CN100427922C - 一种烟雾浓度探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种烟雾浓度探测装置，属于火灾探测报警技术领域，包括空气过滤器、半导体激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波光阑、探测室、探测室支架、烟雾散射探测器、激光功率探测器、消光机构、反射板、外壳，其中半导体激光器和激光束空间校正透镜通过螺纹连接，半导体激光器通过螺钉固定在探测室支架上，探测室靠近激光束空间校正透镜的一侧嵌入光束空间滤波光阑，探测室另一侧与光束空间滤波光阑对称的位置嵌入消光机构，在消光机构的前面设有反射板，在反射板的主光束入射点的竖直上方设有激光功率探测器，在探测室的上壁嵌入烟雾散射探测器；上述部件整体装配形成后装入外壳中，在外壳的进气口端插入空气过滤器。
Description
技术领域
本发明属于火灾探测报警技术领域，特别涉及一种烟雾浓度探测装置。
背景技术
随着我国经济建设的发展，一些在国民经济和社会生活中起着至关重要作用的特殊场所(如计算中心、图文档案信息中心、邮电通讯枢纽、集成电路生产车间、核电站、大型现代化调度控制中心、智能大厦控制中心、现代医疗机构等)消防安全需求日益迫切。由于其内部各种电气设备高度集中且长期工作运行，从而存在较多的火险隐患，一旦发生火灾，将会给国家造成极大的经济损失，给社会带来重大影响。鉴于这些场所的重要性和特殊性，这些场所的超早期火灾探测报警问题，已成为消防安全的重点之一，引起人们的极大关注。
目前，这些场所广泛应用的普通类型的感烟探测器，由于受探测灵敏度不高等因素的制约，对于火灾的极早期探测能力不足，基本上属于火灾的确认探测，很难起到火灾的预报和火灾预防作用，不能满足对火灾超早期探测报警的要求。为了提高火灾探测器的火灾预报预警能力，国际上发展了吸气型高灵敏度感烟探测技术。目前美国霍尼韦尔公司开发了一种点型高灵敏度感烟探测器，其可以在火灾早期阶段识别出潜在的火情，实现火灾告警，这有助于及时采取措施，防火灾于未然，从而把经济损失减少到最低限度。
与点型高灵敏度感烟探测装置类似，本发明装置也采用烟雾光散射探测原理进行烟雾浓度光电探测。与其不同的是本发明装置采用了半导体激光器，设计了专门的光束空间约束组件、独特的检测室结构和消光装置，使得检测室形成了极暗的背景；设计了不同于其他前向探测装置的散射探测角度，使之对于各种烟雾均敏感；通过独特的高性能光电信号转换电路，实现了高灵敏度烟雾探测；本发明装置还设计了激光器输出功率的检测电路，以监视激光功率的漂移。本装置探测灵敏度极高，能够有效探测到导线包皮热分解挥发的颗粒，并输出足够强的探测信号。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种烟雾浓度探测装置，该装置为提高感烟火灾探测的灵敏度而设计，包括一个空气过滤器、一个半导体激光器、一个激光束空间校正透镜、一组光束空间滤波光阑、一个探测室、一个探测室支架、一个烟雾散射探测器、一个激光功率探测器、一个消光机构、一个反射板、外壳。
其中，探测室支架与探测室固定为一体；半导体激光器和激光束空间校正透镜通过螺纹连接成一体，半导体激光器通过上下左右4个螺钉固定在探测室支架上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调半导体激光器的位置；探测室靠近激光束空间校正透镜的一侧嵌入一组光束空间滤波光阑，该组光束空间滤波光阑共有4个，探测室另一侧与光束空间滤波光阑对称的位置嵌入消光机构，其中半导体激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波光阑和消光机构的中心同时位于光束轴上；在消光机构的前面设有反射板，反射板与探测室的夹角为135°；在反射板的主光束入射点的竖直方向上设有激光功率探测器；在探测室的上壁设有烟雾散射探测器安装孔，孔内嵌入烟雾散射探测器，用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；上述部件整体装配形成后装入外壳中，并用螺钉固定在外壳的底部，在外壳的进气口端插入空气过滤器。
本结构的优越性在于实现了烟雾探测的极暗背景设计，保证了高灵敏度烟雾散射探测对背景的要求；侧向散射的烟雾探测设计使得对各种烟雾探测器具有较为均衡的响应性能；并可有效抗御探测室长期运行时的污染对高灵敏探测的影响，对于通常条件下的灰尘和水雾干扰具有一定的误报免疫力。
本发明装置中，烟雾散射探测器的光电信号由烟雾散射探测电路实施光电流-电压信号转换和放大；激光功率探测器的光电信号由激光功率探测电路实施光电流-电压信号转换和放大；半导体激光器由激光驱动电路实施激光发光/不发光驱动控制和激光恒输出功率反馈控制。
上述电路的具体连接关系如下：
烟雾散射探测电路为：将烟雾散射探测器连接到双运放U2的两个单元的反向输入端6，2；U2的同向输入端5、3连接由电阻R1、开关二极管U1构成的电压基准，U1并联若干滤波电容；在U2的两个单元的反向输入6、2和对应的输出7、1间分别连接一大阻值电流电压转换匹配电阻R2和R3，将烟雾散射探测器的光电流信号转换成电压信号；R2和R3并联一滤波电容；U2的输出7、1分别连接到差分放大器U3的反向输入2和同向输入3中，实施差分运算放大；其反向增益由连接在U3的输出端1、8间的电阻R4和连接在U3的输出端5和电路地的电阻R6来设置，R6并接一电容。U3的输出6通过一RC滤波后向外输出烟雾散射探测信号。本电路的运放的电源输入端均设置了RC滤波。
本电路的优越性在于使用极简单、新颖的设计实现了高信噪比的光电信号转换和信号反放大，该电路具有共模干扰的超强抑制能力和单电源工作，轨至轨输出的特性，在全暗背景照度的情况下电路的失调输出小于10mV，电路的光电流探测能力为2.5pA。
激光功率探测电路为经典电路，顾不详细介绍。
激光驱动电路为：激光器的LD单元和PD单元共阴级内部连接封装在一起，LD阳连接在+5V，LD并接一保护二极管D1，共阴极通过一限流电阻R3接功率驱动三极管N1的集电极，N1发射极接电路地；PD阳极通过一电容接+5V，通过电阻R2和可调电位器VR1接电路地，同时连接到反馈控制三极管P1的基极，VR1可以调节激光功率的输出；P1的集电极接N1的基极；P1的发射极通过电阻R1接+5V。由三极管N2和三极管P2为主的开关控制电路连接外部发光驱动TTL电平信号，控制二极管D2的集电极连接的P1发射极电位，对激光器实施发光与不发光的控制。
本电路的优越性是实现激光器功率输出的设定调节和恒输出光功率控制，通过VR1可以设定激光器的功率输出，通过PD的功率实时检测和电路的反馈控制作用。可以使激光功率在-15℃---+60℃的温度范围内，功率输出控制在3W±0.3W的范围内，极大地改善了激光器的温度特性。同时本电路还实现了激光器发光和不发光的驱动控制。
与普通点型感烟探测器的烟雾监测装置相比，本发明装置提供了极高的探测灵敏度、响应的广谱性、探测室污染和一定的灰尘和水雾干扰误报免疫力。同时，本装置提供了激光器功率漂移的监测能力，使得外部处理部分实施激光功率漂移补偿和对激光器工作状态的故障监视成为可能。
附图说明
图1为探测室的主视图；
图2为探测室的俯视图；
图3为图2的A-A方向剖面图；
图4为本发明装置的剖面图；
图5为激光驱动电路框图；
图6为探测模块的电路框图；
图7为激光驱动电路原理图；
图8为烟雾散射探测电路原理图；
图9为激光功率探测电路原理图；
其中，1空气过滤器，2半导体激光器，3激光束空间校正透镜，4光束空间滤波光阑，5探测室，6探测室支架，7外壳，A烟雾散射探测器，B激光功率探测器，C消光机构，D反射板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明装置的具体实施方式进行详细描述：
如图1-4所示，本发明装置包括一个空气过滤器1、一个半导体激光器2、一个激光束空间校正透镜3、一组光束空间滤波光阑4、一个探测室5、一个探测室支架6、一个烟雾散射探测器A、一个激光功率探测器B、一个消光机构C、一个反射板D、外壳7。
其中，探测室支架6与探测室5固定为一体；半导体激光器2和激光束空间校正透镜3通过螺纹连接成一体，半导体激光器2通过上下左右4个螺钉固定在探测室支架6上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调半导体激光器2的位置；探测室5靠近激光束空间校正透镜3的一侧嵌入一组光束空间滤波光阑4，该组光束空间滤波光阑共有4个，探测室5另一侧与光束空间滤波光阑4对称的位置嵌入消光机构C，其中半导体激光器2、激光束空间校正透镜3、光束空间滤波光阑4和消光机构C的中心同时位于光束轴上；在消光机构C的前面设有反射板D，反射板D与探测室5的夹角为135°；在反射板D的主光束入射点的竖直方向上设有激光功率探测器B；在探测室5的上壁设有烟雾散射探测器安装孔，孔内嵌入烟雾散射探测器A，用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；上述部件整体装配形成后装入外壳7中，并用螺钉固定在外壳7的底部，在外壳7的进气口端插入空气过滤器1。
烟雾散射探测电路如下：
将烟雾散射探测器连接到双运放U2的两个单元的反向输入端6，2；U2的同向输入端5、3连接由电阻R1、开关二极管U1构成的电压基准，U1并联若干滤波电容；在U2的两个单元的反向输入6、2和对应的输出7、1间分别连接一大阻值电流电压转换匹配电阻R2和R3，将烟雾散射探测器的光电流信号转换成电压信号；R2和R3并联一滤波电容；U2的输出7、1分别连接到差分放大器U3的反向输入2和同向输入3中，实施差分运算放大；其反向增益由连接在U3的输出端1、8间的电阻R4和连接在U3的输出端5和电路地的电阻R6来设置，R6并接一电容。U3的输出6通过一RC滤波后向外输出烟雾散射探测信号。本电路的运放的电源输入端均设置了RC滤波。
烟雾探测电路可以按照以下方式实施：烟雾散射探测电路采用P1313作为烟雾散射探测器，一个双运放U2采用LN1138作光电流电压差分转换器，匹配电阻R2、R3采用20M欧的金属膜电阻，分别并联容量为101的瓷片电容；由R1、U1、E1、C1构成电压偏置电路；R1为10K，U1为电压基准LM285-2.5，E1为10uF/10V钽电容、C1为103瓷片电容；由INA115构成及阻值为10K的R4和阻值为200K的R6构成差分解调放大电路；输出的RC参数为1K电阻的R5和容量为224的独石电容，使得信号的输出阻抗为1K欧。每个运放的电源输入端设置了一个电阻和一个电解电容和一个瓷片电容构成的RC滤波器件，电阻值为10欧姆，电解电容可为10uF/10V，瓷片电容容量为103。
激光驱动电路如下：
激光器的LD单元和PD单元共阴级内部连接封装在一起，LD阳极连接在+5V，LD并接一保护二极管D1，共阴极通过一限流电阻R3接功率驱动三极管N1的集电极，N1发射极接电路地；PD阳极通过一电容接+5V，通过电阻R2和可调电位器VR1接电路地，同时连接到反馈控制三极管P1的基极，VR1可以调节激光功率的输出；P1的集电极接N1的基极；P1的发射极通过电阻R1接+5V。由三极管N2和三极管P2为主的开关控制电路连接外部发光驱动TTL电平信号，控制二极管D2的集电极连接的P1发射极电位，对激光器实施发光与不发光的控制。
激光器驱动电路可以按照以下方式实施：激光器为带内部PD的RLD78MPT3，N1为S9014，P1为C9015，N2为C9013，P2为C9012，限流电阻R3为10欧，反馈电阻R2为6.2K、VR1为5K；P1的发射极电阻为15K。其他器件参数可以酌情选取。
本电路如无特殊说明，所有电阻R均为精度为1/100的金属膜电阻。
本发明装置的工作过程为，本装置通过外部抽气装置使气样通过空气过滤器1，进入探测室5；在激光驱动电路的驱动下，半导体激光器2发出激光，激光束通过激光束空间校正透镜3后，穿过光束空间滤波光阑4进入探测室5，照到气样上发生光散射；散射光被安装在探测室侧壁的烟雾散射探测器A接收；主光束穿过消光机构后穿出光束空间滤波光阑4被反射板D反射到激光功率探测器B接收；烟雾散射探测电路和激光功率探测电路分别输出烟雾探测信号和激光功率监测信号，该输出信号提供给外部设备进行信号处理。
Claims (4)
1、一种烟雾浓度探测装置，包括一个空气过滤器、一个半导体激光器、一个激光束空间校正透镜、一组光束空间滤波光阑、一个探测室、一个探测室支架、一个烟雾散射探测器、个激光功率探测器、一个消光机构、一个反射板、外壳，其特征在于本装置中探测室支架与探测室固定为一体；半导体激光器和激光束空间校正透镜通过螺纹连接成一体，半导体激光器通过上下左右4个螺钉固定在探测室支架上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调半导体激光器的位置；探测室靠近激光束空间校正透镜的一侧嵌入一组光束空间滤波光阑，探测室另一侧与光束空间滤波光阑对称的位置嵌入消光机构，其中半导体激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波光阑和消光机构的中心同时位于光束轴上；在消光机构的前面设有反射板，反射板与探测室的夹角为135°；在反射板的主光束入射点的竖直方向上设有激光功率探测器；在探测室的上壁设有烟雾散射探测器安装孔，孔内嵌入烟雾散射探测器，用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；上述部件整体装配形成后装入外壳中，并用螺钉固定在外壳的底部，在外壳的进气口端插入空气过滤器；
上述装置中烟雾散射探测器的光电信号由烟雾散射探测电路实施光电流-电压信号转换和放大；激光功率探测器的光电信号由激光功率探测电路实施光电流-电压信号转换和放大；半导体激光器由激光驱动电路实施激光发光/不发光驱动控制和激光恒输出功率反馈控制。
2、根据权利要求1所述的一种烟雾浓度探测装置，其特征在于所述一组光束空间滤波光阑包括4个光束空间滤波光阑。
3、根据权利要求1所述的一种烟雾浓度探测装置，其特征在于所述烟雾散射探测电路为：将烟雾散射探测器连接到双运放U2的两个单元的反向输入端6，2；U2的同向输入端5、3连接由电阻R1、开关二极管U1构成的电压基准，U1并联若干滤波电容；在U2的两个单元的反向输入6、2和对应的输出7、1间分别连接一大阻值电流电压转换匹配电阻R2和R3，将烟雾散射探测器的光电流信号转换成电压信号；R2和R3并联一滤波电容；U2的输出7、1分别连接到差分放大器U3的反向输入2和同向输入3中，实施差分运算放大；其反向增益由连接在U3的输出端1、8间的电阻R4和连接在U3的输出端5和电路地的电阻R6来设置，R6并接一电容；U3的输出6通过一RC滤波后向外输出烟雾散射探测信号；本电路的运放的电源输入端均设置了RC滤波。
4、根据权利要求1所述的一种烟雾浓度探测装置，其特征在于所述激光驱动电路为：激光器的LD单元和PD单元共阴级内部连接封装在一起，LD阳极连接在+5V，LD并接一保护二极管D1，共阴极通过一限流电阻R3接功率驱动三极管N1的集电极，N1发射极接电路地；PD阳极通过一电容接+5V，通过电阻R2和可调电位器VR1接电路地，同时连接到反馈控制三极管P1的基极，VR1可以调节激光功率的输出；P1的集电极接N1的基极；三极管P1的发射极通过电阻R1接+5V；由三极管N2和三极管P2为主的开关控制电路连接外部发光驱动TTL电平信号，控制二极管D2的集电极连接的P1发射极电位，对激光器实施发光与不发光的控制。
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