CN102426753B - 红外多参数火气探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外多参数火气探测器，包括壳体和于其内部空腔中安装的光学窗口组件、探测器元件阵列、火灾警报指示灯和主控电路板，探测器元件阵列为复合式火灾探测器，光学窗口组件包括光学透镜及其紧固定位组件，紧固定位组件使光学透镜实现弹性软接触紧固定位；探测器元件阵列至少包括中心波长为3.8um、4.3um、5.0um的三只热释电探测器。利用多个不同波段的热释电探测器探测火焰及其环境背景信号，结合智能红外CO/CO2气体探测器采集的信号，还可辅以硫化铅温度探测的信号，进行多传感器信息融合，更好地达到提早报警，降低误报的目的。本发明火气探测器结构紧凑，体积小，整体设计符合国家标准防爆要求，可靠性高，不受太阳光及可见光的影响，对火灾早期探测也有较高的灵敏度。

Description

红外多参数火气探测器

技术领域

本发明涉及一种火灾探测工具，特别是一种复合参数火灾探测器，可用于多种火灾场合各种火情的及时、准确探测。

背景技术

相对室内火灾，野外火灾有其独特的特点：

1）受空间限制小，燃烧时处于完全敞露状态，供氧充分，空气对流快，火势蔓延速度快，燃烧面积大；

2）当气温越高，可燃物的温度随之升高，与着火点的温差就越小，更容易被引燃，造成火势发展迅猛；

3）火势多变，经常出现不规则燃烧，火势较难控制，用水量大，扑救难度高，而且往往形成立体、多层次燃烧，火灾危害和损失更为严重。

鉴于野外火灾的上述特点，在设计野外火灾探测系统时要基于早发现、早扑救的原则，从而更加有效的防治火灾，另外由于野外环境恶劣，各种干扰繁多，因此还要尽量提高系统的抗干扰能力。现有的野外火灾探测器包括单一参数火灾探测器和复合参数火灾探测器。

单一参数火灾探测器对火灾特征信号响应灵敏度的不均匀性，导致它对实际火灾的探测能力受到了限制。人们要根据不同的使用场所以及该场所可能会发生的火灾类型来合理地选择火灾探测器的种类。如果选择不当，就易造成误报或漏报。加之现实中的火灾多种多样，又具有较大的偶然性和不稳定性，使早期阶段的火灾现象和虚假火灾现象常常混杂在一起很难及时做出准确的判断，火警误报时有发生。

复合参数火灾探测器采用多参数复合探测方法，采用多参数复合探测方法的目的是使探测器能够探测火灾的多种参数，克服测量单一参量可能导致的误报。多参量的复合火灾探测是采用多元同步探测，并及时进行综合智能信号处理，使两种或两种以上不同类型探测器元件的功能协调地复合在一个探测器中。因此，多参量的复合火灾探测不仅可以克服单一火灾参量造成的误报，还可以识别由于非火灾信号导致的误报，是未来火灾探测技术的研究热点。

火灾的气体产物可作为火灾探测的主要特征之一，将气体探测引入到复合火灾探测技术中，更适合火灾的早期报警，且在抗干扰方面更具有优势。目前，德国研究成功了利用光电感烟、离子感烟、感温和CO探测四种功能进行复合探测的气体火灾探测器，我国在这方面的研究是以2～3个参量的复合技术为主，如感烟、感温二元复合的烟温复合式火灾探测器，红外光束线型烟温火灾探测器，光电、离子感烟复合探测器以及感温、感烟、CO三元复合火灾探测器等。但是这些探测方式均以火灾产生的附属产物作为探测对象，不仅会产生误报，而且会有较大的延时。

人们一直致力于研究一种多元复合探测技术来及时、准确的预报火情，从而实现防灾减灾，但现今应用的复合参数火灾探测器的及时、准确探测效果依然不够理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外多参数火气探测器，针对现有火灾探测器的不足，利用多个不同波段的热释电探测器探测火焰及其环境背景信号，结合智能红外CO/CO2气体探测器采集的信号，还可辅以硫化铅温度探测器的信号，进行多传感器信息融合，引入多种模式识别算法进行识别分析，能更好地达到提早报警，降低误报的目的。本发明中的电路采用自适应增益可调放大电路，可减少因信号饱和带来的误报警，且设计新颖，结构紧凑，体积小，可靠性高，不受太阳光及可见光的影响，对火灾早期探测也有较高的灵敏度。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种红外多参数火气探测器，包括壳体和于其内部空腔中安装的光学窗口组件、探测器元件阵列、火灾警报指示灯和主控电路板，探测器元件阵列为复合式火灾探测器，主控电路板包括信号板和电源板，信号板包括处理器和处理器外围电路，探测器元件阵列的信号输出端通过放大和模数转换模块与处理器外围电路的信号输入端信号连接，处理器外围电路的信号输出端与火灾警报指示灯的信号输入端信号连接，电源板控制向处理器、探测器元件阵列和火灾警报指示灯供电。壳体由壳体上盖、壳体底座以及其间的壳间垫圈三部分密封连接而成，与光学窗口组件对应的窗口开设于壳体上盖上；光学窗口组件包括蓝宝石光学透镜及其紧固定位组件，紧固定位组件包括窗口垫圈和透镜压紧件，窗口垫圈设置于壳体上盖和光学透镜之间，透镜压紧件设置于壳体底座和光学透镜之间，透镜压紧件通过调整行程并压紧光学透镜，使光学透镜实现弹性软接触紧固定位；探测器元件阵列至少包括中心波长为3.8um、4.3um、5.0um的三只热释电探测器，其中4.3um波段的热释电探测器探测火焰特征信息，3.8um与5.0um波段的热释电探测器探测背景辐射信息，处理器通过对探测器元件阵列采集的辐射强度信息进行分析后，通过处理器外围电路的信号输出端口向火灾警报指示灯发送指令信号。

作为本发明的改进，上述壳体上还设有智能红外CO/CO2气体探测器专用标准螺纹口，将智能红外CO/CO2气体探测器的固定连接端旋入螺纹口中，使智能红外CO/CO2气体探测器的信号输出端与处理器外围电路的信号输入端信号连接，智能红外CO/CO2气体探测器探测火灾燃烧时产生的CO/CO2气体浓度也为火焰探测排除干扰提供辅助判断信息；火灾警报指示灯为三色指示灯，无火情状态下显示绿灯，在智能红外CO/CO2气体探测器探测到CO浓度达到警示值时预警闪烁黄灯， 在探测器元件阵列探测的现场信息达到火灾报警条件时闪烁红灯。

作为本发明的进一步改进，上述探测器元件阵列还包括一只中心波长为2.7um的硫化铅温度探测器，探测视场内目标物的温度和火焰第二强度的辐射信息，为火灾探测排除干扰提供辅助判断信息。

作为本发明的再进一步改进，在上述探测器元件阵列的信号输出端与处理器外围电路的信号输入端之间增设程控增益放大器，程控增益放大器具有可调增益带通滤波器放大电路，通过信号放大倍数的调整控制来减少因信号饱和带来的火情误判。

作为本发明的又一种改进，光学透镜采用蓝宝石晶体材料。

光学透镜的厚度优选为4mm。

上述光学透镜的外围最好套有透镜保护套，光学透镜和窗口垫圈之间还优选设有透镜弹性固定件，光学透镜和透镜压紧件之间还优选设有透镜垫片。

上述主控电路板上优选设有RS232、RS485和I2C通讯接口中的任何一种接口或任意几种接口。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明用多个不同波段的探测器元件阵列探测火焰信号，结合智能红外CO/CO2气体探测器采集的信号并采用多种模式识别算法进行多种传感器信息融合识别分析，从而给出火灾信息的准确判断，可靠性高，能更好地达到提早报警，降低误报的目的。

2. 本发明中的电路采用自适应增益可调放大电路，可减少因探测器输出信号饱和带来的误报警。

3. 本发明采用多传感器信息融合技术，对是否发生火灾进行判断，引入多种模式识别算法：阈值法、相关算法、功率谱分析法，可进一步增加火气探测器多信息及预知功能。

4. 本发明火气探测器的功能器件结构紧凑，体积小，智能化程度高，可靠性高，整体设计符合国家标准防爆要求，对复杂火情和野外、作业场、建筑物等各类火场的探测适应能力强，易于操作和使用，综合火灾探测效果非常理想。

附图说明

图1是本发明实施例一的火气探测器的分解结构示意图。

图2是本发明实施例三的火气探测器的电路结构示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1，一种红外多参数火气探测器，包括壳体和于其内部空腔中安装的光学窗口组件、探测器元件阵列12、火灾警报指示灯9和主控电路板10，探测器元件阵列12为复合式火灾探测器，主控电路板10包括信号板和电源板，信号板包括处理器和处理器外围电路，探测器元件阵列12的信号输出端通过放大和模数转换模块与处理器外围电路的信号输入端信号连接，处理器外围电路的信号输出端与火灾警报指示灯9的信号输入端信号连接，电源板控制向处理器、探测器元件阵列12和火灾警报指示灯9供电。壳体由壳体上盖1、壳体底座11以及其间的壳间垫圈3三部分密封连接而成，与光学窗口组件对应的窗口开设于壳体上盖1上；光学窗口组件包括光学透镜6及其紧固定位组件，紧固定位组件包括窗口垫圈2和透镜压紧件8，窗口垫圈2设置于壳体上盖1和光学透镜6之间，透镜压紧件8设置于壳体底座11和光学透镜6之间，透镜压紧件8通过调整行程并压紧光学透镜6，使光学透镜6实现弹性软接触紧固定位；探测器元件阵列12至少包括中心波长为3.8um、4.3um、5.0um的三只热释电探测器，其中4.3um波段的热释电探测器探测火焰特征信息，3.8um与5.0um波段的热释电探测器探测背景辐射信息，处理器通过对探测器元件阵列12采集的辐射强度信息进行分析后，通过处理器外围电路的信号输出端口向火灾警报指示灯9发送指令信号。在CO2峰值辐射波段4.3μm两侧各选择了一个参比波段: 3.8μm与5.0μm，由于任意一个红外辐射源在这三个波段都有其独特的光谱特征,因此比较这三个波段辐射强度之间的数学关系,就可将火焰和其他红外辐射源区别开来。在本实施例中，4.3um波段的热释电探测器为火焰最强辐射监测通道，用于获取火焰特征信息，3.8um与5.0um波段的热释电探测器为背景辐射监测通道，用于获取背景辐射信息。

参见图1，在本实施例中，上述壳体上还设有智能红外CO/CO2气体探测器专用标准螺纹口13，将智能红外CO/CO2气体探测器的固定连接端旋入螺纹口13中，使智能红外CO/CO2气体探测器的信号输出端与处理器外围电路的信号输入端信号连接，智能红外CO/CO2气体探测器探测火灾燃烧时产生的CO/CO2气体浓度也为火焰探测排除干扰提供辅助判断信息；火灾警报指示灯9为三色指示灯，无火情状态下显示绿灯，在智能红外CO/CO2气体探测器探测到CO浓度达到警示值时预警闪烁黄灯， 在探测器元件阵列12探测的现场信息达到火灾报警条件时闪烁红灯。智能红外CO/CO2气体传感器把火焰燃烧产生的大量CO2作为判断信息之一，一旦有火焰，那么探测器周围15米范围内CO2气体浓度会骤然增加，远远高于常态数值，这些信息作为辅助判断信息，增加火焰探测器的可靠性，减少火灾的误报警和漏报警。此外，智能红外CO/CO2气体传感器还可以探测火灾早期的一些特征，即探测在燃烧初期阴燃阶段由于不完全燃烧产生的大量CO，可以实现提前预警功能，提高火灾探测的及时性技术效果。

在本实施例中，上述光学透镜6的外围套有透镜保护套5，上述光学透镜6和窗口垫圈2之间还设有透镜弹性固定件4，上述光学透镜6和透镜压紧件8之间还设有透镜垫片7。透镜保护套5、透镜弹性固定件4和透镜垫片7组成光学透镜6的弹性保护构造组件，使光学透镜6实现弹性软接触紧固定位。

实施例二：

本实施例与实施例一的技术方案基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，探测器元件阵列12还包括一只中心波长为2.7um的硫化铅温度探测器，探测视场内目标物的温度和火焰第二强度的辐射信息，为火灾探测排除干扰提供辅助判断信息。碳氢化合物燃烧时在红外波段内的2.7μm与4.3μm附近有一个峰值,而太阳在这两个波段附近的辐射被空气中的CO2所吸收,因此使用安装窄带滤光片的中心波段在2.7μm附近的硫化铅温度探测器及其传感器与中心波段在4.3μm附近的热释电传感器作为火焰探测的传感器。2.7μm的硫化铅探测器对火焰信号灵敏度高,作为监测火焰强度趋势使用，且探测视场内目标物温度，用于火焰探测排除干扰的辅助判断。中心波长为2.7um硫化铅温度探测器主要探测视场内目标物温度，作为火焰探测排除干扰的辅助判断，此外还可用于探测火焰第二强度的辐射信息，作为火焰探测排除干扰的辅助判断。所有探测器元件探测到的信号经过信号板的放大电路放大后输入处理器进行处理。热释电探测器和硫化铅温度探测器的这四个波段可用于监测视场内高温红外辐射源以及环境背景辐射，从而消除了由闪烁的背景辐射源和高温辐射源造成的误报警。采用多传感器信息融合技术，对是否将要发生火灾进行预警判断，增加火灾预知功能。中心波长为3.8um、4.3um、5.0um的三只热释电探测器和中心波长为2.7um硫化铅温度探测器形成红外四波段的探测器元件阵列12，再辅以智能红外CO/CO2气体探测器，就形成了红外四波段和气体分析结合的多参数火气探测器，突破了传统探测方式对火灾产生的附属产物作为探测对象的局限性，有效减少了火灾误报，克服了报警延时的缺陷。

实施例三：

本实施例与实施例一和实施例二的技术方案基本相同，不同之处在于：

参见图2，在本实施例中，在探测器元件阵列12的信号输出端与处理器外围电路的信号输入端之间增设程控增益放大器，程控增益放大器具有可调增益带通滤波器放大电路，通过信号放大倍数的自动调整控制来减少因信号饱和带来的火情误判。在图2中，4.3um、3.8um、5.0um的三种波段的热释电探测器元件和2.7umPbS温度探测器元件将探测到的信号通过带通滤波放大电路进行滤波放大后输入处理器的模数转换模块转换为数字信号进行处理，处理器中程控增益控制对放大倍数进行调节，当信号出现饱和时，自动减小放大倍数。电路中采用程控增益放大器对放大电路增益进行调节，当高温物体靠近本发明火气探测器并且以2-30Hz的频率晃动时，各个探测通道的信号就会出现饱和，此时主控电路板10会发出控制指令给数字电位器来调整放大倍数，解决信号饱和造成的误报警。

参见图2，上述主控电路板10上优选设有RS232、RS485和I2C通讯接口中的任何一种接口或任意几种接口。在本实施例中，主控电路板10上留有RS232、RS485和I2C等通讯接口，可兼容各类通讯方式的智能红外CO/CO2气体探测器，同时设置更多闲置的RS232、RS485等通讯接口还可以实现建立各种用户端口的通讯方式信号连接。

实施例四：

本实施例与上述实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，光学透镜6采用蓝宝石晶体材料，有选择红外波长滤波的作用，避免0～6um以外的其他波段的干扰光的影响。

实施例五：

本实施例与上述实施例的技术方案基本相同，不同之处在于：

在本实施例中，光学透镜的厚度优选为4mm，4mm厚的光学透镜6的镜片厚度完全可达到国家防爆标准要求，更加安全可靠。

本发明红外多参数火气探测器整体是符合国家防爆标准要求的，其壳体、壳体上设计的CO/CO2气体探测器专用标准螺纹接口13、光学窗口组件中紧固定位组件的设计、光学透镜6的镜片厚度设计均需达到防爆要求。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明红外多参数火气探测器的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种红外多参数火气探测器，包括壳体和于其内部空腔中安装的光学窗口组件、探测器元件阵列（12）、火灾警报指示灯（9）和主控电路板（10），所述探测器元件阵列（12）为复合式火灾探测器，所述主控电路板（10）包括信号板和电源板，所述信号板包括处理器和处理器外围电路，所述探测器元件阵列（12）的信号输出端通过放大和模数转换模块与所述处理器外围电路的信号输入端信号连接，所述处理器外围电路的信号输出端与所述火灾警报指示灯（9）的信号输入端信号连接，所述电源板控制向所述处理器、探测器元件阵列（12）和火灾警报指示灯（9）供电，其特征在于：所述壳体由壳体上盖（1）、壳体底座（11）以及其间的壳间垫圈（3）三部分密封连接而成，与光学窗口组件对应的窗口开设于所述壳体上盖（1）上；

所述光学窗口组件包括光学透镜（6）及其紧固定位组件，所述紧固定位组件包括窗口垫圈（2）和透镜压紧件（8），所述窗口垫圈（2）设置于所述壳体上盖（1）和所述光学透镜（6）之间，所述透镜压紧件（8）设置于所述壳体底座（11）和所述光学透镜（6）之间，所述透镜压紧件（8）通过调整行程并压紧所述光学透镜（6），使所述光学透镜（6）实现弹性软接触紧固定位；

所述探测器元件阵列（12）包括中心波长为3.8um、4.3um、5.0um的三只热释电探测器，其中4.3um波段的热释电探测器探测火焰特征信息，3.8um与5.0um波段的热释电探测器探测背景辐射信息，所述处理器通过对所述探测器元件阵列（12）采集的辐射强度信息进行分析后，通过处理器外围电路的信号输出端口向所述火灾警报指示灯（9）发送指令信号；

所述壳体上还设有智能红外CO/CO2气体探测器专用标准螺纹口（13），将智能红外CO/CO2气体探测器的固定连接端旋入所述螺纹口（13）中，使所述智能红外CO/CO2气体探测器的信号输出端与所述处理器外围电路的信号输入端信号连接，所述智能红外CO/CO2气体探测器探测火灾燃烧时产生的CO/CO2气体浓度也为火焰探测排除干扰提供辅助判断信息；所述火灾警报指示灯（9）为三色指示灯，无火情状态下显示绿灯，在所述智能红外CO/CO2气体探测器探测到CO浓度达到警示值时预警闪烁黄灯， 在所述探测器元件阵列（12）探测的现场信息达到火灾报警条件时闪烁红灯。

2.根据权利要求1所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述探测器元件阵列（12）还包括一只中心波长为2.7um的硫化铅温度探测器，探测视场内目标物的温度和火焰第二强度的辐射信息，为火灾探测排除干扰提供辅助判断信息。

3.根据权利要求1～2中任意一项所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：在所述探测器元件阵列（12）的信号输出端与所述处理器外围电路的信号输入端之间增设程控增益放大器，所述程控增益放大器具有可调增益带通滤波器放大电路，通过信号放大倍数的自动调整控制来减少因信号饱和带来的火情误判。

4.根据权利要求1～2中任意一项所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述光学透镜（6）采用蓝宝石晶体材料。

5.根据权利要求3所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述光学透镜（6）采用蓝宝石晶体材料。

6.根据权利要求1～2中任意一项所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述光学透镜（6）的厚度为4mm。

7.根据权利要求1～2中任意一项所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述光学透镜（6）的外围套有透镜保护套（5），所述光学透镜（6）和所述窗口垫圈（2）之间还设有透镜弹性固定件（4），所述光学透镜（6）和所述透镜压紧件（8）之间还设有透镜垫片（7）。

8.根据权利要求1～2中任意一项所述的红外多参数火气探测器，其特征在于：所述主控电路板（10）上设有RS232、RS485和I2C通讯接口中的任何一种接口或任意几种接口。

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