CN102044126A

CN102044126A - 光纤火焰探测器

Info

Publication number: CN102044126A
Application number: CN2009102017082A
Authority: CN
Inventors: 叶建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-04

Abstract

本发明公开了一种光纤火焰探测器，包括：光纤火焰光探头；多通道的光纤信号处理器；一段或多段连接上述光纤火焰光探头和光纤信号处理器的传输光纤；所述的光纤火焰光探头包括：带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座；将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件；实现光纤火焰光探头级联的含滤波器件的上路光纤光路；位于探头外壳的两处光纤接口，光纤接口为尾纤或者法兰，且具有输入/输出方向性；所述的光纤信号处理器包括：将光纤信号处理器与传输光纤相连接的多通道光纤接口模块；光电转换模块的光检测模块；采集和处理信号的信号采集和处理模块；以及输出报警信号的模块。本发明大大增加单只光纤火焰探测器的探测点数，从而获得高的性价比。

Description

光纤火焰探测器

技术领域

本发明涉及光纤传感及火灾探测和报警领域，特别涉及一种光纤火焰探测器。

背景技术

在火灾探测和报警领域，通过对火焰特征和的探测来鉴别火灾的发生，从而及时地报警，是一种有效的方式。基于这一方式开发的火焰探测器已广泛地应用于各种工业和民用场合，目前，火焰探测器都是通过现场探测器本地光电转换，进行火灾判断，继而由电缆将信号传至火灾报警控制器，实现消防联动，控制消防设备。上述方式不可避免地易于受到雷电及各种干扰。尽管已有多个美国专利提出了光纤火焰探测器，如美国专利：4701624，463788，5051590，6135760，6071114，61115111等，在抗干扰方面，有着明显优点，但相应的产品却鲜见应用。其主要原因则是性价比低，单只探测点数少，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤火焰探测器，能够大大增加光纤火焰探测器探测点数，从而获得较高的性价比。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤火焰探测器，包括：光纤火焰光探头，用于将火焰光收集进光纤，其能够进行波长编码；多通道的光纤信号处理器，其分析处理光特征，并给出火焰报警信号；一段或多段连接上述光纤火焰光探头和光纤信号处理器的传输光纤，将火焰光信号传输至远端的光纤信号处理器，其特征在于，所述的光纤火焰光探头包括：带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座；将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件；实现光纤火焰光探头级联的含滤波器件的上路光纤光路；位于探头外壳的两处光纤接口，光纤接口为尾纤或者法兰，且具有输入/输出方向性；所述的光纤信号处理器包括：将光纤信号处理器与传输光纤相连接的多通道光纤接口模块；光电转换模块的光检测模块；采集和处理信号的信号采集和处理模块；以及输出报警信号的模块。

本发明的有益效果在于：能够大大增加光纤火焰探测器探测点数，进而获得较高的性价比。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1、图2、图3为本发明几种光纤火焰探测器结构示意图；

图4、图5、图6为火焰光聚入光纤的几种方式的结构示意图；

图7为图2结构的另一种方式示意图；

图8为图3结构的另一种方式示意图；

图9为三个火焰光探头级联示意图；

图10为多通道光纤信号处理器方案示意图；

图11为基于波长可调谐滤波器的检测方案示意图；

图12为基于光谱仪或多波长计检测方案示意；

图13为基于平面波导AWG检测方案示意图。

图中附图标记为：

1为光纤信号处理器，2为传输光纤，3为带安装底座和透光保护窗(图中未标出)的火焰光探头外壳，4为光纤耦合器，5为将火焰光聚焦进光纤6的聚焦透镜或组件，×为光纤熔接点或尾纤或光纤连接法兰处。

具体实施方式

如图1所示，本发明的光纤火焰探测器，包括用于将火焰光收集进光纤的光纤火焰光探头，该火焰光探头设置在一个火焰光探头外壳3内部，并且该火焰光探头外壳3带有安装底座和透光保护窗(图中未显示)，外壳上的透光保护窗为聚焦透镜，或者外壳上的透光保护窗也可以没有聚焦功能。火焰光探头还包括位于探头外壳的两处光纤接口，这两处光纤接口可以是尾纤或法兰，且具有输入/输出方向性。

还包括光纤信号处理器1，一段或多段传输光纤2，传输光纤2将光纤信号处理器1与光纤火焰光探头相连接。当光纤火焰光探头探测到火焰光，所探测到的火焰光通过传输光纤2传输，将光信号传输至远端的光纤信号处理器1，光纤信号处理器1对该光信号进行处理和分析，并判断是否要发出报警。通常，连接光纤火焰光探头和光纤信号处理器1的传输光纤2的一段至少长50m，或者数段传输光纤累计长至少50m。并且传输光纤两端的光纤火焰光探头和光纤信号处理器1分别安装于现场和监控室，这样在现场检测到火焰光的光纤火焰光探头能通过传输光纤2将光信号传递到位于监控室的光纤信号处理器1，便于用户在监控室监控的情形。此外，亦可将传输光纤两端的光纤火焰光探头和光纤信号处理器1都安装于现场，通过无线或有线通讯方式将信号传送至监控室。

在本发明中，光纤信号处理器包括光检测模块，以及多通道光纤接口模块，使得光纤信号处理器至少包括两个通道。当多通道光纤接口模块将进入光纤信号处理器的光进行光层面的处理，再由光检测模块将光信号转化为电信号，最后再传输到数据采集和处理模块对经过转换之后的电信号进行采集和处理。数据采集和处理模块探测出各通道上每个火焰光探头的波长或光功率或其组合，由不同波长所构成的波长编码解码方式和不同的处理器通道，可判断出探头所处的位置。再由火焰光探头的功率和闪动频率以及功率谱密度和几率密度函数的参数组合来设定火灾报警的阈值条件。当探头信号满足上述的阈值条件，即发出声、光、电报警信号。

如图10所示，光纤信号处理器除了包括光检测模块，以及多通道光纤接口模块和信号采集和处理模块，还可以在火焰光探头的通道和光检测模块之间包括波长可调滤波器、光谱仪、多波长计、AWG滤波器。还可以包括M×N耦合器、或者M×N光开关或组件构成多通道的功能。并且所述的光纤接口模块可以为光电转换模块上的光纤法兰接口或者是带光纤法兰接口的M×N耦合器、M×N光开关或组件。

火焰光探头通常包括：带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座3，将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件5，由上/下路(ADD/DROP)光纤滤波器组成的，或者由其它光学滤波器、光纤滤波器之一与光纤耦合器或者光纤环行器之一组合而成的上路光纤光路。所述的光纤滤波器或光学滤波器件是粘接或固定于聚焦透镜或组件前面、中间、后面的滤光片，或是镀制在火焰光探头光路中任意光学端面的光学滤光薄膜；或者所述的光纤滤波器或光学滤波器件是布拉格光纤光栅、或为阵列波导光栅，或是单独的光纤滤波器件；或者所述的光纤滤波器或光学滤波器件为薄膜滤光片型的、光纤拉锥型的、平面波导型的。并且光纤滤波器或光学滤波器件带宽范围从0.1nm到5000nm。在本发明中，该上路光纤光路能够实现光纤火焰光探头级联。

上述传输光纤2和上路光纤光路中的光纤6可以是单模光纤或多模光纤或大孔径光纤，并且其所用的材料可以石英的或多组分的或硅的或塑料的光纤。

在火焰光探头中，所述的聚焦透镜或组件5为自聚焦透镜(GRINLENS)或C透镜(C-LENS)或普通光学球面或非球面透镜，或是在光纤端面磨制或烧制或刻蚀制成的光纤透镜，或是上述透镜的组合。

在本发明中，还可以在光纤火焰光探头外壳或安装底座上或光纤信号处理器上，设有LED灯或能够显示工作和报警状态的显示灯及供电和信号线接口。

信号处理器1通常包括将光纤信号处理器与传输光纤相连接的光纤接口模块；将光信号转化为电信号的光电转换模块；数据采集和处理模块；以及输出报警信号的模块。从传输光纤2传输过来的信号首先通过与传输光纤相连接的光纤接口模块接收，后通过光电转换模块将光信号转换为电信号，然后由数据采集和信号处理模块进行处理，判断是否要进行报警，如果要进行报警则由输出报警信号的模块输出报警信号。

在图1中，火焰发出的光经过聚焦透镜或者透镜组件5会聚到光纤6中，聚焦透镜或者透镜组件5中的滤波器过滤火焰光，使得有特征信息的光会聚到光纤6进入到光纤耦合器4中，光纤耦合器一端通过光纤2传输到光纤信号处理器1，光纤信号处理器1将传输到的光信号分析处理光特征，给出火焰报警，若没有火焰发生，光处理器得不到光信号，不会给出报警信号。

本发明上路光纤光路能够实现光纤火焰光探头级联，如图9所示，包括光纤信号处理器1、三个不同波长或波段的火焰光探头、三个带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座，分别为带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座3-1、带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座3-2、带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座3-3。三段传输光纤2-1、2-2、2-3，其中传输光纤2-1连接光纤信号处理器与光纤火焰光探头外壳和安装底座3-1，传输光纤2-2连接光纤火焰光探头外壳和安装底座3-1与光纤火焰光探头外壳和安装底座3-2，传输光纤2-3连接光纤火焰光探头外壳和安装底座3-2与光纤火焰光探头外壳和安装底座3-3。

在图9中，光纤信号处理器1通过传输光纤2-1与第一级火焰光探头的外壳和安装底座3-1相连接，第一级火焰光探头中包括将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件5-1、在5-1端面镀制的窄带光学薄膜构成的光学滤波器、组件尾纤6-1，光纤耦合器4-1；上述器件组成第一级火焰光探头上路光纤光路。

第一级火焰光探头的外壳和安装底座3-1通过传输光纤2-2与第二级火焰光探头的外壳和安装底座3-2相连接，第二级火焰光探头中包括将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件5-2、在5-2端面镀制的窄带光学薄膜构成的光学滤波器、组件尾纤6-2，光纤耦合器4-2；上述器件组成第二级火焰光探头上路光纤光路。

第二级火焰光探头的外壳和安装底座3-2通过传输光纤2-3与第三级火焰光探头的外壳和安装底座3-3相连接，第三级火焰光探头中包括将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件5-3、在5-3端面镀制的窄带光学薄膜构成的光学滤波器、组件尾纤6-3，光纤耦合器4-3；上述器件组成第一级火焰光探头上路光纤光路。

在图9中，每个聚焦透镜或者透镜组件5-1、5-2和5-3的光波长或光波段都不相同，它们分别接受的波长范围不相互重合，是从紫外到中、远红外的光谱中的三个波长或波段。不同级的火焰光探头可以探测不同波段范围的火焰光，并通过上路光纤光路、光耦合器和传输光纤，最终传输到光纤信号处理器1中。这样，当光纤信号处理器1判断所得到的火焰光波长来自某个特定的聚焦透镜或者透镜组件的波长范围内，则能够根据该聚焦透镜或者透镜组件的位置判断火灾发生的位置。通过本发明的火焰光探头级联，不仅可以判断出是否发生火灾，而且能准确的预报火灾发生的位置。此外，有效增加了火焰探测器的探测点数。以上举例仅为三个探头级联，更多探头的级联是可能的。

进一步，在本发明中，所述光纤火焰光探头可以在同一个光纤火焰光探头外壳和安装底座中，采取两种设计方式。一种方式是：设计两个以上透光保护窗和相应的两个以上彼此光路分离的或级联的光纤火焰光探头光路；另一种方式是在同一个透光保护窗内，设计相应的两个以上彼此光路分离的或级联的光纤火焰光探头光路，从而实现宽视角的火焰光探测。

如图2所示，包括光纤信号处理器1，传输光纤2连接光纤信号处理器1和火焰光探头，火焰光探头包括火焰光探头的外壳和安装底座，包括带有滤光器或者滤光片或薄膜的将火焰光聚焦进光纤6的聚焦透镜或者透镜组，火焰发出的光经过聚焦透镜或者透镜组件5会聚到光纤6中，聚焦透镜或者透镜组件5过滤火焰光，使得有特征信息的光会聚到光纤6，光纤6中可能设有光纤熔点或光纤连接法兰从耦合器的另一端入射，经布拉格光纤光栅(FBG)7反射回耦合器，再经过传输光纤2将光信号传递到光纤信号处理器1。信号处理器得到光纤光栅信息，给出火焰报警。光纤光栅7波长的不同，给出了不同位置的编码。

如图7所示，图7的结构与图2类似，区别在于图2中的光耦合器由图7中的光环行器4代替。火焰发出的光经过聚焦透镜或者透镜组件5会聚到光纤6中，聚焦透镜或者透镜组件5过滤火焰光，使得有特征信息的光会聚到光纤6，光纤6中可能设有光纤熔点或光纤连接法兰，进入光纤6的光通过光环行器4再经过反射型滤波器，即布拉格光纤光栅(FBG)反射，再经过传输光纤2将光信号传递到光纤信号处理器1。

在图2和图7的实施例中，布拉格光纤光栅反射型滤波器7也可由单独的其他反射型光纤滤波器替代，如薄膜型滤波器、平面波导型滤波器代替，也可为不同波长级联的布拉格光纤光栅或上述其他反射型光纤滤波器级联，形成双波长或多波长火焰光探头。

如图3所示，图3中的4为宽带光直通的上下路波分复用(Add/drop)光纤滤波器，火焰发出的光经过聚焦透镜或者透镜组件5会聚到光纤6中，聚焦透镜或者透镜组件5过滤火焰光，使得有特征信息的光会聚到光纤6，光纤6中可能设有光纤熔点或光纤连接法兰，带有特征信息的光入射到宽带光直通的上下路波分复用(Add/drop)光纤滤波器，使得窄带光沿传输光纤2传输到信号处理器1，其他光线透射，光纤信号处理器1接受到窄带光进行处理。

图8是图3的另一种形式，如图8所示，4改为窄带光直通的上下路波分复用(Add/drop)光纤滤波器。火焰发出的光经过聚焦透镜或者透镜组件5会聚到光纤6中，聚焦透镜或者透镜组件5过滤火焰光，使得有特征信息的光会聚到光纤6，光纤6中可能设有光纤熔点或光纤连接法兰，带有特征信息的光入射到窄带光直通的上下路波分复用(Add/drop)光纤滤波器4，使得窄带光透过滤波器4沿传输光纤2，其他光线反射，光纤信号处理器1接受到窄带光进行处理，在图8中箭头为窄带火焰光传输。

在图3和图8中，Add/drop型光纤滤波器可以是薄膜型的或是平面波导型的或是光纤拉锥型的或是布拉格光纤光栅。

图4、图5、图6是聚焦透镜或者透镜组件5的具体结构示意图。如图4所示，组件5中包括聚焦透镜组件和滤光片，其中5-1、5-3为准直聚焦透镜对，5-2为滤光片。光纤6将光信号首先传输到5-1中，滤光片贴着透镜5-1的表面，滤光片5-2与透镜5-3之间有一定的距离。图4结构也可以采用简化结构方式，如采用单个透镜，在其任一表面或部分或所有光轴表面或光纤6端面或外壳的透光保护窗玻璃表面镀滤光薄膜。

图5、6为图4结构的复杂形式。如图5所示，组件5中包括聚焦透镜组件和滤光片，其中5-0、5-1、5-3为准直聚焦透镜对，5-2为滤光片。5-0为带尾纤6的斜8°玻璃管光纤头，5-1为带斜8°自聚焦透镜。5-2滤光片贴合透镜5-1没有斜角的表面。

如图6所示，此实施例没有采用滤光片，而是利用了光纤滤波器，光通过光纤6’传输到光纤滤波器5’，在经过光纤6传输到聚焦透镜或者聚焦透镜组5，将聚焦透镜5和光纤滤波器5’分离开来。

上述各种方案中，每个火焰光探头皆可以通过连接法兰或熔接点与另一个不同波长的火焰光探头级联。如图9所示，图9体现的是图1方案的三个火焰光探头级联情形，λ1、λ2、λ3分别代表不同的滤波波长，箭头为火焰光传输方向在说明书中已经做过详细的说明。至于更多的级联及其他方案级联的情形也和图9中的情形类似。

上述各方案也可组合级联形成一个优化的方案，如成本较低的或光损耗较小的等。火焰光探头外壳上亦可加上报警确认灯或在光纤信号处理器上加报警确认灯。也可在同一个外壳和底座中，设计制作2个以上火焰光探头光路，形成双波长或多波长探头，以取得更为丰富的探测信息，便于获得更为可靠的报警参数设置。光纤信号处理器也可以是多通道的，从而形成多通道、多级联的探测网络。

如图10所示，其为一种多通道光纤信号处理器方案示意图。火焰光探头光纤尾纤通过连接器或熔点直接与光电转换模块中和光纤接口模块相连接。不同通道火焰光探头的波长可以是相同的，亦可以是部分相同的或全同的。

如图11所示，体现基于波长可调谐滤波器的光纤信号处理器方案。一方面，通过波长可调谐滤波器将来自各通道的火焰光探头的波长区分开来；另一方面，通过光纤耦合器或光开关或其组件或上述两者的组合，将不同通道的火焰光探头区分开来；由此实现火焰光探头空间/波长的编码和解码，从而获得火焰光探头位置信息。

如图12所示，体现一种基于光谱仪或多波长计的光纤信号处理器方案。来自各通道的火焰光探头经过不同的通道，通过1×N光开关，将不同通道的火焰光探头区分开来，再经过光纤CCD阵列光谱仪或体光栅光谱仪或者多波长计检测光谱特征，最后到达信号采集和处理及报警输出模块。

如图13所示，体现一种基于平面波导AWG的光纤信号处理器方案。来自各通道的火焰光探头经过不同的通道，通过1×N光开关，将不同通道的火焰光探头区分开来，再通过1×N AWG滤波器，由于1×N AWG滤波器将一路复合的多波长光分解出N路各自波长互不干扰和重叠的光，因此分解出N路不通的波长光，再经过光电转换模块将光信号转化为电信号，最后到达信号采集和处理及报警输出模块。

以上多通道光纤信号处理器每个通道所连接的火焰光探头都可以级联，从而构成多通道、多级联的探测网络。

本发明一方面，通过光学、光纤聚焦元器件，将火焰光信号聚焦进光纤，再通过光纤将信号传输至信号处理器，从而可在远端对信号进行光电转换和信号处理，这一方式为现场无电探测，且信号通过光纤传输，免电磁干扰，且本征防爆。此外，本发明可以运用传统火焰探测器的双波长或多波长技术以及功率谱密度和几率密度函数技术，获得优良的性能。另一方面，通过有效的光路设计和波长编码技术，实现光纤火焰探头间的级联，借助光纤信号处理器的多通道、多波段的处理能力，易于构建中大规模的光纤火焰探测器阵列，从而使的单只光纤火焰探测器测点数大大增加，进而获得较高的性价比。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims

1.一种光纤火焰探测器，包括：

光纤火焰光探头，用于将火焰光收集进光纤，其能够进行波长编码；

多通道的光纤信号处理器，其分析处理光特征，并给出火焰报警信号；

一段或多段连接上述光纤火焰光探头和光纤信号处理器的传输光纤，将火焰光信号传输至远端的光纤信号处理器，其特征在于，

所述的光纤火焰光探头包括：带透光保护窗的光纤火焰光探头外壳和安装底座；将火焰光聚焦进光纤的聚焦透镜或组件；实现光纤火焰光探头级联的含滤波器件的上路光纤光路；位于探头外壳的两处光纤接口，光纤接口为尾纤或者法兰，且具有输入/输出方向性；

所述的光纤信号处理器包括：将光纤信号处理器与传输光纤相连接的多通道光纤接口模块；光电转换模块的光检测模块；采集和处理信号的信号采集和处理模块；以及输出报警信号的模块。

2.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，所述光纤火焰光探头的级联是通过采用含有不同波长的滤波器件的上路光纤光路及相互连接来实现的；所述的上路光纤光路是由上/下路光纤滤波器组成的；或者由其它光学滤波器、光纤滤波器之一与光纤耦合器或者光纤环行器之一组合而成。

3.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，所述的聚焦透镜或组件为自聚焦透镜或C透镜或普通光学球面或非球面透镜，或是在光纤端面磨制或烧制或刻蚀制成的光纤透镜，或是上述透镜的组合。

4.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，所包含的光检测模块包括波长可调滤波器、光谱仪、多波长计、AWG滤波器，所述的多通道光纤接口模块为M×N耦合器、M×N光开关或组件，并且所述的多通道光纤接口模块为光检测模块上的光纤法兰接口或者是带光纤法兰接口的M×N耦合器、M×N光开关或组件。

5.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，光纤火焰光探头外壳或安装底座上或光纤信号处理器上，设有LED灯或能够显示工作和报警状态的显示灯及供电和信号线接口。

6.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，连接光纤火焰光探头和光纤信号处理器的传输光纤一段至少长50m或数段累计长50m，且传输光纤两端的光纤火焰光探头和光纤信号处理器分别安装于现场和监控室或者都安装于现场，通过无线或有线通讯方式将信号传送至监控室。

7.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，传输光纤和上路光纤种类是单模光纤或多模光纤或大孔径光纤，传输光纤和上路光纤材料为石英的或多组分的或硅的或塑料的光纤。

8.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，光纤火焰光探头的火焰光探测范围为从紫外到中、远红外光谱中的一段或若干段。

9.根据权利要求1所述的光纤火焰探测器，其特征在于，在同一个光纤火焰光探头外壳和安装底座中，可以设置两个以上透光保护窗和相应的两个以上彼此光路分离的或级联的光纤火焰光探头光路；

或者是，在同一个透光保护窗内，设置相应的两个以上彼此光路分离的或级联的光纤火焰光探头光路。

10.根据权利要求2所述的光纤火焰探测器，其特征在于，所述光纤滤波器或光学滤波器件是粘接或固定于聚焦透镜或组件前面、中间、后面的滤光片，或是镀制在火焰光探头光路中光学端面的光学滤光薄膜；或者所述的光纤滤波器或光学滤波器件是布拉格光纤光栅、或为阵列波导光栅，或是单独的光纤滤波器件；或者所述的光纤滤波器或光学滤波器件为薄膜滤光片型的、光纤拉锥型的、平面波导型的，且所述的光纤滤波器或光学滤波器件带宽范围从0.1nm到5000nm。