CN103439232A

CN103439232A - 一种减光式烟尘颗粒浓度测量方法及其装置

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Publication number: CN103439232A
Application number: CN2013103849237A
Authority: CN
Inventors: 刘士兴; 陈长正; 李汉超; 尹坤; 任晓; 鲁迎春; 黄飞; 易茂祥
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明公开了一种减光式烟尘颗粒浓度测量装置，通过双通道测量技术来检测烟雾颗粒浓度，即采用两个光路和两个光电探测器进行光通量测量方法，能够有效避免因环境因素（例如温度，湿度等）导致的单光路测量系统的较大误差.同时也能消除点式光电感烟探测器出现延误报警甚至漏报事故等消防安全问题。本减光式烟雾颗粒浓度测量装置采用的光路系统结构是基于分光镜，全反射棱镜，反射准直组件搭建而成的，将光路分为参考光和主探测光两路光源，并采用交替比较的测量原理，即参考光路和测主探测光路分时交替测量，可以有效地消除由激光光源、电路系统和光电探测器自身不稳定因素带来的影响。

Description

一种减光式烟尘颗粒浓度测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及光电子学、传感器技术、环境监测和消防安全领域，尤其涉及的是一种减光式烟尘颗粒浓度测量方法及其装置。

背景技术

火灾是一种发生频率非常高的灾害，极具毁灭性。全世界平均每天发生的火灾不下于两千余起，每年大约有8万人死于火灾中。近年来，随着高层建筑的不断出现，以及建筑材料和家居生活用具日趋多样化，使得各种火灾发生的隐患不断增多。如何最大限度地减少火灾的发生、降低火灾造成的危害，已经成为人类社会面临的一个重要而又紧迫的课题。火灾是一个融合物理和化学变化的燃烧过程，物品燃烧过程伴随着各种环境参量的规律性变化。早期火灾探测针对燃烧发生的初期阶段一些特征参量进行监测，及时地判断燃烧事件的发生，实现火灾早期预警。

火灾发生初期，由于燃烧物不完全燃烧或高温裂解，会释放出烟尘颗粒，火灾烟尘颗粒是火灾中产生的气体和悬浮在其中的烟粒子的总称。在火灾安全评估研究中，需要考虑到烟雾颗粒对能见度的影响以及人员的逃生机会的影响，而计算能见度的首要参数是烟尘颗粒的减光系数。另一方面，烟尘颗粒对环境破坏力相当大，烟雾在在空气中弥漫，能将太阳光吸收散射，不仅降大气能见度，还会造成光化烟尘颗粒及酸雨。

在火灾材料的安全评估研究中，测量烟尘颗粒的产量的传统方法是将探测器或过滤器装置以测重的方式对烟尘颗粒进行采集，以确定烟尘颗粒的质量浓度。该方法在采集、测量的过程中，不可避免地因烟尘颗粒沉积而造成测量不准确，而且在时间上有很大的延迟，安装、维护和实验的成本也比较高。在火灾探测领域中，需要利用标准的烟尘颗粒浓度测量设备对测试过程进行监控，对系统的测量精度和温度稳定性有较高要求。减光式烟尘颗粒浓度测量方法，通过测量烟尘颗粒对单一波长激光强度的衰减来检测烟尘颗粒浓度，精度高，数据获取实时快速，在火灾探测和空气质量环境监测方面有功阔的应用前景。

现有的技术方案中采用光电技术来探测烟雾浓度的主要有点式光电感烟探测器和单通道减光式烟雾浓度监测装置。

点式光电感烟探测器工作原理主要是采用前向光散射探测方式，主要由光学探测室及相关电路组成，由红外发光元件、红外光接收元件、光学迷宫、防虫网以及保证光学暗室光密闭性的其它遮光零件组成。光电感烟机理如下:烟粒子和光相互作用时，粒子以同样波长再辐射己经接收的能量，再辐射可以在所有的方向上发生，但通常在不同方向上其强度不同，这个过程称为散射。光学迷宫位于探测室的外围，是烟雾进入探测室的通道，与其Z形遮光部件及其它构件组合成探测室的光学暗室内腔，最大限度的减弱环境光线的影响。同时它也形成烟颗粒迷宫，一方面烟颗粒容易流入，另一方面烟进入后相对不易流出，以减少外界气流的影响。而其电路模块是由一对红外对管完成，当有烟颗粒进入光学探测室，红外光经烟颗粒的散射并到达接收二极管，电路对其产生的电流信号进行线性放大，并通过其值的大小进行报警。

单通道技术的减光式烟雾颗粒浓度监测装置也是现在市场比较常见的一种烟雾颗粒浓度监测装置。主要由红外发射器和红外接收器组成。其原理为测量光源产生的光通量，光通量经过放置在测量光路上的被测样品或者标准样品时，被测样品或者标准样品对光通量产生相应的吸收和散射，最后光通量出射到光电探测器上。光电探测器经过光电转换，将含有样品信息的光信号转换成相应的电信号，而电信号经过放大、滤波等处理，最后可以读出该电信号。通过采用置换检测样品和标准样品的方法，经过比较和计算输出的光电信号，即可得到被测样品的相应的参数。

典型光电感烟火灾探测器是国内外城市建筑中使用最为广泛的火灾探测器，但该探测器普遍存在对典型烟雾均衡灵敏响应性能较差，特别是在一些应用场所对于火灾初期物质阴燃产生的常温黑色烟雾出现延误报警甚至漏报事故等消防安全问题。

现有的单通道减光式烟尘颗粒浓度探测系统，其只有一个测量的光学通道，外界入射光通量沿着光学通道到达光电探测器，探测器则输出与该光通量相应的光电信号。但是单通道的测量系统在长期工作的时候，具有不稳定性及不可重复性，并且测量的精度比较的低。单通道系统在测量时常常容易受外界环境干扰的影响(如温度、湿度等)，另外，单通道的测量系统在标定的时候，其所用基准的误差及在标定时容易引入偏差灯因素，这些都会直接影响测量系统的精度。故在实际测量系统中较少采用该方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种减光式烟尘颗粒浓度测量方法及其装置。

本发明的技术方案如下：

一种减光式烟尘颗粒浓度测量装置，包括激光发生器（1）、光学系统、信号处理与数据采集系统；所述光学系统包括分光镜（2）、全反射棱镜（4），激光发生器（1）用于发射波长为980nm红外激光束，该红外激光束经透镜调整后，被分光镜（2）分为两路，一路作为参考探测光源，由参考探测器（6）转换成电信号；另一路测量光束作为测量光束进入测量光路，首先射入待测烟雾区域，然后经全反射棱镜（4）反射后再次进入待测烟雾区域，进入反射准直组件（5），主探测器（7）接收被待测烟雾区域相应浓度烟尘颗粒衰减后的光信号，并转换为电信号；主探测器（7）与参考探测器（6）的输出信号经过放大器电路单元（8）进行处理，其中参考探测器（6）的信号经模数转换器（11）采集用于测量本底信号，而主探测器（7）和参考探测器（6）经低通滤波器（9）滤波后，经差分放大器（10）做差分运算并且经模数转换器（11）采集用于测量光的衰减量，以用来测量烟雾颗粒浓度；经模数转换器（11）转换后的两路数字信号在嵌入式处理单元（12）中进行运算，得到消光烟雾浓度值之后，被计算机显示和存储。

基于上述的减光式烟尘颗粒浓度测量装置的测量方法，激光发生器（1）发射的波长为980nm红外激光束经透镜调整后，被分光镜（2）分为两路，一路作为参考探测光源，由参考探测器（6）转换成电信号；另一路测量光束作为测量光束进入测量光路，首先射入待测烟雾区域，然后经全反射棱镜（4）反射后再次进入待测烟雾区域，进入反射准直组件（5），主探测器（7）接收被待测烟雾区域相应浓度烟尘颗粒衰减后的光信号，并转换为电信号；主探测器（7）与参考探测器（6）的输出信号经过放大器电路单元（8）进行处理，其中参考探测器（6）的信号经模数转换器（11）采集用于测量本底信号，而主探测器（7）和参考探测器（6）经低通滤波器（9）滤波后，经差分放大器（10）做差分运算并且经模数转换器（11）采集用于测量光的衰减量，以用来测量烟雾颗粒浓度；经模数转换器（11）转换后的两路数字信号在嵌入式处理单元（12）中进行运算，得到消光烟雾浓度值之后，被计算机显示和存储。

本系统是通过双通道测量技术来检测烟雾颗粒浓度，即采用两个光路和两个光电探测器进行光通量测量方法，能够有效避免因环境因素（例如温度，湿度等）导致的单光路测量系统的较大误差.同时也能消除点式光电感烟探测器出现延误报警甚至漏报事故等消防安全问题。

同时本减光式烟雾颗粒浓度测量装置采用的光路系统结构是基于分光镜，全反射棱镜，反射准直组件搭建而成的，将光路分为参考光和主探测光两路光源，并采用交替比较的测量原理，即参考光路和测主探测光路分时交替测量，可以有效地消除由激光光源、电路系统和光电探测器自身不稳定因素带来的影响。本系统在信号处理电路设计上，通过对信号电路的各个部分包括前置放大器、仪表放大器、模数转换电路及低通滤波器等深入分析与计算，使得信号处理电路的线性度、工作带宽和抗干扰性得到较好的实现，从而设计出了一个线性度高，温度稳定性好，受外界因素影响小的长期处于稳定的系统。

附图说明

图1系统结构框图；

图2直角反射准直组件；

图3准直孔结构示意图；

图4系统校准原理示意图；

图5系统零点长期漂移测试结果；

1、激光发生器，2、分光镜，3、待测烟颗粒，4、全反射棱镜，5、反射准直组件，6、参考探测器，7、主探测器，8、放大器电路单元，9、低通滤波器，10、差分放大器，11、模数转换器，12、嵌入式处理单元，13-准直孔，14-透镜组，15-反射镜。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

系统工作原理：

测量烟颗粒浓度的的基本原理是当一束平行光通过烟颗粒场时，强度会发生衰减；根据基于Lambert-Beer定律，光强度在烟雾场的衰减与光传输距离之间的关系定量描述为：

I＝I₀exp（-KS）

上式中，I₀为入射光强，I为出射光强，S为光程长度(通常以cm表示)，K为减光系数，是与光强无关的常数。

所述Lamber-Beer定律的使用须满足如下的条件：1）入射光为单色光。2）在接收端收到的出射光中，不应包括前向散射光成分。

参考图1的系统结构框图，包括光学系统和信号处理与数据采集系统两个部分。如图1，系统在工作时，激光发生器1发射的波长为980nm红外激光束经透镜调整后，被分光镜2分为两路，一路作为参考探测光源，由参考探测器6转换成电信号；另一路测量光束作为测量光束进入测量光路，首先射入待测烟雾区域，然后经全反射棱镜4反射后再次进入待测烟雾区域，进入反射准直组件5，主探测器7接收被待测烟雾区域相应浓度烟尘颗粒衰减后的光信号，并转换为电信号。主探测器7与参考探测器6的输出信号经过放大器电路单元8进行处理，其中参考探测器6的信号经模数转换器11采集用于测量本底信号，而主探测器7和参考探测器6经低通滤波器9滤波后，经差分放大器10做差分运算并且经模数转换器11采集用于测量光的衰减量，以用来测量烟雾颗粒浓度。转换后的两路数字信号（参考信号和差值信号）在嵌入式处理单元12中进行运算，得到消光烟雾浓度值之后，被计算机显示和存储。

激光器：本系统采用980nm激光波长，即红外波长，光学系统的设计也就是红外发射系统和红外接收系统的设计。它与其他光学系统相比，在成像、能量接收、光学函数传递等概念上没有本质区别。

分光镜：此外分光镜在设计时，首先考虑与光源波长相匹配，其次主要考虑的参数是分光比。本发明中将激光束平均分成两路，其中一束光作为参考光源，另一路为测量光源。如果光学元件选择合适的时候，测量光从分光镜到达探测器之间强度损失不过百分之几，所以为了使测量光强与参考光强接近相等，以便两路探测器的放大器增益相近，分光镜的分光比选择50%的型号。

三角锥反射棱镜：测量光路两次进过待测烟尘颗粒区域的反射功能是由三角锥棱镜实现的。由于在长距离的反射光程中，因受力及受热不均等原因，机械部分的变形不可避免。对于精密的测量系统来说，光斑的移动可能使检测光强出现较大变化，造成较大的误差。为了避免机械变形产生的镜面扭转导致的激光光斑产生较大的位移。本发明的主反射镜使用反射棱镜。三角锥反射棱镜采用三角锥的几何形式，其结构可以保证光线射入后，在其内部经历三次全反射，然后平行地射出。三角锥棱镜的最大优点是，总能保证入射光与出射光相互平行，最大限度地避免了因机械变形导致的镜面扭转而改变光路。

直角反射棱镜组件：为了使消光浓度烟雾测量结果能够准确地反映烟雾的质量浓度必须设置准直孔以排除前向散射光的干扰。直角反射棱镜组件原理示意图如图2所示，准直孔的结构功能示意图如图3所示，在实际应用中，由消光光强的修正公式得到结论就是在实际应用准直孔时，我们将θ₁设置为2°所得到的结果就相对准确了。

而本系统中我们所采取的准直孔，其孔径为2mm，长度为100mm，θ角近似为2°，凸透镜内置，整个孔身由机械夹持器夹持。

测量原理：本系统中有两路模拟信号，一路由参考探测器的放大器输出，其电平由参考光强I₀线性转换而来，另一路来自差分放大器的输出，是参考光强与探测光强之差的线性转换，即I₀-I。两路模拟电平被转换为数字信号后，在微处理器中进行运算D=(1-I/I₀)/S，求得消光烟雾浓度D。然后将该结果经传输到监控计算机中并被存储和显示。同时，由仪器面板提供人际交互的平台。

系统校准与综合性能测试:作为测量系统，使用前须进行校准和测试。系统校准指开机后的调零操作。系统测试时所设置的测量光程为1m，测试所用的各部件参数在前几章都已进行了描述。系统性能响应测试的内容包括本底噪声、零点长期漂移、线性度、重复性和热稳定性这几项内容。下面分别加以介绍。

系统校准:在开机之后，系统校准需要完成以下几个步骤：

1.在光路被完全遮挡的情况下，调节参考光强测量模块放大倍数，使之输出为满量程。记下参数V₁。

2.在光路不被遮挡的情况下，调节主测量模块的放大倍数，使之输出约等于0V。记下参数V₂。

3.参考上述两个参数，对此后的每个测量结果加以修正，计算得到校准后的值，即输出的烟雾浓度D值。

系统校准的原理如图4所示。步骤1测得的电压为V₁，步骤2测得的电压为V₂。这两个值在每次开机之后都有所不同，因此需要程序记录。在电路的研究中发现，系统的暗信号值V₃，即两个探测器都完全没有接受到光照时候的输出是相等的，为10.4mV，这个值作为常数保存在程序中。根据V₁、V₂和V₃的值，系统可以对每次测量值进行校准，保证校准之后的测量值总是具有正确的零点和满幅输出读数（100%／m）。

零点长期漂移:系统开机校准之后，在光路完全没有遮挡的情况下，连续记录一个小时的输出结果。测试结果见图5所示，统计输出结果的标准差，得0.03%/m。因此，在99.7%的置信水平上，系统长期（1小时）零点漂移的峰峰值不超过0.18%/m。

由于系统的工作原理决定：工作零点是校准后的动态零点，即电路上的探测器、各级放大器都不是工作在静止的零点状态。所以有理由相信，系统测试结果在其他水平上的漂移与零点漂移相同。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种减光式烟尘颗粒浓度测量装置，其特征在于，包括激光发生器（1）、光学系统、信号处理与数据采集系统；所述光学系统包括分光镜（2）、全反射棱镜（4），激光发生器（1）用于发射波长为980nm红外激光束，该红外激光束经透镜调整后，被分光镜（2）分为两路，一路作为参考探测光源，由参考探测器（6）转换成电信号；另一路测量光束作为测量光束进入测量光路，首先射入待测烟雾区域，然后经全反射棱镜（4）反射后再次进入待测烟雾区域，进入反射准直组件（5），主探测器（7）接收被待测烟雾区域相应浓度烟尘颗粒衰减后的光信号，并转换为电信号；主探测器（7）与参考探测器（6）的输出信号经过放大器电路单元（8）进行处理，其中参考探测器（6）的信号经模数转换器（11）采集用于测量本底信号，而主探测器（7）和参考探测器（6）经低通滤波器（9）滤波后，经差分放大器（10）做差分运算并且经模数转换器（11）采集用于测量光的衰减量，以用来测量烟雾颗粒浓度；经模数转换器（11）转换后的两路数字信号在嵌入式处理单元（12）中进行运算，得到消光烟雾浓度值之后，被计算机显示和存储。

2.基于权利要求1所述的减光式烟尘颗粒浓度测量装置的测量方法，其特征在于，激光发生器（1）发射的波长为980nm红外激光束经透镜调整后，被分光镜（2）分为两路，一路作为参考探测光源，由参考探测器（6）转换成电信号；另一路测量光束作为测量光束进入测量光路，首先射入待测烟雾区域，然后经全反射棱镜（4）反射后再次进入待测烟雾区域，进入反射准直组件（5），主探测器（7）接收被待测烟雾区域相应浓度烟尘颗粒衰减后的光信号，并转换为电信号；主探测器（7）与参考探测器（6）的输出信号经过放大器电路单元（8）进行处理，其中参考探测器（6）的信号经模数转换器（11）采集用于测量本底信号，而主探测器（7）和参考探测器（6）经低通滤波器（9）滤波后，经差分放大器（10）做差分运算并且经模数转换器（11）采集用于测量光的衰减量，以用来测量烟雾颗粒浓度；经模数转换器（11）转换后的两路数字信号在嵌入式处理单元（12）中进行运算，得到消光烟雾浓度值之后，被计算机显示和存储。