CN110428574B - 一种烟雾探测器及其烟雾探测方法 - Google Patents

Abstract

一种烟雾探测器及其烟雾探测方法。通过传感单元采集反应烟雾颗粒状况的电信号f(t)，然后对该电信号进行小波变换以实时分析其中的关于烟雾颗粒的时间‑频率数据，获得电信号的局部时间特征，基于该局部时间特征计算火灾发生的时间以及火情发展状况。本发明，通过小波变换的方式对烟雾信号进行分析，以实现对达到火灾报警条件之前的烟雾状况的监控及处理。本发明能够有效分析整个火灾过程中烟雾浓度的变化过程，在火灾初期通过烟雾浓度的变化及时判断火情进行报警。本发明对烟雾状况的响应时间更短，预警更为及时。

Description

一种烟雾探测器及其烟雾探测方法

技术领域

本发明涉及火灾探测与报警领域，尤其涉及一种消防探测设备。

背景技术

火灾自动报警系统由触发器件、火灾报警装置、控制单元和电源四大部分组成，该系统能够在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量等物理量，通过现场安装的探测器(即触发部件)将火情信息传输到控制单元，由控制单元触发报警装置对火灾进行报警响应。烟雾探测器就是常用的触发器件之一。

烟雾探测器，按探测方式可分为点型感烟探测器和线型感烟探测器两种：

(1)点型感烟探测器，探测器为点式分布，每个探测器以探测器为圆心，在一定的保护半径内形成一个独立的保护区域，点型感烟探测器是一种仅响应这个保护半径内区域的火灾特征参数的探测器；(2)线型感烟探测器，是相对于点型感烟探测器而言的，线型感烟探测器感知某一连续线路附近火灾所引起的物理或化学现象，线型感烟探测器是一种响应某一连续路线附近的火灾特征参数的探测器。

烟雾探测器，按其响应原理，可分为离子感烟探测器和光电感烟探测器两种：离子感烟探测器内设有电离室，电离室内含有少量放射性物质(如，镅-241)，由于该放射性物质的作用使得电离室内气体为导体，在电压作用下会形成离子流，使电离室具有有效的导电性。当烟粒子进入电离化区域时，烟雾粒子与离子结合而使得气体导电性降低，减弱离子移动。当电离室内气体的导电性低于预定值时，离子感烟探测器就会发出警报信号。另一种光电感烟探测器，由光源、光电元件和电子开关组成。光电感烟探测器利用火灾初期产生的烟雾能够改变光的传播特性这一基本特性而研制。火灾初期产生的烟雾粒子对光线的吸收和散射作用，使得该探测器内光电元件接收的光强度发生变化，该探测器在光强变化超过预定值时发出警报信号。

目前，在火灾探测与报警领域，使用量最大、使用范围最广的烟雾探测器就是点型光电感烟探测器。这种探测器用于探测火灾发生初期产生的烟雾颗粒：烟雾颗粒随气流流动穿过光学迷宫和过滤网进入探测腔室，使得探测腔室内发光管发出的红外光被烟雾颗粒散射，散射光被接收管感知并转换为与烟雾浓度相对应的电信号，当该电信号超过某个设定值时，即判断烟雾浓度到达阈值，触发火灾报警信号。

目前，上述烟雾报警器对烟雾浓度的判断仅仅是根据烟雾浓度不同对光的散射不同，判断烟雾产生的波动的电信号是否达到阈值，来判断是否发生火灾。这种判断火灾所引起的烟雾浓度的方式有两个缺点：

第一，系统的控制单元无法监控达到阈值之前的烟雾状况；

第二，无法有效分析整个火灾过程中烟雾浓度的变化过程。

以上两个问题都会直接或间接导致探测计算得到的烟雾浓度数据产生误差，进而造成火灾警报的误报、延报、漏报。

因此，目前急需一种能够对火灾全过程的烟雾浓度进行探测进而实现预警的方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种烟雾探测器以及应用于该烟雾探测器的烟雾探测方法。

首先，为实现上述目的，提出一种烟雾探测器，包括壳体；气体腔室，设置于所述壳体内，用以引入所述壳体外部气流中的烟雾颗粒；传感单元，设置于所述气体腔室内，用以根据所述气体腔室内的烟雾颗粒产生电信号f(t)；其中，t表示时间。其中，还包括：控制单元，所述控制单元被配置为：接收所述传感单元产生的电信号f(t)；对所述电信号f(t)进行小波变换

其中，

表示有限长的、会衰减的小波；α表示尺度，所述尺度与所述电信号的频率成反比；τ表示平移量，所述平移量与所述电信号的时间对应；根据所述小波变换WT(α，τ)，获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据，并在所述关于烟雾颗粒的时间-频率数据满足火灾报警条件时发出报警信号，此条件为烟箱实验测试所得，不同种烟雾的报警条件不同，所述控制单元在规定的烟雾浓度和种类下，对传感单元获取的电信号经过小波变换，得到时间-频率特征值，当烟雾浓度超过实验所得特征值时，所述控制单元即判断为火灾，发出警报。此报警条件为烟箱实验测试所得，不同种烟雾的报警条件不同，所述控制单元在规定的烟雾浓度和种类下，对传感单元获取的电信号经过小波变换，得到时间-频率特征值，当烟雾浓度超过实验所得特征值时，所述控制单元即判断为火灾，发出警报。

可选的，上述的烟雾探测器中，所述火灾报警条件预先由试验获得，所述火灾报警条件包括有与不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值或特征。

可选的，上述的烟雾探测器中，所述控制单元用于处理电信号数据，经过小波变换对比特征值，实际仅是数据的比对，这种数据的比对与传统的不同点在于多出频率特征的比对，是一种连续的检测，而非传统的突变检测。在一种具体发方式下，所述的控制单元具体还可被设置为：对所述传感单元产生的电信号f(t)按照不同尺度α或平移量τ进行小波变换

获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据；筛选、记录或上传不同尺度α或平移量τ下关于烟雾颗粒的时间-频率数据的局部时间特征，将所述局部时间特征与预先获得的特征进行比对：在所述局部时间特征与预存的火灾发生的特征匹配时，判断该时间点为火灾发生的时间以及火情发展状况。这种数据的匹配与比对与传统方式的不同点在于，本发明通过小波变换增加了对于频率特征的比对，是一种连续的检测，而非传统的突变检测。

可选的，上述的烟雾探测器中，所述传感单元包括：光源以及光电元件；所述光源设置于所述气体腔室的一侧，所述光电元件设置于所述气体腔室的另一侧，所述光电元件用于根据所述气体腔室内的烟雾颗粒对所述光源吸收或散射所产生的光强变化产生电信号。

可选的，上述的烟雾探测器中，还包括数据传输单元，所述数据传输单元用以输出所述传感单元产生的电信号f(t)、所述小波变换所得信号、所述局部时间特征、所述火灾发生的时间和/或火灾发展状况。

可选的，上述的烟雾探测器中，还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述火灾发生的特征或所述火灾报警条件。

其次，为实现上述目的，还提出一种用于上述烟雾探测器的烟雾探测方法，其步骤包括：第一步，根据气体腔室内的烟雾颗粒产生电信号f(t)；其中，t表示时间；第二步，对所述电信号f(t)进行小波变换

其中，

表示有限长的、会衰减的小波；α表示尺度，所述尺度与所述电信号的频率成反比；τ表示平移量，所述平移量与所述电信号的时间对应；第三步，根据所述小波变换WT(α，τ)，获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据，并在所述关于烟雾颗粒的时间-频率数据满足火灾报警条件时发出报警信号。

可选的，上述的烟雾探测方法中，所述火灾报警条件预先由试验获得，包括有与不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值；其中，所述阈值为与火灾发生时的烟雾颗粒的时间-频率数据。

满足火灾报警条件即所述小波变换WT(α，τ)获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据与所述预先存储的任一种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值相匹配。

有益效果

本发明提供一种基于小波变换算法的烟雾探测器，采用小波变换算法，对烟雾探测器传感单元的电信号进行处理，由此获得点型感烟探测器探测到的烟雾局部时间特征。因此本发明在探测器探测到烟雾的初期，即可快速判断火情；采用此算法的探测器可得到烟雾随时间变化的具体特征，可根据此数据分析火情发展状况。

并且，由于传统的傅里叶变换算法，需要对较长时间段内的信号进行处理，其对对火情的判断存在一定的延迟，并且无法检测火情的变化。本发明所采用的基于小波变换的分析方式，通过小波变换可分析信号的局部特征，使感烟探测器对烟雾浓度的判断更为及时也更为准确。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的烟雾探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例中传感单元所产生的电信号f(t)的波形示意图；

图3为图2所示电信号f(t)经小波变换后的示意图；

图4为根据本发明的烟雾探测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为根据本发明的烟雾探测器的结构示意图，其结构包括：壳体1；气体腔室2，以及控制单元。其中，气体腔室设置于所述壳体内，用以引入所述壳体1外部气流中的烟雾颗粒；传感单元3，设置于所述气体腔室2内，包括：光源31以及光电元件32；所述光源设置于所述气体腔室的一侧，所述光电元件设置于所述气体腔室的另一侧，所述光电元件用于根据所述气体腔室内的烟雾颗粒对所述光源吸收或散射所产生的光强变化产生电信号。根据所述气体腔室内的烟雾颗粒产生的电信号f(t)如图2所示；其中，t表示时间。

本发明所述的控制单元，针对现有分析火灾中烟雾浓度的计算方法的不足，基于小波变换进行烟雾探测。基于小波变换的控制单元，其利用傅里叶变换算法思想，利用小波作为基波对采集到的电信号f(t)进行变换，获得如图3所示的信号，分析火灾中烟雾浓度的实时变化。

具体而言，如图4所示，当火情发生后，火灾现场产生的烟雾进入烟雾探测器。烟雾探测器内部，由光电元件或者电压元件等针对烟雾浓度的物理量的探测部件构成探测器的传感单元，传感单元对烟雾进行处理获得反应烟雾颗粒的电信号f(t)。而后对该电信号f(t)进行小波变换等处理，以数据信号的形式获得火灾现场的信息，并在需要的时候实现报警。

例如，根据光的散射原理，在一种实施方式下，可通过光电元件将烟雾颗粒的浓度转化为电信号，通过小波变换算法处理电信号，判断系统预设值发出警报信息。

小波变换公式：

其中α为尺度，ι为平移量。尺度α控制小波函数的伸缩量，平移量ι控制小波函数的平移量。尺度α就对应于频率(反比)，平移量ι就对应于时间。

当伸缩、平移达到一种重合情况时，也会相乘得到一个大的值。这时候和傅里叶变换不同的是，这不仅可以知道信号有这样频率的成分，而且知道它在时域上存在的具体位置，通过与预先由试验获得的火灾报警条件进行关于不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值或特征的匹配，一旦发现匹配这样就可以知道某一时刻烟雾的浓度和火灾发展状况。当每个尺度下都进行平移操作和信号乘过一遍后，就可得知道信号在每个位置都包含哪些频率成分，这样就知道随这时间变化烟雾浓度的变化。

这里，不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值或特征可通过预先的实验获得。该阈值或特征数据可被存储于所述控制单元内，或单独存储于一个或若干存储器内，以供控制单元读取调用。所述的阈值或特征包括但不限于预先实验中获得的小波变换后的信号其频域特征点的组合，不同频点信号随时间的变化，或者上述数据的组合。

本发明技术方案的优点主要体现在：

1、小波算法可分析信号的局部特征，使感烟探测器对烟雾浓度的判断更准确，且可确定火灾发生的时间；

2、经过小波变换后，可以得到烟雾浓度的时间-频率数据，即烟雾浓度随时间的变化曲线，这可以有效监控火灾的发展状况。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种烟雾探测器，包括：

壳体(1)；

气体腔室(2)，设置于所述壳体内，用以引入所述壳体(1)外部气流中的烟雾颗粒；

传感单元(3)，设置于所述气体腔室(2)内，用以根据所述气体腔室内的烟雾颗粒产生电信号f(t)；其中，t表示时间；

其特征在于，还包括：

控制单元，所述控制单元被配置为：

接收所述传感单元(3)产生的电信号f(t)；

按照不同尺度α或平移量τ对所述电信号f(t)进行小波变换

其中，

表示有限长的、会衰减的小波；α表示尺度，所述尺度与所述电信号的频率成反比；τ表示平移量，所述平移量与所述电信号的时间对应；

根据所述小波变换WT(α,τ)，获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据，筛选、记录或上传不同尺度α或平移量τ下关于烟雾颗粒的时间-频率数据的局部时间特征，将所述局部时间特征与预先获得的特征进行比对：在所述局部时间特征与预存的火灾发生的特征匹配时，判断该时间点为火灾发生的时间，并在所述关于烟雾颗粒的时间-频率数据满足火灾报警条件时发出报警信号；其中所述火灾报警条件预先由试验获得，所述火灾报警条件包括有与不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值或特征，该阈值或特征数据被存储于所述控制单元内，或单独存储于一个或若干存储器内，以供控制单元读取调用；所述的阈值或特征包括但不限于预先实验中获得的小波变换后的信号其频域特征点的组合，不同频点信号随时间的变化，或者上述数据的组合。

2.如权利要求1所述的烟雾探测器，其特征在于，所述传感单元(3)包括：光源(31)以及光电元件(32)；所述光源设置于所述气体腔室的一侧，所述光电元件设置于所述气体腔室的另一侧，所述光电元件用于根据所述气体腔室内的烟雾颗粒对所述光源吸收或散射所产生的光强变化产生电信号。

3.如权利要求2所述的烟雾探测器，其特征在于，还包括数据传输单元，所述数据传输单元用以输出所述传感单元(3)产生的电信号f(t)、所述小波变换所得信号、所述局部时间特征、所述火灾发生的时间和/或火灾发展状况。

4.如权利要求3所述的烟雾探测器，其特征在于，还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述火灾发生的特征或所述火灾报警条件。

5.一种用于如权利要求1至4任一所述烟雾探测器的烟雾探测方法，其特征在于，步骤包括：

第一步，根据气体腔室内的烟雾颗粒产生电信号f(t)；其中，t表示时间；

第二步，对所述电信号f(t)进行小波变换

其中，

表示有限长的、会衰减的小波；α表示尺度，所述尺度与所述电信号的频率成反比；τ表示平移量，所述平移量与所述电信号的时间对应；

第三步，根据所述小波变换WT(α,τ)，获得关于烟雾颗粒的时间-频率数据，筛选、记录或上传不同尺度α或平移量τ下关于烟雾颗粒的时间-频率数据的局部时间特征，将所述局部时间特征与预先获得的特征进行比对：在所述局部时间特征与预存的火灾发生的特征匹配时，判断该时间点为火灾发生的时间，并在所述关于烟雾颗粒的时间-频率数据满足火灾报警条件时发出报警信号。

6.如权利要求5所述的烟雾探测方法，其特征在于，所述火灾报警条件预先由试验获得，包括有与不同种类的烟雾所对应的烟雾浓度的阈值；

其中，所述阈值为与火灾发生时的烟雾颗粒的时间-频率数据。

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