CN112945280A - 基于电容式麦克风的多变量检测装置及灾害感测方法 - Google Patents

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CN112945280A CN202110179637.1A CN202110179637A CN112945280A CN 112945280 A CN112945280 A CN 112945280A CN 202110179637 A CN202110179637 A CN 202110179637A CN 112945280 A CN112945280 A CN 112945280A
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Abstract

本发明涉及传感器领域，公开了基于电容式麦克风的多变量检测装置及灾害感测方法，包括多变量检测传感器和检测变换电路，多变量检测传感器和检测变换电路相连，多变量检测传感器包括电容式麦克风和具有预设容积的透光性的透明腔室，电容式麦克风包括电容式麦克风框体，电容式麦克风框体的一侧设有驻极体膜，电容式麦克风框体的另一侧开设有小直径孔，电容式麦克风框体内设有对置电极，驻极体膜和对置电极构成电容器；透明腔室内部设有作为转换单元的黑色海绵。本发明建立了多变量灾害感测整体模型，并且通过频率特性或卡尔曼滤波器有效地监测火灾、地震和侵入者闯入等灾祸征兆；实现了一个传感装置检测多变量，提高了安防系统安全性。

Description

基于电容式麦克风的多变量检测装置及灾害感测方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地涉及基于电容式麦克风的多变量检测装置及灾害感测方法。
背景技术
传感器应用的范围正在从工厂扩展到公共场所和房屋，针对安全性、独居老人健康监测和家庭医疗保健系统的传感器的设计变得越来越重要。用于监测和/或控制工厂设施的感测装置必须准确并且高度可靠，这些感测装置设计用于独立于其它变量来测量单个物理变量，例如压力、流量或温度等。由于存在多种传感器，每个传感器独立地测量物理变量，虽然可以通过选择和组合传感器可以容易并且自由地设计感测系统，但是同时使用多个感测装置使得感测系统变得庞大、复杂并且昂贵。因此，亟需一种可以同时感测多个变量且能够进行多灾祸检测的多变量检测装置及多灾祸感测方法。
发明内容
本发明提供基于电容式麦克风的多变量检测装置及灾害感测方法，从而解决现有技术的上述问题。
第一方面，本发明提供了一种基于电容式麦克风的多变量检测装置，包括多变量检测传感器(1)和检测变换电路(2)，多变量检测传感器(1)和检测变换电路(2)相连，多变量检测传感器(1)包括电容式麦克风(3)和具有预设容积的透光性的透明腔室(4)，电容式麦克风(3)包括电容式麦克风框体，电容式麦克风框体的一侧设有驻极体膜(5)，电容式麦克风框体的另一侧开设有若干个小直径孔(6)，电容式麦克风框体内设有与驻极体膜(5)相对应的对置电极(7)，驻极体膜(5)和对置电极(7)构成电容器；电容式麦克风(3)位于多变量检测传感器(1)的一侧，电容式麦克风(3)用于将与驻极体膜(5)的位移量对应变化的静电电容的值转化为电压信号并输出；透明腔室(4)的一端附接在电容式麦克风(3)的一侧的外表面上、且对多变量检测传感器(1)的另一侧进行密封；透明腔室(4)用于将电容式麦克风框体与驻极体膜(5)之间存在的空气泄漏密合于电容式麦克风(3)，使电容式麦克风(3)的频率特性向低频侧扩展；透明腔室(4)内部设有作为转换单元的黑色海绵(8)，黑色海绵(8)用于将经由透明腔室(4)传输的光以及热转换为压力从而使驻极体膜(5)移位。
本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置具有覆盖电容式麦克风前侧并含有黑色海绵的透明腔室，在稳态条件下，腔室中的内部压力与大气压力相同。将透明腔室附接至电容式麦克风产生了新的感测功能，本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置不仅能够作为声学传感器使用，还同时能够作为压力传感器、温度传感器、加速度传感器和发光检测传感器使用。
进一步的，驻极体膜(5)和对置电极(7)分别通过绝缘垫圈与电容式麦克风框体连接。
进一步的，检测变换电路(2)包括晶体管(21)、减法电路(22)、低通电路(23)和判断电路(24)，晶体管(21)包括第一引线(210)、第二引线(211)和第三引线(212)，第一引线(210)与对置电极(7)连接，第二引线(211)和第三引线(212)分别与减法电路(22)连接，减法电路(22)用于减去来自晶体管(21)的输出电压信号中的直流部分；减法电路(22)与低通电路(23)连接，低通电路(23)用于获取减去直流部分后的输出电压信号中的低频侧信号e、并将低频侧信号e输入至判断电路(24)；低通电路(23)与判断电路(24)连接，判断电路(24)用于基于低频侧信号e的时序数据与低频侧信号e频率特性的组合对多变量检测传感器(1)检测到的灾害种类进行判定、将判定结果作为判定信号rg输出。
进一步的，低通电路(23)包括若干个不同频带信号通过的带通滤波器，判断电路(24)包括与所述若干个不同频带信号通过的带通滤波器分别对应连接的若干个放大器以及判定部件；若干个不同频带信号通过的带通滤波器包括让第一频带信号通过的低通滤波器、让第二频带信号通过的带通滤波器、让第三频带信号通过的带通滤波器、让第四频带信号通过的带通滤波器、让第五频带信号通过的带通滤波器；来自让第一频带信号通过的低通滤波器的输出信号以及来自所述让第二频带信号通过的带通滤波器的输出信号分别通过放大器后再通过加法器进行叠加、并输出火灾信号SN；来自让第三频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出开闭门信号SI；来自让第四频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出盗窃信号SP；来自让第五频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出地震信号SE；判定部件用于获取火灾信号SN、开闭门信号SI、盗窃信号SP和地震信号SE中发生变化的信号，根据发生变化的信号的信息以及特征判定发生的灾害种类、并将判定结果作为判定信号rg输出。
进一步的，第一频带信号的截止频率为0.1Hz，第二频带信号的频率范围为3Hz～6Hz；第三频带信号的频率范围为7Hz～10Hz，第四频带信号的频率范围为10Hz～15Hz，第五频带信号的频率范围为0.5Hz～10Hz。
在电容式麦克风中，保持驻极体膜以及对置电极的绝缘垫圈的间隙成为某种程度的节流孔，在驻极体膜的前后存在有空气泄漏。绝缘垫圈的节流孔的开口面积与电容式麦克风框体的敝开部的面积以及小直径孔的面积相比非常小。因此，流量电阻r极大，空气压传递函数HPF中的截止频率1/(2πrV)极小，即通过安装透明腔室能够使电容式麦克风的频率特性向低频侧扩展。截止频率的公式为1/(2πrV)，通过减小空气泄漏而流量电阻r变大，此外，通过增大透明腔室的内部空间的容积V而截止频率变小。因而，通过适当限定透明腔室的容积V，能够使电容式麦克风7的频率特性扩展至例如0.1Hz以下的极低频区域。
另一方面，本发明提供了一种多变量灾害感测方法，包括以下步骤：
S1)设置基于电容式麦克风的多变量检测装置，将基于电容式麦克风的多变量检测装置放置于待进行多变量灾害检测室内；
S2)获取基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号，利用基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号建立多变量传感器传递函数；
S3)通过多变量传感器传递函数构建多变量灾害感测整体模型，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性或卡尔曼滤波器；
S4)利用频率特性对灾害种类进行判定，或通过卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果。
在发生火灾时，不仅会产生热量、光和烟雾，还有大火的波动。室温随着火势蔓延而成比例地升高，并且发生空气对流。房间内的压力随着温度逐渐升高，并伴随着波动。在闯入的情况下，房间中的静压由于门的打开和关闭而改变，并且产生试图用不正确的钥匙打开锁门的声音。此外，当侵入者打开房间内的灯光时会发出光。在发生地震时，房屋会振动，并且会发生加速。本发明通过基于电容式麦克风的多变量检测装置建立多灾祸感测整体模型，并且通过设计频率特性或卡尔曼滤波器能够有效地监测例如火灾、地震和侵入者闯入等灾害征兆。
进一步的，在步骤S2)中，基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号为(Ps+Pd+Po+(m/k)a+nR(Cr·l+T)/V)，Ps为电容式麦克风的周围的静压变动，Pd为动压变动，Po为声压，a为驻极体膜产生的加速度，l为黑色海绵接收到的光的照射量，T为黑色海绵的周围的温度变化量，k为驻极体膜每单位面积的弹簧常数，m为驻极体膜的质量，n为透明腔室内的空气的摩尔数，R为空气的气体常数，Cr为照射到黑色海绵上的光产生的辐射热产生系数；所述多变量传感器传递函数包括电容式麦克风的空气压传递函数HPF和从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF，所述电容式麦克风的空气压传递函数HPF＝srV/(1+srV)，s为拉普拉斯算子，所述从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF＝((Q/Cc)/(1+sCcRc))，r为空气泄漏的流量电阻，V为透明腔室的容积，Q为驻极体膜的永久电荷量，Cc为静电电容，Rc为晶体管的输入阻抗。
进一步的，在步骤S3)中，通过多变量传感器传递函数构建多灾祸感测整体模型，多灾祸感测整体模型包括火灾模型、室内入侵模型和地震模型；多灾祸感测整体模型为
Figure BDA0002941797110000051
ω(t)为具有方差r的测量噪声，v(t)为系统噪声；对所述多灾祸感测整体模型设计卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器为
Figure BDA0002941797110000052
K为卡尔曼增益，A为系统矩阵，
Figure BDA0002941797110000053
A1为系统矩阵的第一矩阵，
Figure BDA0002941797110000054
Af为系统矩阵中关于火灾的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000061
ωf为发生火灾时的火焰角频率，ζf为发生火灾时与火焰角频率同步变化的室内的静压具有的阻尼系数；AI为系统矩阵中关于侵入者开锁的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000062
ωi、ζi分别为侵入者入侵室内进行开锁时产生的声音具有的角频率和阻尼系数；AO为系统矩阵中关于侵入者开门和关门的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000063
ωo、ζo分别为侵入者开门和关门时改变室内静压具有的角频率和阻尼系数；Al表示系统矩阵中关于侵入者开灯的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000064
ωl、ζl分别为侵入者开灯时具有的角频率和阻尼系数；Ae1为系统矩阵中关于地震本身的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000065
ωe1、ζe1分别为地震发生时的具有的角频率和阻尼系数；Ae2为系统矩阵中关于房屋振动的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000066
ωe2、ζe2分别为与房屋振动相对应的角频率和阻尼系数；B为系统噪声矩阵，B＝[0 1 0 ωf0 ωi 0 ωo 0 ωl 0 ωe1 0 ωe2]T；C为状态变量系数矩阵，
Figure BDA0002941797110000067
x(t)为状态变量矩阵，x(t)＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14]T，x1、x2、x3和x4分别为火灾模型中的若干个不同的状态变量；x5、x6、x7、x8、x9和x10分别为室内入侵模型中的若干个不同的状态变量；x11、x12、x13和x14分别为地震模型中的若干个不同的状态变量；在步骤S4)中，通过卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果，还包括利用卡尔曼滤波器分别获取与火灾模型中的若干个不同的状态变量、室内入侵模型中的若干个不同的状态变量和地震模型中的若干个不同的状态变量分别相对应的估计值；设置若干个不同的估计值阈值，当状态变量xj的估计值大于与状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将状态变量xj设置为开启状态；当状态变量xj的估计值不大于与状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将状态变量xj设置为关闭状态；j＝1、2、...、14；依次获得所有状态变量的状态，根据所有状态变量的状态获得多灾祸感测结果。
进一步的，在步骤S3)中，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性，包括通过判断电路、并基于低频侧信号e的时序数据与低频侧信号e频率特性的组合，分别对电容式麦克风的周围的静压变动、动压变动、声压、驻极体膜产生的加速度、黑色海绵接收到的光的照射量、黑色海绵的周围的温度变化量相关的物理现象进行判定、并判定物理现象为火灾、门的开闭、盗窃以及地震中的至少一种。
进一步的，在步骤S3)中，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性，具体包括：频率特性中，与判断电路用于识别伴随着火灾的温度变化的第一频带相比，判断电路中用于识别伴随着火灾的静压变动的第二频带为高频侧；与第二频带相比，判断电路中用于识别伴随着门的开闭的静压变动的第三频带为高频侧；与第三频带相比，判断电路中用于识别伴随着盗窃的声音的第四频带为高频侧；与第一频带相比，判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为高频侧；与第四频带相比，判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为低频侧；利用频率特性中关于第一频带的特性识别伴随着火灾的静压变动；利用与第一频带相比为高频侧的第二频带的特性识别伴随着火灾的温度变化；利用与第二频带相比为高频侧的第三频带的特性识别伴随着门的开闭的静压变动；利用与第三频带相比为高频侧的第四频带的特性识别伴随着盗窃的声音；利用与第一频带相比为高频侧且与第四频带相比为低频侧的第五频带的特性识别伴随着地震的加速度。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种利用单体检测压力、加速度、温度等多个物理量的传感器以及根据该传感器的输出识别多种物理现象的多灾害识别方法，本发明将透明腔室附接至电容式麦克风产生了新的感测功能，本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置不仅能够作为声学传感器使用，还同时能够作为压力传感器、温度传感器、加速度传感器和发光检测传感器等使用。本发明通过基于电容式麦克风的多变量检测装置建立多灾祸感测整体模型，并且通过设计频率特性或卡尔曼滤波器能够有效地监测火灾、地震和侵入者闯入等灾害征兆。本发明不仅实现了一种装置检测多个变量的功能，而且还能够及时检测监测火灾、地震和侵入者闯入等灾害，能够应用于多种安防场合，提高了安防系统的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例一提供的基于电容式麦克风的多变量检测装置结构示意图。
图2为本实施例一提供的电容式麦克风结构示意图。
图3为本实施例一提供的多变量灾害感测方法的流程示意图。
图4为本实施例二提供的关于多灾祸感测整体模型的系统框图。
图5为本实施例二提供的简化后的多灾祸感测整体模型的系统框图。
1、多变量检测传感器，2、检测变换电路，21、晶体管，210、第一引线，211、第二引线，212、第三引线，22、减法电路，23、低通电路，24、判断电路，3、电容式麦克风，4、透明腔室，5、驻极体膜，6、小直径孔，7、对置电极，8、黑色海绵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他单元。
实施例一，第一方面，本发明提供了一种基于电容式麦克风的多变量检测装置，如图1所示，包括多变量检测传感器1和检测变换电路2，多变量检测传感器1和检测变换电路2相连，多变量检测传感器1包括电容式麦克风3和具有预设容积的透光性的透明腔室4，电容式麦克风3包括电容式麦克风框体，电容式麦克风框体的一侧设有驻极体膜5，电容式麦克风框体的另一侧开设有若干个小直径孔6，电容式麦克风框体内设有与驻极体膜5相对应的对置电极7，驻极体膜5和对置电极7构成电容器；电容式麦克风3位于多变量检测传感器1的一侧，电容式麦克风3用于将与驻极体膜5的位移量对应变化的静电电容的值转化为电压信号并输出；透明腔室4的一端附接在电容式麦克风3的一侧的外表面上、且对多变量检测传感器1的另一侧进行密封；透明腔室4用于将电容式麦克风框体与驻极体膜5之间存在的空气泄漏密合于电容式麦克风3，使电容式麦克风3的频率特性向低频侧扩展；透明腔室4内部设有作为转换单元的黑色海绵8，黑色海绵8用于将经由透明腔室4传输的光以及热转换为压力从而使驻极体膜5移位。
本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置具有覆盖电容式麦克风前侧并含有黑色海绵的透明腔室，在稳态条件下，腔室中的内部压力与大气压力相同。对于火灾，由于与火焰相关的次声以及室温的逐渐升高，静压会改变大约2Hz。对于闯入，由于开门和关门，静态次声压力会改变大约10Hz。当侵入者打开灯时，光线会照射到黑色海绵上并产生辐射热，从而增加外壳内部的温度和压力。对于地震，当感测装置在垂直于压力检测的驻极体膜表面的方向上加速移动时，驻极体膜的质量和外壳中的空气的总和产生与加速度成比例的力。本发明将透明腔室附接至电容式麦克风产生了新的感测功能，本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置不仅能够作为声学传感器使用，还同时能够作为压力传感器、温度传感器、加速度传感器和发光检测传感器使用。
驻极体膜5和对置电极7分别通过绝缘垫圈与电容式麦克风框体连接。
检测变换电路2包括晶体管21、减法电路22、低通电路23和判断电路24，晶体管21包括第一引线210、第二引线211和第三引线212，第一引线210与对置电极7连接，第二引线211和第三引线212分别与减法电路22连接，减法电路22用于减去来自晶体管21的输出电压信号中的直流部分；减法电路22与低通电路23连接，低通电路23用于获取减去直流部分后的输出电压信号中的低频侧信号e、并将低频侧信号e输入至判断电路24；低通电路23与判断电路24连接，判断电路24用于基于低频侧信号e的时序数据与低频侧信号e频率特性的组合对多变量检测传感器1检测到的灾害种类进行判定、将判定结果作为判定信号rg输出。
低通电路23包括若干个不同频带信号通过的带通滤波器，判断电路24包括与若干个不同频带信号通过的带通滤波器分别对应连接的若干个放大器以及判定部件；若干个不同频带信号通过的带通滤波器包括让第一频带信号通过的低通滤波器、让第二频带信号通过的带通滤波器、让第三频带信号通过的带通滤波器、让第四频带信号通过的带通滤波器、让第五频带信号通过的带通滤波器；来自让第一频带信号通过的低通滤波器的输出信号以及来自让第二频带信号通过的带通滤波器的输出信号分别通过放大器后再通过加法器进行叠加、并输出火灾信号SN；来自让第三频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出开闭门信号SI；来自让第四频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出盗窃信号SP；来自让第五频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出地震信号SE；判定部件用于获取火灾信号SN、开闭门信号SI、盗窃信号SP和地震信号SE中发生变化的信号，根据发生变化的信号的信息以及特征判定发生的灾害种类、并将判定结果作为判定信号rg输出。
第一频带信号的截止频率为0.1Hz，第二频带信号的频率范围为3Hz～6Hz；第三频带信号的频率范围为7Hz～10Hz，第四频带信号的频率范围为10Hz～15Hz，第五频带信号的频率范围为0.5Hz～10Hz。
在电容式麦克风中，保持驻极体膜以及对置电极的绝缘垫圈的间隙成为某种程度的节流孔，在驻极体膜的前后存在有空气泄漏。绝缘垫圈的节流孔的开口面积与电容式麦克风框体的敝开部的面积以及小直径孔的面积相比非常小。因此，流量电阻r极大，空气压传递函数HPF中的截止频率1/(2πrV)极小，即通过安装透明腔室能够使电容式麦克风的频率特性向低频侧扩展。截止频率的公式为1/(2πrV)，通过减小空气泄漏而流量电阻r变大，此外，通过增大透明腔室的内部空间的容积V而截止频率变小。因而，通过适当限定透明腔室的容积V，能够使电容式麦克风7的频率特性扩展至例如0.1Hz以下的极低频区域。
另一方面，本发明提供了一种多变量灾害感测方法，如图3所示,包括以下步骤：
S1)设置基于电容式麦克风的多变量检测装置，将基于电容式麦克风的多变量检测装置放置于待进行多变量灾害检测室内；
S2)获取基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号，利用基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号建立多变量传感器传递函数；
S3)通过多变量传感器传递函数构建多变量灾害感测整体模型，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性；
S4)利用频率特性对灾害种类进行判定，获得多变量灾害感测结果。
在发生火灾时，不仅会产生热量、光和烟雾，还有大火的波动。室温随着火势蔓延而成比例地升高，并且发生空气对流。房间内的压力随着温度逐渐升高，并伴随着波动。在闯入的情况下，房间中的静压由于门的打开和关闭而改变，并且产生试图用不正确的钥匙打开锁门的声音。此外，当侵入者打开房间内的灯光时会发出光。在发生地震时，房屋会振动，并且会发生加速。本发明通过基于电容式麦克风的多变量检测装置建立多灾祸感测整体模型，并且通过设计频率特性或卡尔曼滤波器能够有效地监测例如火灾、地震和侵入者闯入等灾害征兆。
在步骤S2)中，基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号为(Ps+Pd+Po+(m/k)a+nR(Cr·l+T)/V)，Ps为电容式麦克风的周围的静压变动，Pd为动压变动，Po为声压，a为驻极体膜产生的加速度，l为黑色海绵接收到的光的照射量，T为黑色海绵的周围的温度变化量，k为驻极体膜每单位面积的弹簧常数，m为驻极体膜的质量，n为透明腔室内的空气的摩尔数，R为空气的气体常数，Cr为照射到黑色海绵上的光产生的辐射热产生系数；所述多变量传感器传递函数包括电容式麦克风的空气压传递函数HPF和从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF，电容式麦克风的空气压传递函数HPF＝srV/(1+srV)，s为拉普拉斯算子，从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF＝((Q/Cc)/(1+sCcRc))，r为空气泄漏的流量电阻，V为透明腔室的容积，Q为驻极体膜的永久电荷量，Cc为静电电容，Rc为晶体管的输入阻抗。
在步骤S3)中，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性，包括通过判断电路、并基于低频侧信号e的时序数据与低频侧信号e频率特性的组合，分别对电容式麦克风的周围的静压变动、动压变动、声压、驻极体膜产生的加速度、黑色海绵接收到的光的照射量、黑色海绵的周围的温度变化量相关的物理现象进行判定、并判定物理现象为火灾、门的开闭、盗窃以及地震中的至少一种。
在步骤S3)中，对多变量灾害感测整体模型设计频率特性，具体包括：频率特性中，与判断电路用于识别伴随着火灾的温度变化的第一频带相比，判断电路中用于识别伴随着火灾的静压变动的第二频带为高频侧；与第二频带相比，判断电路中用于识别伴随着门的开闭的静压变动的第三频带为高频侧；与第三频带相比，判断电路中用于识别伴随着盗窃的声音的第四频带为高频侧；与第一频带相比，判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为高频侧；与第四频带相比，判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为低频侧；利用频率特性中关于第一频带的特性识别伴随着火灾的静压变动；利用与第一频带相比为高频侧的第二频带的特性识别伴随着火灾的温度变化；利用与第二频带相比为高频侧的第三频带的特性识别伴随着门的开闭的静压变动；利用与第三频带相比为高频侧的第四频带的特性识别伴随着盗窃的声音；利用与第一频带相比为高频侧且与第四频带相比为低频侧的第五频带的特性识别伴随着地震的加速度。
实施例二，本发明提供了一种多变量灾害感测方法，包括以下步骤：
S11)设置基于电容式麦克风的多变量检测装置，将基于电容式麦克风的多变量检测装置放置于待进行多变量灾害检测室内；
S22)获取基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号，利用基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号建立多变量传感器传递函数；
S33)通过多变量传感器传递函数构建多变量灾害感测整体模型，对多变量灾害感测整体模型设计卡尔曼滤波器；
S44)通过卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果。
在步骤S33)中，通过多变量传感器传递函数构建多灾祸感测整体模型，如图4所示，多灾祸感测整体模型包括火灾模型A、室内入侵模型B和地震模型C；对多灾祸感测整体模型设计卡尔曼滤波器，多灾祸感测整体模型为
Figure BDA0002941797110000141
ω(t)为具有方差r的测量噪声，v(t)为系统噪声；卡尔曼滤波器为
Figure BDA0002941797110000142
K为卡尔曼增益，A为系统矩阵，
Figure BDA0002941797110000143
A1为系统矩阵的第一矩阵，
Figure BDA0002941797110000144
Af为系统矩阵中关于火灾的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000145
ωf为发生火灾时的火焰角频率，ζf为发生火灾时与火焰角频率同步变化的室内的静压具有的阻尼系数；AI为系统矩阵中关于侵入者开锁的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000151
ωi、ζi分别为侵入者入侵室内进行开锁时产生的声音具有的角频率和阻尼系数；AO为系统矩阵中关于侵入者开门和关门的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000152
ωo、ζo分别为侵入者开门和关门时改变室内静压具有的角频率和阻尼系数；Al表示系统矩阵中关于侵入者开灯的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000153
ωl、ζl分别为侵入者开灯时具有的角频率和阻尼系数；Ae1为系统矩阵中关于地震本身的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000154
ωe1、ζe1分别为地震发生时的具有的角频率和阻尼系数；Ae2为系统矩阵中关于房屋振动的子矩阵，
Figure BDA0002941797110000155
ωe2、ζe2分别为与房屋振动相对应的角频率和阻尼系数；B为系统噪声矩阵，B＝[0 1 0 ωf0 ωi 0 ωo 0 ωl 0 ωe1 0 ωe2]T；C为状态变量系数矩阵，
Figure BDA0002941797110000156
x(t)为状态变量矩阵，x(t)＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14]T，x1、x2、x3和x4分别为火灾模型中的若干个不同的状态变量；x5、x6、x7、x8、x9和x10分别为室内入侵模型中的若干个不同的状态变量；x11、x12、x13和x14分别为地震模型中的若干个不同的状态变量。
本发明利用基于电容式麦克风的多变量检测装置获取的六个物理变量构建多灾祸感测整体模型。在发生火灾时，室温ΔT逐渐升高，并且火焰的强度周期性地在ωf的角频率附近变化，这导致房间中的静压与火焰频率同步地变化并具有一定的阻尼ζf。在闯入的情况下，侵入者试图找到正确的钥匙来开锁，并且这种行为产生的声音具有角频率ωi和阻尼系数ζi。在将门解锁之后，侵入者缓慢地开门并关门，从而以角频率ωo和阻尼系数ζo改变室内的静压。当侵入者打开灯时，以角频率ωl和阻尼系数ζl发射光。在地震的情况下，存在至少两个主要振动分量，一个对应于地震本身，具有角频率ωe1和阻尼系数ζe1，另一个是房屋的振动，具有角频率ωe2和阻尼系数ζe2。
在发生火灾时，不仅会产生热量、光和烟雾，还有大火的波动。室温随着火势蔓延而成比例地升高，并且发生空气对流。房间内的压力随着温度逐渐升高，并伴随着波动。在闯入的情况下，房间中的静压由于门的打开和关闭而改变，并且产生试图用不正确的钥匙打开锁门的声音。此外，当侵入者打开房间内的灯光时会发出光。在发生地震时，房屋会振动，并且会发生加速。本发明通过基于电容式麦克风的多变量检测装置建立多灾祸感测整体模型，并且通过卡尔曼滤波器能够有效地监测例如火灾、地震和侵入者闯入等灾祸征兆。
在步骤S44)中，通过卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果，还包括利用卡尔曼滤波器分别获取与火灾模型中的若干个不同的状态变量、室内入侵模型中的若干个不同的状态变量和地震模型中的若干个不同的状态变量分别相对应的估计值；设置若干个不同的估计值阈值，当状态变量xj的估计值大于与状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将状态变量xj设置为开启状态；当状态变量xj的估计值不大于与状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将状态变量xj设置为关闭状态；j＝1、2、...、14；依次获得所有状态变量的状态，根据所有状态变量的状态获得多灾祸感测结果。
在步骤S44)中，利用卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多灾害感测结果，还可以包括设置若干个不同的估计值变化阈值，获取与火灾模型中的若干个不同的状态变量、室内入侵模型中的若干个不同的状态变量和地震模型中的若干个不同的状态变量分别相对应的估计值变化值，当状态变量值xj的估计值变化值大于与状态变量xj相对应的估计值变化阈值λj时，将状态变量xj设置为开启状态；当状态变量xj的估计值不大于与状态变量xj相对应的估计值变化阈值λj时，将状态变量xj设置为关闭状态；j＝1、2、...、14；依次获得所有状态变量的状态，根据所有状态变量的状态获得多灾祸感测结果。
本实施例二中，对多灾祸感测整体模型中的参数进行了设置，ωf＝ωo＝ωl＝ωe1＝2×2π，ωi＝ωe2＝10×2π，ζf＝ζi＝ζo＝ζl＝ζe1＝ζe2＝0，将多灾害感测整体模型的状态变量方程式的维数从14减小到6。本实施例中获得简化后的多灾害感测整体模型，如图5所示，卡尔曼滤波器在图5简化后的多灾害感测整体模型下提供了关于状态变量x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)和x6(t)的估计。状态变量x1(t)、x2(t)与火灾灾祸相关。状态变量x3(t)、x4(t)与火灾灾祸、开门和关门、打开和关闭灯光以及地震相关联。状态变量x5(t)、x6(t)与将上锁的门解锁和由地震引起的房屋振动相关联。如果观察到状态变量x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)、x5(t)和x6(t)中的估计值变化值或者状态变量超过某些阈值，则状态为开启；否则状态为关闭。根据上述判断获得状态判断表(见表1)，根据状态判断表获得多灾害感测结果。
表1状态判断表
Figure BDA0002941797110000171
Figure BDA0002941797110000181
表1
本实施例二的其余步骤与实施例一相同，在此不再赘述。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明将透明外壳附接至电容式麦克风产生了新的感测功能，本发明设置的基于电容式麦克风的多变量检测装置不仅能够作为声学传感器使用，还同时能够作为压力传感器、温度传感器、加速度传感器和发光检测传感器等使用。本发明通过基于电容式麦克风的多变量检测装置建立多灾祸感测整体模型，并且通过设计频率特性或卡尔曼滤波器能够有效地监测火灾、地震和侵入者闯入等灾祸征兆。本发明不仅实现了一种装置检测多个变量的功能，而且还能够及时检测监测火灾、地震和侵入者闯入等灾祸，能够应用于多种安防场合，提高了安防系统的安全性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，包括多变量检测传感器(1)和检测变换电路(2)，所述多变量检测传感器(1)和所述检测变换电路(2)相连，所述多变量检测传感器(1)包括电容式麦克风(3)和具有预设容积的透光性的透明腔室(4)，所述电容式麦克风(3)包括电容式麦克风框体，所述电容式麦克风框体的一侧设有驻极体膜(5)，所述电容式麦克风框体的另一侧开设有若干个小直径孔(6)，所述电容式麦克风框体内设有与所述驻极体膜(5)相对应的对置电极(7)，所述驻极体膜(5)和所述对置电极(7)构成电容器；所述电容式麦克风(3)位于多变量检测传感器(1)的一侧，所述电容式麦克风(3)用于将与所述驻极体膜(5)的位移量对应变化的静电电容的值转化为电压信号并输出；所述透明腔室(4)的一端附接在所述电容式麦克风(3)的一侧的外表面上、且对所述多变量检测传感器(1)的另一侧进行密封；所述透明腔室(4)用于将所述电容式麦克风框体与所述驻极体膜(5)之间存在的空气泄漏密合于所述电容式麦克风(3)，使电容式麦克风(3)的频率特性向低频侧扩展；所述透明腔室(4)内部设有作为转换单元的黑色海绵(8)，所述黑色海绵(8)用于将经由透明腔室(4)传输的光以及热转换为压力从而使所述驻极体膜(5)移位。
2.根据权利要求1所述的基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，所述驻极体膜(5)和所述对置电极(7)分别通过绝缘垫圈与所述电容式麦克风框体连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，所述检测变换电路(2)包括晶体管(21)、减法电路(22)、低通电路(23)和判断电路(24)，所述晶体管(21)包括第一引线(210)、第二引线(211)和第三引线(212)，所述第一引线(210)与所述对置电极(7)连接，所述第二引线(211)和所述第三引线(212)分别与所述减法电路(22)连接，所述减法电路(22)用于减去来自晶体管(21)的输出电压信号中的直流部分；所述减法电路(22)与所述低通电路(23)连接，所述低通电路(23)用于获取减去直流部分后的输出电压信号中的低频侧信号e、并将所述低频侧信号e输入至判断电路(24)；所述低通电路(23)与所述判断电路(24)连接，所述判断电路(24)用于基于所述低频侧信号e的时序数据与所述低频侧信号e频率特性的组合对所述多变量检测传感器(1)检测到的灾害种类进行判定、将判定结果作为判定信号rg输出。
4.根据权利要求3所述的基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，所述低通电路(23)包括若干个不同频带信号通过的带通滤波器，所述判断电路(24)包括与所述若干个不同频带信号通过的带通滤波器分别对应连接的若干个放大器以及判定部件；所述若干个不同频带信号通过的带通滤波器包括让第一频带信号通过的低通滤波器、让第二频带信号通过的带通滤波器、让第三频带信号通过的带通滤波器、让第四频带信号通过的带通滤波器、让第五频带信号通过的带通滤波器；来自所述让第一频带信号通过的低通滤波器的输出信号以及来自所述让第二频带信号通过的带通滤波器的输出信号分别通过放大器后再通过加法器进行叠加、并输出火灾信号SN；来自所述让第三频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出开闭门信号SI；来自所述让第四频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出盗窃信号SP；来自所述让第五频带信号通过的带通滤波器的输出信号通过放大器后输出地震信号SE；所述判定部件用于获取火灾信号SN、开闭门信号SI、盗窃信号SP和地震信号SE中发生变化的信号，根据所述发生变化的信号的信息以及特征判定发生的灾害种类、并将判定结果作为判定信号rg输出。
5.根据权利要求4所述的基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，所述第一频带信号的截止频率为0.1Hz，所述第二频带信号的频率范围为3Hz～6Hz；所述第三频带信号的频率范围为7Hz～10Hz，所述第四频带信号的频率范围为10Hz～15Hz，所述第五频带信号的频率范围为0.5Hz～10Hz。
6.一种多变量灾害感测方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的基于电容式麦克风的多变量检测装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1)设置基于电容式麦克风的多变量检测装置，将所述基于电容式麦克风的多变量检测装置放置于待进行多变量灾害检测室内；
S2)获取基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号，利用所述基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号建立多变量传感器传递函数；
S3)通过所述多变量传感器传递函数构建多变量灾害感测整体模型，对所述多变量灾害感测整体模型设计频率特性或卡尔曼滤波器；
S4)利用所述频率特性对灾害种类进行判定，或通过所述卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果。
7.根据权利要求6所述的多变量灾害感测方法，其特征在于，在步骤S2)中，所述基于电容式麦克风的多变量检测装置的输入信号为(Ps+Pd+Po+(m/k)a+nR(Cr·l+T)/V)，Ps为电容式麦克风的周围的静压变动，Pd为动压变动，Po为声压，a为驻极体膜产生的加速度，l为黑色海绵接收到的光的照射量，T为黑色海绵的周围的温度变化量，k为驻极体膜每单位面积的弹簧常数，m为驻极体膜的质量，n为透明腔室内的空气的摩尔数，R为空气的气体常数，Cr为照射到黑色海绵上的光产生的辐射热产生系数；所述多变量传感器传递函数包括电容式麦克风的空气压传递函数HPF和从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF，所述电容式麦克风的空气压传递函数HPF＝srV/(1+srV)，s为拉普拉斯算子，所述从电容式麦克风到低通电路的电气传递函数LPF＝((Q/Cc)/(1+sCcRc))，r为空气泄漏的流量电阻，V为透明腔室的容积，Q为驻极体膜的永久电荷量，Cc为静电电容，Rc为晶体管的输入阻抗。
8.根据权利要求6或7所述的多变量灾害感测方法，其特征在于，在步骤S3)中，通过所述多变量传感器传递函数构建多灾祸感测整体模型，所述多灾祸感测整体模型包括火灾模型、室内入侵模型和地震模型；所述多灾祸感测整体模型为
Figure FDA0002941797100000041
ω(t)为具有方差r的测量噪声，v(t)为系统噪声；对所述多灾祸感测整体模型设计卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器为
Figure FDA0002941797100000042
K为卡尔曼增益，A为系统矩阵，
Figure FDA0002941797100000043
A1为系统矩阵的第一矩阵，
Figure FDA0002941797100000044
Af为系统矩阵中关于火灾的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000045
ωf为发生火灾时的火焰角频率，ζf为发生火灾时与火焰角频率同步变化的室内的静压具有的阻尼系数；AI为系统矩阵中关于侵入者开锁的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000046
ωi、ζi分别为侵入者入侵室内进行开锁时产生的声音具有的角频率和阻尼系数；AO为系统矩阵中关于侵入者开门和关门的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000047
ωo、ζo分别为侵入者开门和关门时改变室内静压具有的角频率和阻尼系数；Al表示系统矩阵中关于侵入者开灯的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000051
ωl、ζl分别为侵入者开灯时具有的角频率和阻尼系数；Ae1为系统矩阵中关于地震本身的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000052
ωe1、ζe1分别为地震发生时的具有的角频率和阻尼系数；Ae2为系统矩阵中关于房屋振动的子矩阵，
Figure FDA0002941797100000053
ωe2、ζe2分别为与房屋振动相对应的角频率和阻尼系数；B为系统噪声矩阵，B＝[0 1 0 ωf 0 ωi 0 ωo 0 ωl 0 ωe1 0ωe2]T；C为状态变量系数矩阵，
Figure FDA0002941797100000054
x(t)为状态变量矩阵，x(t)＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14]T，x1、x2、x3和x4分别为火灾模型中的若干个不同的状态变量；x5、x6、x7、x8、x9和x10分别为室内入侵模型中的若干个不同的状态变量；x11、x12、x13和x14分别为地震模型中的若干个不同的状态变量；在步骤S4)中，通过所述卡尔曼滤波器对灾害的所有状态变量进行估计，获得多变量灾害感测结果，还包括利用卡尔曼滤波器分别获取与火灾模型中的若干个不同的状态变量、室内入侵模型中的若干个不同的状态变量和地震模型中的若干个不同的状态变量分别相对应的估计值；设置若干个不同的估计值阈值，当状态变量xj的估计值大于与所述状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将所述状态变量xj设置为开启状态；当状态变量xj的估计值不大于与所述状态变量xj相对应的估计值阈值θj时，将所述状态变量xj设置为关闭状态；j＝1、2、...、14；依次获得所有状态变量的状态，根据所有状态变量的状态获得多灾祸感测结果。
9.根据权利要求6或7所述的多变量灾害感测方法，其特征在于，在步骤S3)中，对所述多变量灾害感测整体模型设计频率特性，包括通过判断电路、并基于低频侧信号e的时序数据与低频侧信号e频率特性的组合，分别对电容式麦克风的周围的静压变动、动压变动、声压、驻极体膜产生的加速度、黑色海绵接收到的光的照射量、黑色海绵的周围的温度变化量相关的物理现象进行判定、并判定所述物理现象为火灾、门的开闭、盗窃以及地震中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的多变量灾害感测方法，其特征在于，在步骤S3)中，对所述多变量灾害感测整体模型设计频率特性，具体包括：所述频率特性中，与所述判断电路用于识别伴随着火灾的温度变化的第一频带相比，所述判断电路中用于识别伴随着火灾的静压变动的第二频带为高频侧；与所述第二频带相比，所述判断电路中用于识别伴随着门的开闭的静压变动的第三频带为高频侧；与所述第三频带相比，所述判断电路中用于识别伴随着盗窃的声音的第四频带为高频侧；与所述第一频带相比，所述判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为高频侧；与所述第四频带相比，所述判断电路中用于识别伴随着地震的加速度的第五频带为低频侧；利用所述频率特性中关于第一频带的特性识别伴随着火灾的静压变动；利用与所述第一频带相比为高频侧的第二频带的特性识别伴随着火灾的温度变化；利用与所述第二频带相比为高频侧的第三频带的特性识别伴随着门的开闭的静压变动；利用与所述第三频带相比为高频侧的第四频带的特性识别伴随着盗窃的声音；利用与所述第一频带相比为高频侧且与所述第四频带相比为低频侧的第五频带的特性识别伴随着地震的加速度。
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