CN108205867A - 一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射两种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值。让发射器交替地以脉冲形式发射不同波长的光束，就可以得到不同波长条件下的前后向散射光功率信号，以及其随时间的变化。本发明利用不同波长条件的不对称比值对火灾烟雾粒子与常见干扰粒子进行区分识别；结合不对称比值及其波动特征，可以实现早期火灾烟雾粒子的探测；未采用信号强度阈值来判断是否应当报警，因此该探测方法可以对火灾黑、白烟雾粒子均衡响应。

Description

一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法

技术领域

本发明涉及一种早期火灾烟雾探测方法，尤其是具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，属于消防报警技术领域。

背景技术

烟雾探测器主要分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。由于离子感烟探测器含有放射性物质，不利于环境保护，因此逐渐被光电感烟探测器取代。目前常用的点型光电感烟探测器考虑到生产成本，通常选择发光二极管(LED)作为发光光源，由于辐射光强相比激光要弱很多，明显的缺点是对黑烟和小粒径的烟雾粒子探测响应慢。为此要求感烟探测器要有极高的灵敏度，这使得其非常容易受到干扰粒子的影响。在一些特殊场所，比如厨房，浴室，仓库，会产生大量的水蒸汽或粉尘，由于其粒径尺寸非常小，一般只有几微米，并且能够长期漂浮在空气中，因此很可能会进入探测器的探测腔室引起误报。产生的误报情况会增加人工维护成本，处理不当的话还会造成一定的安全隐患。这些常见的干扰粒子粒径尺寸通常大于1um，物理化学属性(比如复折射率，微观形态等)与火灾烟雾粒子有一定的差别，因此采用光学方法对这些干扰粒子进行区分识别是可能的。已提出的技术方法是采用双波长多角度探测技术，比如在参考中国专利(一种基于双波长散射信号的气溶胶粒径传 感方法及其在火灾烟雾探测中的应用)中，提出测量两种波长情况下的散射信号，通过对接收到的散射光功率进行比值运算以及散射光功率的阈值比较来确定是否应该发出火灾报警信号。该方法要求两种波长条件下散射信号的测量时间间隔非常短，对于处理器性能有限的烟雾探测器，在实际应用中难以保证测量对象一致，因此会造成较大的测量误差，不能进行可靠的烟雾探测。

本发明采用双波长技术，分别选取能发射405nm和870nm波长的LED光源，根据不同气溶胶粒子对不同波长所产生的散射光强空间分布特征，比较前向与后向散射角度收集到的光功率的比值，即不对称比，以及分析不对称比的波动情况，实现对火灾烟雾粒子的探测以及对干扰粒子的识别。

发明内容

本发明目的在于提供一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，提高目前光电感烟探测器的探测和抗干扰性能。

本发明采用的技术方案为：一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，包括如下步骤：

第一步：发射器发射某种波长光束，接收器同时接收前向散射和后向散射光功率P_F、P_B；

第二步：判断该波长条件下前向散射光功率P_F与背景光功率P_F0差值是否大于常值a，是则进行下一步，否则进行第一步；

第三步：计算该波长条件下前向散射光功率P_F与后向散射光功率P_B的比值，即不对称比，结合前N-1次的不对称比，计算不对称比的标准差，判断是否小于常值b，是则进行下一步，否则进行第一步；

第四步：判断当前不对称比是否大于常值c小于常值d，是则进行下一步，否则进行第一步；

第五步：根据c、d大小判断当前气溶胶粒子类型；

第六步：发射器发射另一种波长，重复第一步至第五步。

在上述的六个步骤中，a，b，c，d的大小需要根据具体的实验测量得到，N的大小也需要根据实验结果确定。其中，a和b值用于区分无气溶胶粒子或者只有极少量气溶胶粒子的情况，c和d用于区分火灾与非火灾烟雾粒子。另外，通过上述前五个步骤可以确定一种波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型，为了提高该方法的识别准确度，一般地可以采用两个或多个波长，即进行第六步，这样也可以扩大探测器对气溶胶粒子的探测识别范围，比如大气中的微米级颗粒物。

本发明的原理在于：双波长多角度探测技术可以用于识别不同类型的气溶胶粒子，这是因为对于某种确定的气溶胶粒子，会产生相应的散射光强空间分布，一般地，前半球部分的散射光强要比后半球的散射光强大得多。在本发明中，通过同时测量两个不同散射角度的散射光功率，利用这两个散射光功率的比值指示某种气溶胶粒子。一般地，一个为前向散射角度(散射角小于90°)，另一个为后向散射角度(散射角大于90°)。一般情况下，粒子粒径越大，前向散射光强占总散射光强的比例越大，因此得到的不对称比也较大。通过对比不同波长条件下的不对称比，可以反映出不同气溶胶粒子的散射光强分布特征与波长的关系，以区分不同的气溶胶粒子。

在本发明中提出一种散射信号测量与处理方式，使其能够应用到常规的光电感烟探测器中。即在探测器探测腔室结构中布置一个发射器和两个接收器，形成双光路测量结果。其中发射器能发射两种不同波长的光，特别地，对于火灾烟雾的探测，发射器应能分别发射蓝紫光与近红外光。两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，优选地，一个为前向散射角度(散射角小于90°)，另一个为后向散射角度(散射角大于90°)。该布置方式可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值。通过探测器算法让发射器交替地以脉冲形式发射不同波长的光束，就可以得到不同波长条件下的前后向散射光功率信号，以及其随时间的变化。

在本发明中通过分析不对称比的波动特征实现对火灾烟雾粒子的早期探测。当探测器的探测区域内不存在或者只有极少量的气溶胶粒子时，对应探测器测量到的信号(已除去背景信号)会非常微弱或者发生较大变化，因此计算得到的不对称比会表现出无规律波动，并且由于信号非常小，理论上不对称比的变化幅度也会较大。另一种情况是，有较多且持续的某种气溶胶粒子进入探测器的探测区域时，由于气溶胶粒子浓度不太大，不对称比与气溶胶粒子的浓度关系不大，因此得到的不对称比会在一定范围内波动，根据波动范围可以判断该气溶胶粒子的类型特征。考虑到火灾发展的前期，产生的烟雾粒子一般是较为稳定且连续的，因此结合不对称比值，通过分析不对称比的波动特征不对称比来对烟雾粒子进行早期探测是可行的，并且可以采用双波长技术加强识别的准确度。

本发明的有益效果为：

1、利用不同波长条件的不对称比值对火灾烟雾粒子与常见干扰粒子进行区分识别；

2、结合不对称比值及其波动特征，可以实现早期火灾烟雾粒子的探测；

3、本发明提出的探测方法未采用信号强度阈值来判断是否应当报警，因此该探测方法可以对火灾黑、白烟雾粒子均衡响应。

附图说明

图1为实现本发明设计的双光路感烟探测器模型示意图；

图2为双光路感烟探测器模型的信号采集系统示意图；

图3为双光路探测器模型的空白背景信号测试结果；

图中附图标记含义为：1为双光路感烟探测器模型，2为光源模块，3为第一接收器模块，4为第二接收器模块，5为LED光源，6为光源透镜，7为光源圆柱套筒，8为光源透镜安装座，9为第二接收器，10为第一接收器，11为第二接收器透镜，12为第一接收器透镜，13和14为第二接收器圆柱套筒，14为第一接收器圆柱套筒，15为第二接收器透镜安装座，16为第一接收器透镜安装座，17为LED光源驱动器，18为第一信号放大器，19为第二信号放大器，20为数据采集仪，21为计算机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本实施例基于气溶胶粒子散射光强不对称特征的早期火灾烟雾探测识别方法应用于图1所示的双光路感烟探测器模型1中，该探测器模型含有一个光源模块2和两个接收器模块即第一接收器模块3和第二接收器模块4。其中，光源模块2包括一个LED光源5、光源透镜6、光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8。在本实施例中采用的是单波长LED光源，因此需要测量另一个波长的结果时需要提前更换成相应的LED光源，特别地，在本实施例中分别选取索雷博公司的LED光源产品，型号分别为LED405E和LED870E，能够分别发射405nm和870nm两种波长的光。光源透镜6主要用于汇聚LED光源发出的光束，有利于增强气溶胶粒子的散射信号，同时也可以防止LED光源被气溶胶粒子污染。第一接收器模块3包括一个第一接收器10、第一接收器透镜12、第一接收器圆柱套筒14、第一接收器透镜安装座16，第二接收器模块4包括一个第二接收器9、第二接收器透镜11、第二接收器圆柱套筒13、第二接收器透镜安装座16，第一接收器10和第二接收器9分别布置在散射角为45°和135°的位置，接收相应角度的散射光功率。在本实施例中选取索雷博公司的光电探测器产品，型号为SM05PD1A，能够对350nm-1100nm波长范围内的入射光进行响应，同时具有较高灵敏度，能够对响应非常微弱的光信号。

图2为该双光路感烟探测器模型的信号采集系统示意图，主要包括LED光源驱动器17、双光路感烟探测器模型1、第一信号放大器18和第二信号放大器19、数据采集仪20和计算机21。其中LED光源驱动器17可以为LED光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器18和第二信号放大器19可以将接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪20用于采集模拟电压信号到计算机21上。在本实施例中信号的采集频率为5Hz，因此每秒可以得到5个前向散射或后向散射光功率。为了平滑数据结果，将1s内采集的5个信号数据的平均值用于计算不对称比值，取5s内得到的5个不对称比值用于计算不对称比值的标准差，以表征其波动性。

图3为该双光路感烟探测器模型正常工作条件下(无气溶胶粒子)得到的不对称比及其标准差随时间的关系，测量时长为2h，前向和后向的信号均已减去相应的背景信号，并做绝对值处理。可以看出，所得到的不对称比在整个测试期间一直有较大波动，相应地，标准差也处于较高水平。另外一方面看出的是前向相对后向的背景信号有较为显著的漂移，因此在实际测试中需要做漂移补偿处理，可以发现，在短时间内(比如10分钟)，信号漂移的大小一直低于0.1nA。因此，为了区分这种无气溶胶粒子存在的情况，可以采用一个较低水平的信号值(比如0.1nA)和标准差阈值，低于标准差阈值时则说明当前的不对称比值相对稳定，可以用于粒子识别，即判断是属于火灾烟雾粒子还是干扰粒子，对于标准差阈值的取值还需要根据火灾与非火灾气溶胶粒子的实验结果确定。

根据对一系列的火灾与非火灾气溶胶粒子的实验测试结果分析，在本实施例中将标准差阈值设定为0.2。表1中给出了四种火灾烟雾粒子的标准差刚好低于设定阈值时对应的消光率以及前向散射信号。从结果中可以看出，本发明提出的方法能够对火灾产生的黑白烟雾粒子均衡响应，并且响应浓度相对较低(在UL 217烟雾探测试器标准中要求的探测浓度为6％/m)。

表1四种火灾烟雾粒子的测试结果

表2是利用405nm和870nm两种LED光源测得的四种火灾烟雾粒子、几种标准试验粉尘以及超细水雾的不对称比值分布结果。不对称比值均由标准差阈值条件为0.2时得到，并且由于水蒸汽干扰粒子在测试环境中不能稳定存在，测得的标准差结果较大，因此未在分布图中给出。可以看出，采用本发明提出的探测识别方法，可以有效区分出火灾与非火灾气溶胶粒子，特别地，还能够对火灾的黑烟与白烟进行区分。

表2四种火灾烟雾粒子与常见干扰粒子的不对称比分布结果

Claims (3)

1.一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步：发射器发射某种波长光束，接收器同时接收前向散射和后向散射光功率P_F、P_B；

第二步：判断该波长条件下前向散射光功率P_F与背景光功率P_F0差值是否大于常值a，是则进行下一步，否则进行第一步；

第三步：计算该波长条件下前向散射光功率P_F与后向散射光功率P_B的比值，即不对称比，结合前N-1次的不对称比，计算不对称比的标准差，判断是否小于常值b，是则进行下一步，否则进行第一步；

第四步：判断当前不对称比是否大于常值c小于常值d，是则进行下一步，否则进行第一步；

第五步：根据c、d大小判断当前气溶胶粒子类型；

第六步：发射器发射另一种波长，重复第一步至第五步；

其中，在上述的六个步骤中，a，b，c，d的大小需要根据具体的实验测量得到，N的大小也需要根据实验结果确定；其中，a和b值用于区分无气溶胶粒子或者只有极少量气溶胶粒子的情况，c和d用于区分火灾与非火灾烟雾粒子。

2.根据权利要求1所述的一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，其特征在于：通过上述前五个步骤可以确定一种波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型，为了提高该方法的识别准确度，一般地可以采用两个或多个波长，即进行第六步，这样也可以扩大探测器对气溶胶粒子的探测识别范围，比如大气中的微米级颗粒物。

3.根据权利要求1所述的一种具备干扰粒子识别能力的早期火灾烟雾探测方法，其特征在于：分别发射405nm和870nm两种波长光束，可以实现火灾黑白烟雾粒子的均衡响应。