耐腐蚀的涂层的反光表面，该表面围绕一个圆形的横截面连续延伸；和一个辐射能传感器，其中，所述收集器取向成可以将烟雾颗粒散射出的至少一些辐射能反射至所述传感器上。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征为，所述反光表面包括一个铬层。
3.如权利要求2所述的探测器，其特征为，所述辐射能源装在所述区域内。
4.如权利要求2所述的探测器，其特征为，所述收集器包括第一和第二末端，并且其特征还在于，所述第一末端形成一个孔，用于接收散射的辐射能量。
5.如权利要求2所述的探测器，其特征为，所述收集器为细长形，基本上为圆筒形，并形成至少一个细长的孔，用于接收散射的辐射能量。
6.如权利要求2所述的探测器，其特征为，该壳体由至少一个圆锥形的部分构成。
7.如权利要求2所述的探测器，其特征为，所述的辐射能束的波长大约为780纳米。
8.如权利要求1所述的探测器，其特征为，所述辐射能束的波长大约为780纳米。
9.如权利要求8所述的探测器，其特征为，所述辐射能源装在所述区域内。
10.如权利要求8所述的探测器，其特征为，所述收集器包括第一和第二末端，并且其特征还在于，所述第一末端形成一个孔，用于接收散射的辐射能量。
11.如权利要求8所述的探测器，其特征为，所述收集器为细长形，基本上为圆筒形，并形成至少一个细长的孔，用于接收散射的辐射能量。
12.一种使用如权利要求1所述的烟雾探测器来收集散射的辐射能的方法，它包括下列步骤形成一个散射的容积；至少部分地，沿第一个方向将辐射能导入该容积中；使烟雾进入该容积中；随着烟雾的出现，散射一部分辐射能；通过一个耐腐蚀的收集器，将一部分散射的辐射能，沿着一定的方向，向着检测区域反射，该方向至少部分地是沿着上述的第一个方向延伸的；和检测沿着收集器反射的至少一些辐射能量。
全文摘要
一种耐腐蚀的光电烟雾探测器,它包括一个带有许多烟雾进出口的壳体。该壳体形成一内部烟雾接收区域。该壳体带有一个辐射能源,它可产生横穿该区域投射的一束辐射能。沿着该辐射能束的轴线,放置着一个辐射能收集器。该收集器与一辐射能传感器连接。被上述内部区域中的烟雾散射的辐射能部分地入射至收集器。该收集器通过多次反射,将入射的散射辐射能引导至传感器上。该收集器带有一个耐腐蚀涂层,或由耐腐蚀的反光材料制成。
文档编号G01N21/47GK1191361SQ9810009
公开日1998年8月26日 申请日期1998年2月4日 优先权日1997年2月4日
发明者伯纳德·Y·C·索, 马克·博安农, 爱德华·道斯柯达斯 申请人:彼特威公司