CN108573591A - 一种散射型火灾烟雾探测器及其光吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散射型火灾烟雾探测器及其光吸收器，包括聚光器外壳，空心圆筒和圆锥体，在聚光器外壳的前端是光束的入口，空心圆筒一端与聚光器外壳后端连接，圆锥体设置在空心圆筒的另一端底部，聚光器外壳的内部反射面为复合抛物面型反射面。该光吸收器对入射光线吸收分为两类，第一类：光束入射到聚光器外壳内表面，内表面对光束进行大部分地吸收以及小部分地反射汇聚，汇聚的部分进入空心圆筒和圆锥体构成的凹面体中，进行进一步的反射吸收，第二类：光束直接入射到空心圆筒和圆锥体组成的凹面体内进行多次反射和吸收。经过上述过程，入射光束可以得到高效吸收，从而显著降低探测器内部光源对背景信号的影响。

Description

一种散射型火灾烟雾探测器及其光吸收器
技术领域
本发明涉及火灾烟雾探测器技术领域，尤其涉及一种散射型火灾烟雾探测器及其光吸收器以及应用该光吸收器的散射型火灾烟雾探测器。
背景技术
散射型烟雾探测器是应用最为广泛的火灾探测方式，其基本设计原理是利用火灾过程中产生的烟雾颗粒对光束的散射作用，通过测量一定角度的散射光强来判断是否发生火灾。核心结构为一个迷宫腔室，可以有效阻挡外界环境光进入探测器，探测器的发光元件和接收元件布置在迷宫腔室内部。正常工作条件下，发光元件以脉冲形式发射光束，同时探测器采集信号。虽然腔室是黑色材质，但是不可避免地仍然会反射或漫反射部分光，反射的光会有部分被接收元件接收产生一定的背景信号。特别地，当探测器经过长时间使用后，内部会积累灰尘，相当于大大增加了腔室表面的反射率，于是造成背景信号的显著漂移，甚至会影响探测性能。
为了确保探测器稳定运行，无气溶胶入侵情况下应避免光束直射或反射到达接收元件的敏感区域上，为此，有必要设计一种高效的光吸收器，用于该探测器的腔室，对光源发出的光束进行基本完全吸收。这样设计的一个好处在于，即使探测器腔室内部被严重污染，由于没有光束到达污染表面，背景信号不会发生明显变化。这样设计的另一个好处在于，即使使用高能光源，探测器的背景信号也不会显著增加，相当于增大了信噪比。
已有的用于烟雾探测器的光吸收器是中国专利CN106574989A公开的圆锥形光吸收器，该光吸收器存在的问题是入射进去的光线会发生光路可以预测的几次反射，很可能会反射回来进入到腔室中，反射回来的光线仍然有较大光强度，会造成难以预测的背景信号。
另一方面，保证该光吸收器发挥有效作用是使用具有较小发散的窄光束的光源，如英国专利GB2404731公开的一种表面安装器件(SMD)，可以使LED产生窄光束。或者使用准直度非常高的激光光源，与光吸收器配合使用可以极大降低探测器的背景信号，以及减少气溶胶污染造成的影响。
综上所述，在现有的散射型火灾烟雾探测器中，由于不具备光吸收器结构或者光吸收器的吸光效果不理想，极大影响了探测器的稳定性和可靠性，这已经是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出一种散射型火灾烟雾探测器及其光吸收器，能够对入射的光束进行高效吸收，显著降低内部光源产生的背景信号。
本发明提出一种一种散射型火灾烟雾探测器的光吸收器，包括聚光器外壳，空心圆筒和圆锥体，在聚光器外壳的前端是光束的入口，空心圆筒一端与聚光器外壳后端连接，圆锥体设置在空心圆筒的另一端底部，聚光器外壳的内部反射面为复合抛物面型反射面。该光吸收器对入射光线吸收分为两类，第一类：光束入射到聚光器外壳内表面，内表面对光束进行大部分地吸收以及小部分地反射汇聚，汇聚的部分进入空心圆筒和圆锥体构成的凹面体中，进行进一步的反射吸收，第二类：光束直接入射到空心圆筒和圆锥体组成的凹面体内进行多次反射和吸收。经过上述过程，入射光束可以得到高效吸收，从而显著降低探测器内部光源对背景信号的影响。
在进一步的实施例中，该光吸收器，选用黑色塑料材质，并且内部表面光滑，尤其是保证聚光器外壳内表面光滑。
在进一步的实施例中，光吸收器入口尺寸要大于该位置入射光束的截面尺寸，确保所有光束能够进入该光吸收器。
在进一步的实施例中，聚光器外壳的内部反射面是根据复合抛物面聚光器原理采用对称布置的两段抛物线绕其对称轴线旋转而形成的复合抛物面型反射面；
优选地，该聚光器的设置参数能够保证聚光器满足边缘光线原理；优选地，焦平面位于出口后端一段距离，确保入射光束的汇聚部分都能到达后端出口。
在进一步的实施例中，圆锥体的底面与空心圆筒重合，圆锥体的高度略低于聚光器的焦平面位置。
在进一步的实施例中，圆锥体可以是直圆锥体，也可以是斜圆锥体，且顶角小于45°，确保入射光束能够发生至少4次反射。
在进一步的实施例中，空心圆筒的长度不能过长，使该光吸收器的总体长度控制在合适尺寸内，便于安装到散射型火灾烟雾探测器的腔室结构中。
本发明提出了一种散射型火灾烟雾探测器，包括：探测器壳体、光源、光吸收器、光学接收元件，其中，光吸收器采用上述散射型火灾烟雾探测器用光吸收器；
探测器壳体内部形成一个光学探测腔，包括壳体底座，由隔片组成的迷宫结构，以及壳体盖板。光源、光吸收器和光学接收元件安装在光学测量腔中，光源用于向光学探测腔发射探测光束，光吸收器用于吸收未被烟雾颗粒散射的剩余光束，光学接收元件用于接收烟雾颗粒的散射光线。
在进一步的实施例中，光吸收器布置在光源的正对面；优选地，光吸收器的中心轴线与光源的中心轴线重合。
在进一步的实施例中，探测器所使用的光源具有较低的发散性；优选地，采用激光光源，或者英国专利GB2404731公开的窄光束LED光源。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在体积大小相近条件下，本发明光吸收器具有更高效的光吸收性能，有利于目前高能光源在散射型火灾烟雾探测器中的应用；
(2)本发明光吸收器结构尺寸小巧，便于安装到现有散射型火灾烟雾探测器的探测腔室结构中；
(3)本发明光吸收器的光吸收性能可以满足现有的散射型火灾烟雾探测器的要求，降低内部光源光束产生的背景信号，从而增大探测器的信噪比，提高探测信号的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的结构示意图。
图2为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器的内部结构示意图。
图3为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器的外部结构示意图。
图4为通过光学模拟软件TracePro对本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器与现有技术中圆锥形光吸收器对入射光线吸收效果的光学模拟示意图，其中，图4A为本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的光学模拟效果，图4B为现有技术中圆锥形光吸收器对入射光线吸收效果的光学模拟效果。
图5为通过光学模拟软件TracePro对本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器和现有技术中圆锥形光吸收器对入射光线吸收效果的光学模拟结果，其中，图5A为本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的光学模拟结果，图5B为现有技术中圆锥形光吸收器对入射光线吸收效果的光学模拟结果。
图中附图标记含义为：1为聚光器外壳，2为聚光器外壳入口，3为聚光器外壳出口，4为空心圆筒，5为圆锥体，6为壳体底座，7为遮光隔片，8为光源，9为光吸收器，10为第一光学接收元件，11为第二光学接收元件，12为入射光束，13为壳体盖板。
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。
如图1所示，图1为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的结构示意图。
参照图1，本发明实施例提出的一种散射型火灾烟雾探测器用光吸收器，包括聚光器外壳1，聚光器外壳的内部表面反射面为复合抛物面型反射面，反射面为光滑的黑色表面，光束通过聚光器外壳入口2入射到反射面，大部分能量被吸收，少部分经过反射汇聚到聚光器外壳出口3位置。
在本发明实施例中，聚光器外壳内表面的设计参数参照规范复合抛物面型反射面的设计参数，能够对入射光束进行收集汇聚到聚光器外壳出口3处，具体设计过程参照中国授权专利CN105116528B。
为了对直接入射或经过反射汇聚到聚光器外壳出口3的光线进行进一步吸收，在聚光器外壳出口3处联结一个空心圆筒4和圆锥体5的复合结构。空心圆筒4底端与圆锥体5底部重合，并且空心圆筒4内直径与圆锥体5底部直径相等，于是空心圆筒4内表面与圆锥体5外表面形成一段开放，另一端封闭的复合结构，截面为剪刀形。根据中国专利CN106574989A，圆锥体5的表面和圆锥体的轴形成的角度与入射光线的反射次数有很大关系，优选地角度越小，反射次数越多，即光吸收效果越好。在具体的实施例中，圆锥体的高度略低于空心圆筒4的长度，确切来说是低于聚光器的焦平面，使得经过聚光器外壳1汇聚的光线不会直接照射到圆锥体5的顶点位置。
如图2所示，图2为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器的内部结构示意图。
如图3所示，图3为本发明实施例中一种散射型火灾烟雾探测器的外部结构示意图。
参照图2和图3，本发明提出的一种散射型火灾烟雾探测器，包括：遮光隔片7、壳体底座6，光源8、光吸收器9及第一光学接收元件10和第二光学接收元件11，以及壳体盖板13。其中，光吸收器9采用上述的散射型火灾烟雾探测器用光吸收器；光源8、光吸收器9及第一光学接收元件10和第二光学接收元件11安装在探测器壳体底座7上，光吸收器9安装在光源8对面位置，在具体的实施例中，光吸收器9与光源8的中心对称轴可以是重合的，也可以在同一平面上，第一光学接收元件10和第二光学接收元件11分别安装在其中心轴线与光源8中心轴线形成一定夹角的位置，分别接收对应散射角度的散射光线，采用两个角度接收散射信号具有更好的烟雾探测性能。
在进一步的实施例中，光源8采用发散性较低的光源，比如激光光源，或者经过准直的窄光束LED光源。
在具体实施例中需要确保在光吸收器9入口处入射光束12的截面尺寸小于入口尺寸。
下面通过光学模拟软件TracePro对本实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的吸光能力进行光学模拟对比分析。
如图4所示，通过TracePro软件对本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器(图4A)与现有技术中圆锥形光吸收器(图4B)对入射光束的吸收效果进行光学模拟。
在光学模拟过程中，假设两种光吸收器的表面吸收率都为0.9，反射率为0.1，属于镜面反射。
在光学模拟过程中，光源的设计参数为：采用高斯分布的环形格点光源来模拟探测器光源的入射光束，光线平行入射，总发射光线数为1078201条，光束直径为12mm，光线的光通量分布为高斯分布，光腰为2mm。
本实施例的光吸收器的设计参数为：聚光器外壳的长度为10mm，厚度0.1mm，轴倾斜度15°，侧向焦点位移2.5mm，焦距3.26mm，空心圆筒的内部直径为5mm，长度7mm，厚度0.1mm，圆锥体底部直径5mm，高度6mm。
作为比较的现有技术圆锥形光吸收器的设计参数为：内表面圆锥面底直径16mm，高度19.4mm，圆锥顶角约为45°，该设计参数可以满足如中国专利CN106574989A所述的入射光束至少发生四次反射。
从图4可以看出，本实施例光吸收器的尺寸与现有技术圆锥形光吸收器的尺寸相近，区别在于结构设计原理不同，具有可比性。
如图5所示，是反射有限次后被接收面接收的入射光线在接收面上的分布示意图，图5A为本发明实施例中散射型火灾烟雾探测器用光吸收器的模拟结果，图5B为现有技术圆锥形光吸收器的模拟结果，可以看出，两者反射出来的光线都主要集中与入射光束中心轴线上。总共入射光线数量为1078201条，每条光线携带的光通量为1W，从本发明散射型火灾烟雾探测器用光吸收器经过有限次反射出来的光线的总光通量为5.9556W，占总发射光通量的5.5055×10-6，从现有技术圆锥形光吸收器经过有限次反射出来的光线的总光通量为113.85W，占总发射光通量的1.0524×10-4，对比可以知道后者约为前者的19倍，因此本实施例中光吸收器对入射光线额吸收效果要明显优于发明专利申请CN106574989A公开的圆锥形光吸收器，能够对入射光线进行更有效的吸收。
另一方面，根据发明专利申请CN106574989A所述，当烟雾密度达到典型的火灾水平时，光探测器上的入射光量大约为发射光量的1/100000到1/10000，也就是说光吸收器应当具有同量级或者更高量级的吸收效果，以保证剩余反射出来的光强与探测器的烟雾信号相比足够小，从而降低未散射的光源光束对信号的影响。在计算模拟中，将表面吸收率设置为0.9，这在本领域中采用黑色塑料表面是容易实现的，因此本发明提出的散射型火灾烟雾探测器用光吸收器具有1/1000000量级以上的吸收性能，满足该要求。
本实施例提出的散射型火灾烟雾探测器中，通过采用上述散射型火灾烟雾探测器用光吸收器，显著降低了光源光束对探测器背景信号的影响，增大了信噪比，从而提高火灾烟雾探测器的探测响应性能。

Claims (10)

1.一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：包括聚光器外壳，空心圆筒和圆锥体，在聚光器外壳的前端是光束的入口，空心圆筒一端与聚光器外壳后端连接，圆锥体设置在空心圆筒的另一端底部，聚光器外壳的内部反射面为复合抛物面型反射面，该光吸收器对入射光线吸收分为两类，第一类：光束入射到聚光器外壳内表面，内表面对光束进行大部分地吸收以及小部分地反射汇聚，汇聚的部分进入空心圆筒和圆锥体构成的凹面体中，进行进一步的反射吸收，第二类：光束直接入射到空心圆筒和圆锥体组成的凹面体内进行多次反射和吸收，经过上述过程，入射光束可以得到高效吸收，从而显著降低探测器内部光源对背景信号的影响。
2.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：该光吸收器，选用黑色塑料材质，并且内部表面光滑，尤其是保证聚光器外壳内表面光滑。
3.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：光吸收器入口尺寸要大于该位置入射光束的截面尺寸，确保所有光束能够进入该光吸收器。
4.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：聚光器外壳的内部反射面是根据复合抛物面聚光器原理采用对称布置的两段抛物线绕其对称轴线旋转而形成的复合抛物面型反射面。
5.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：该聚光器的设置参数能够保证聚光器满足边缘光线原理；焦平面位于出口后端一段距离，确保入射光束的汇聚部分都能到达后端出口。
6.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：圆锥体的底面与空心圆筒重合，圆锥体的高度略低于聚光器的焦平面位置。
7.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：圆锥体可以是直圆锥体，也可以是斜圆锥体，且顶角小于45°，确保入射光束能够发生至少4次反射。
8.根据权利要求1所述的一种散射型烟雾探测器的光吸收器，其特征在于：空心圆筒的长度不能过长，使该光吸收器的总体长度控制在合适尺寸内，便于安装到散射型火灾烟雾探测器的腔室结构中。
9.一种散射型火灾烟雾探测器，其特征在于：包括：探测器壳体、光源、光吸收器、光学接收元件，其中，光吸收器采用权利要求1-9任一项的散射型火灾烟雾探测器用光吸收器；探测器壳体内部形成一个光学探测腔，包括壳体底座，由隔片组成的迷宫结构，以及壳体盖板；光源、光吸收器和光学接收元件安装在光学测量腔中，光源用于向光学探测腔发射探测光束，光吸收器用于吸收未被烟雾颗粒散射的剩余光束，光学接收元件用于接收烟雾颗粒的散射光线。
10.根据权利要求9所述的一种散射型火灾烟雾探测器，其特征在于：光吸收器布置在光源的正对面；光吸收器的中心轴线与光源的中心轴线重合；探测器所使用的光源具有较低的发散性；采用激光光源，或者窄光束LED光源。
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