CN115311835A - 一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其通过多电流扫描的方式得到烟雾电流传输比，再根据本底电流传输比和烟雾电流传输比进而判断烟雾的类别，提高了对黑烟和稀薄烟雾的灵敏度，降低了对非火灾烟雾的误报率，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1、有烟时，使用多电流扫描的方式获取烟雾信号；步骤2、根据无烟本底信号计算无烟情况下的本底电流传输比；步骤3、根据烟雾信号来计算烟雾电流传输比；步骤4、根据本底电流传输比和烟雾电流传输比来判断烟雾的类型。

Description

一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法

技术领域

本发明涉及光电式烟雾探测器相关技术领域，具体涉及一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法。

背景技术

光电式烟雾探测器已经普遍用于住宅以及公共场合，成为火灾检测和消防的常规设备之一。光电式烟雾探测器从其光学器件的数量来看分为单发单收、双发单收和多发多收等类型。更多的光学器件增加了元器件成本、组装和校准的成本，因此改进传统低成本的单发单收的烟雾传感器的性能都是非常值得解决的问题。同时单发单收光学组合也是双发单收、单发双收或者多发多收的光学排列组合中的一个子集，因此改进单发单收的性能也有助于提高多发单收以及多发多收探测器的系统性能。

现有的单发单收结构的典型设计是红外发射管和接收管构成的前向散射光学设计。其存在的问题如下：1、对黑烟和稀薄烟雾的灵敏度不够高。如果黑烟充满检测腔体后发射管发出的光被黑烟大量吸收从而在接收管端检测不到明显信号变化；稀薄烟雾所包含的烟雾颗粒数较少，当发射管点亮时其产生的散射光也比较少，因此接收管端还是检测不到明显信号变化；2、对非火灾烟雾的误报率高。非火灾烟主要是指水蒸气和粉尘颗粒，水蒸气和粉尘颗粒都会造成散射并且超过烟雾探测器的检测阈值后造成误报；3、器件一致性不能得到保证以及存在温度漂移问题；现有的烟雾探测器只在产线上使用普通标准烟箱标定阈值，烟箱本身的浓雾误差较大将导致器件间的一致性不能保证，另外只在工厂常温下校准的方案不能保证全温度范围，最终导致产品受使用环境的影响很大；4、光电式烟雾探测器的无烟本底信号很难完全消除，即使设计和出场保证没有本底，随着时间的推移半导体器件会发生老化而产生偏差，迷宫内部光学侧壁也会因为灰尘累积导致光学信号的改变。对本底信号进行检测并补偿比消除本底更有意义。因此当前亟需设计一种用于光电式烟雾探测器的烟雾检测方法来解决上述这些问题。

发明内容

为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其通过多电流扫描的方式得到烟雾电流传输比，再根据本底电流传输比和烟雾电流传输比进而判断烟雾的类别，提高了对黑烟和稀薄烟雾的灵敏度，降低了对非火灾烟雾的误报率。

其技术方案是这样的：

一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1、有烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集对应的接收管电流，即为烟雾信号Y；

所述驱动电流X由多个驱动电流点组成，X为：X＝[x₁，x₂，…，x_i，…，x_n]，其中n≥2，1≤i≤n，i和n皆为整数，驱动电流点x₁到x_n按电流大小排列，默认顺序为从大到小；

所述烟雾信号Y是指对应于多个驱动电流点的接收管电流，Y为：Y＝[y₁，y₂，…，y_i，…，y_n]；

并且假设探测器的无烟本底信号Y_BK＝[y_bk1，y_bk2，…，y_bki，…，y_bkn]；无烟本底信号Y_BK是指当无烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集得到的对应的接收管电流；

步骤2、根据无烟本底信号Y_BK计算无烟情况下的本底电流传输比CTR_BK，为：

CTR_BK＝Y_BK/X，

即CTR_BK＝[ctr_bk1，ctr_bk2，…，ctr_bki，…，ctr_bkj，…，ctr_bkn]，其中ctr_bki＝y_bki/x_i；

其中1≤i＜j≤n，i，j，n皆为整数；

步骤3、根据烟雾信号Y来计算烟雾电流传输比CTR_Y，为：

CTR_Y＝Y/X，

即CTR_Y＝[ctr_Y1，ctr_Y2，…，ctr_Yi，…，ctr_Yj，…，ctr_Yn]，其中ctr_Yi＝y_i/x_i；

步骤4、根据本底电流传输比CTR_BK和烟雾电流传输比CTR_Y来判断烟雾的类型：

步骤4-1、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是黑烟或者浓度较高的深色烟雾；

阈值CTR_TH范围的取值为±1％～10％，小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指小于CTR_BK×(1-CTR_TH)，大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指大于CTR_BK×(1+CTR_TH)；

步骤4-2、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，并且CTR_Y中超过60％的数据点在CTR_BK×(1-CTR_TH)至CTR_BK之间，则判断是浓度较低的烟雾；进一步的，如果R_CTRY≈R_CTRBK，则判断是深色烟雾，如果R_CTRY＞R_CTRBK×(1+R_TH)，则判断是浅色烟雾；其中R_CTRY为CTR_Y的斜率，R_CTRBK是CTR_BK的斜率，即R_CTRY＝ctr_yi/ctr_yj，R_CTRBK＝ctr_bki/ctr_bkj，R_TH取值一般在5％～20％之间；

步骤4-3、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均大于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾；

步骤4-4、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y与CTR_BK的每个值按照对应的驱动电流点从大到小的顺序来比较出现先小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围、后大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围的情况，则判断是有烟雾进入；进一步的，如果较大的驱动电流点对应的烟雾信号Y的数据为饱和状态，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾；

步骤4-5、如果R_CTRY随时间不断变大，则表明烟雾偏浅而且可能伴随着浓度和颗粒粒径的变化。典型烟雾为水蒸气、厨房油烟以及锂电池热失控的早期挥发电解液等，这类烟雾的特点为颜色偏浅而且会随着时间和环境条件的变化产生新的聚合；

其中R_CTRY为CTB_Y的斜率，即R_CTRY＝ctr_yi/ctr_yj。

进一步的，使用出厂时的校准系数C对所述步骤1中的烟雾信号Y和无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y′＝C×Y和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y′和Y_BK′分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中。

进一步的，根据当前温度值T，对校准后的Y′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y″＝Y′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的Y″和Y_BK″分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中；

其中f(T)＝aT²+bT+c为温度补偿多项式函数，系数a、b、c为拟合系数。

进一步的，所述步骤1中是否有烟的判断方法如下：

步骤a、使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集当前对应的接收管电流，即当前检测信号Y_O；其中当前检测信号Y_O是指当前多电流扫描后对应于多个驱动电流点的接收管电流；

步骤b、计算当前烟雾信号为S＝Y_O-Y_BK、当前信号噪声S_noise和设备本底噪声S_{BK_noise}；其中定义当前信号噪声S_noise为当前检测信号Y_O的均方差，即S_noise＝stdev(Y_O)，设备本底噪声S_{BK_noise}为无烟本底信号Y_BK的均方差，即S_{BK_noise}＝stdev(Y_BK)；

步骤c、如果S＞TH_alarm并且满足S_noise＞k2×S_{BK_noise}，则判断为有烟，否则为无烟；其中k2取值为1-5；报警门限为TH_alarm是指对应于多个驱动电流点的报警门限，TH_alarm为：

TH_alarm＝[TH_alarm1，TH_alarm2，…，TH_alarmi，…，TH_alarmn]。1≤i≤n，i和n皆为整数。

进一步的，步骤d即无烟本底的更新方法，如果满足0.25×TH_alarm≤S≤0.5×TH_alarm和S_noise＞k1×S_{BK_noise}，则无烟本底信号Y_BK的值更新为当前检测信号Y_O的值；其中k1取值为1-5。

进一步的，使用出厂时的校准系数C对所述步骤a中的当前检测信号Y_O和所述步骤b中的无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y_O′＝C×Y_O和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y_O′和Y_BK′分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中。

进一步的，根据当前温度值T，对校准后的Y_O′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y_O″＝Y_O′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的Y_O″和Y_BK″分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中；

其中f(T)＝aT²+bT+c为温度补偿多项式函数，系数a、b、c为拟合系数。

本发明的有益效果为：

1、本发明首先在有烟的情况下，通过多电流扫描的方式得到烟雾信号Y，再通过计算得到本底电流传输比和烟雾电流传输比，最后根据本底电流传输比和烟雾电流传输比进行判断，得出烟雾的类别，提高了对黑烟和稀薄烟雾的灵敏度，降低了对非火灾烟雾的误报率。

2、本发明首先利用出厂时的校准系数对烟雾信号和无烟本底信号进行校准，再根据当前温度值对烟雾信号和无烟本底信号进行温度补偿，使得典型的系统误差即设备与设备之间的误差应控制于±10％以内，提高了器件间的一致性，降低了温度变化的影响；并且经校准和温度补偿之后，降低了光学器件和迷宫对电流传输比的影响，提高了本发明烟雾类型判别的准确性。

3、本发明首先计算当前烟雾信号、当前信号噪声和设备本底噪声，再根据当前烟雾信号和报警门限、当前信号噪声和设备本底噪声，判断是否有烟，提高了有烟检测的准确性；并且经校准和温度补偿之后，降低了工作温度环境、光学器件偏差对信号采集的影响，进一步提高了本发明有烟检测的准确性。

4.本发明的烟雾检测方法是基于有本底信号的迷宫进行的设计，与传统的设计不同，不完全消除本底信号的原因有三个：一、方便生产并减少对加工精度的需求，二、考虑后续积灰或者凝露的影响，本底信号没必要完全消除；三、可以利用本底信号进行自校准和烟雾判断，适用于实际使用场景，特别是随着时间的推移迷宫的灰尘累积问题和光学器件的老化问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的方法流程示意图；

图2为本发明中电流传输比的实例示意图；

图3为本发明实施例2的方法流程示意图；

图4为本发明实施例3的方法流程示意图；

图5为本发明实施例4的方法流程示意图；

图6为本发明实施例5的方法流程示意图；

图7为本发明实施例6的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。

实施例1，如图1所示，一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、有烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集对应的接收管电流，即为烟雾信号Y；

所述驱动电流X由多个驱动电流点组成，X为：X＝[x₁，x₂，…，x_i，…，x_n]，其中n≥2，1≤i≤n，i和n皆为整数，驱动电流点数n为两个或多个，x_i为第i个驱动电流点，单位为mA；X为一个数组，驱动电流点x₁到x_n按电流大小排列，默认顺序为从大到小；虽然多电流扫描是依次扫描检测的，但只要操作时间足够快，比如切换时间小于10mS，而且烟雾是相对慢速变化的信号，那么可以近似地认为是同步采集。

所述烟雾信号Y是指对应于多个驱动电流点的接收管电流，Y为：Y＝[y₁，y₂，…，y_i，…，y_n]；y_i为第i个驱动电流点的接收管电流，单位为nA；Y是接收管的接收电流，为一个数组，其数据对应于驱动电流X，也是发射管和接收管组成的光学通路的数值结果；

并且假设探测器的无烟本底信号Y_BK＝[y_bk1，y_bk2，…，y_bki，…，y_bkn]；无烟本底信号Y_BK是指当无烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集得到的对应的接收管电流；探测器在确保无烟时，每隔一段时间更新无烟本底信号Y_BK，至于如何判断有烟和如何更新无烟本底信号Y_BK在下文中有详细说明。

步骤2、根据无烟本底信号Y_BK计算无烟情况下的本底电流传输比CTR_BK，为：

CTR_BK＝Y_BK/X，

即CTR_BK＝[ctr_bk1，ctr_bk2，…，ctr_bki，…，ctr_bkj，…，ctr_bkn]，其中ctr_bki＝y_bki/x_i；

其中1≤i＜j≤n，i，j，n皆为整数，CTR的单位为nA/mA，即发射管每1mA的驱动电流对应着多少nA的接收管电流。

步骤3、根据烟雾信号Y来计算烟雾电流传输比CTR_Y，为：

CTR_Y＝Y/X，

即CTR_Y＝[ctr_Y1，ctr_Y2，…，ctr_Yi，…，ctr_Yj，…，ctr_Yn]，其中ctr_Yi＝y_i/x_i。

电流传输比反映的是系统光学的情况，如果系统光学环境不变则电流传输比也保持不变。因此，当没有烟雾进入迷宫时，CTR_Y＝CTR_BK；当烟雾进入迷宫检测区域里面的时候会引起光学环境的变化，因此会影响CTR_Y。

步骤4、根据本底电流传输比CTR_BK和烟雾电流传输比CTR_Y来判断烟雾的类型：

步骤4-1、如图2所示，如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是黑烟或者浓度较高的深色烟雾；因为深色烟雾会大量吸收发射光，吸收的光强大于散射的光强，导致电流传输比下降。

阈值CTR_TH范围的取值为±1％～10％，取决于测试经验数据以及所希望的检测严格程度；小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指小于CTR_BK×(1-CTR_TH)，大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指大于CTR_BK×(1+CTR_TH)；

步骤4-2、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，并且CTR_Y中超过60％的数据点在CTR_BK×(1-CTR_TH)至CTR_BK之间，则判断是浓度较低的烟雾；进一步的，如果R_CTRY≈R_CTRBK，则判断是深色烟雾，如果R_CTRY＞R_CTRBK×(1+R_TH)，则判断是浅色烟雾；其中R_CTRY为CTR_Y的斜率，R_CTRBK是CTR_BK的斜率，即R_CTRY＝ctr_yi/ctr_yj，R_CTRBK＝ctr_bki/ctr_bkj，R_TH取值一般在5％～20％之间。当已经判断出有烟的情况下，如果烟雾浓度比较稀薄的情况下，无论是深色还是浅色的烟雾对光线的吸收都比较小，因为迷宫本底反光引起的信号变化一般远大于稀薄颗粒的散射和反射，所以除了看阈值的方法之外，检查电流传输比的某两个电流点x_i和x_j的电流传输比的比值则反映了烟雾的颜色信息。。

一般来说使用最大电流x₁和最小电流x_n进行测试，即i＝1，j＝n。如果ctr_yn，ctr_y1，ctr_bkn，ctr_bk1不可用的话，则可以使用ctr_yj，ctr_yi，ctr_bkj，ctr_bki。

步骤4-3、如图2所示，如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均大于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾；因为浅色烟雾会大量散射发射光，散射的光强大于吸收的光强。

步骤4-4、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y与CTR_BK的每个值按照对应的驱动电流点从大到小的顺序来比较出现先小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围、后大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围的情况，则判断是有烟雾进入；进一步的，如果较大的驱动电流点对应的烟雾信号Y的数据为饱和状态，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾。

步骤4-5、如果R_CTRY随时间不断变大，则表明烟雾偏浅而且可能伴随着浓度和颗粒粒径的变化。典型烟雾为水蒸气、厨房油烟以及锂电池热失控的早期挥发电解液等，这类烟雾的特点为颜色偏浅而且会随着时间和环境条件的变化产生新的聚合。根据米氏散射，当入射光波长固定时，烟雾颗粒越大，颗粒散射越偏向前向散射，因此经历迷宫本底反射后到达接收管的光强会增强，因此在前面判断的基础上如果结合不同时间的CTR_Y的变化情况可以获知烟雾的颗粒聚合情况，水蒸气、厨房油烟以及锂电池热失控的含电解液的烟雾中的颗粒会随着时间产生聚合生成更大的颗粒，因此R_CTRY不断变大。

可以看出，本发明的烟雾检测方法是基于有本底信号的迷宫进行的设计，与传统的设计不同，不完全消除本底信号的原因有三个：一、方便生产并减少对加工精度的需求，二、考虑后续积灰或者凝露的影响，本底信号没必要完全消除；三、可以利用本底信号进行自校准和烟雾判断。这非常适用于实际使用场景，特别是随着时间的推移迷宫的灰尘累积问题和光学器件的老化问题。

实施例2，如图3所示，在实施例1的基础上，使用出厂时的校准系数C对所述步骤1中的烟雾信号Y和无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y′＝C×Y和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y′和Y_BK′分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中。

出厂时的校准系数C可以通过本领域常规的出厂校准获取或者通过本发明人的另一篇专利CN201911345207.1所提供的方法进行生产线校准后的获得，并在出厂时存储于探测器的非易失性存储器中，用于补偿光学系统，在此不做赘述。

实施例3，如图4所示，在实施例2的基础上，根据当前温度值T，对校准后的Y′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y″＝Y′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的U″和Y_BK″分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中。

获取f(T)的方法：控制温控箱以10℃的步长对设备光学系统进行温度测试，至少测试-40～+85℃的温度范围，车载应用的话需要测试到-40～+125℃的温度范围。对每个设备扫描整个温度范围，对每个点记录数据，计算读取数据与常温下数据的误差比值。测试尽可能多的设备并包括不同批次的设备以获得足够的数据分析，一般来说至少做100个设备来获得设备在不同温度点的温度漂移，有多少个设备就决定了在每个温度测试上有多少个测试数据，因此每个温度点可以计算出一个平均值，再对各个温度点的平均值进行多项式拟合来获得温度补偿曲线。多项式函数为二次或者三次曲线，本发明中使用二次曲线，那么拟合的多项式曲线可以定义为f(T)＝aT²+bT+c，系数a、b、c为拟合系数。f(T)值反映的是温度值T下的接收管数值与常温下该接收管数据的比值系数。

光学环境包括光学器件、迷宫以及迷宫检测区域里的颗粒情况，因此可以通过校准、温度补偿来降低了光学器件和迷宫对电流传输比的影响，将本底信号控制在接收管最大输入范围的1％～15％之间，默认控制在2～5％之间，进而提高了上述烟雾检测方法的准确性。

实施例4，光学系统的噪声主要来自于发光管和接收管的噪声，发光管的噪声主要来自于电源，只要控制电源的噪声以及控制点亮的电压时序避开纹波还是容易控制的，因此系统的主要噪声来自于接收链路的噪声，主要是接收电路的本底噪声。

基于上述原理，如图5所示，在实施例3的基础上，所述步骤1中是否有烟的判断方法如下：

步骤a、使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集当前对应的接收管电流，即当前检测信号Y_O；其中当前检测信号Y_O是指当前多电流扫描后对应于多个驱动电流点的接收管电流。

步骤b、计算当前烟雾信号为S＝Y_O-Y_BK；因为带迷宫的光电式烟雾探测器的光学器件或多或少均有偏移量，而且迷宫会因为设计或者灰尘的累积具备一定的本底信号，这些本底信号是直流量，需要从信号中去除。

再计算当前信号噪声S_noise和设备本底噪声S_{BK_noise}；其中定义当前信号噪声S_noise为当前检测信号Y_O的均方差，即S_noise＝stdev(Y_O)，设备本底噪声S_{BK_noise}为无烟本底信号Y_BK的均方差，即S_{BK_noise}＝stdev(Y_BK)。因此这里的噪声是指交流信号的变化程度，只有当探测器迷宫中没有烟雾进入时当前信号噪声S_noise等于设备本底噪声S_{BK_noise}。

步骤c、如果S＞TH_alarm并且满足S_noise＞k2×S_{BK_noise}，则判断为有烟，否则为无烟；其中k2取值为1-5。有烟判断的时间窗口是短时间内的，一般来说是30S以内的变化，典型是以10S或10S以内的时间窗口作为判据。

报警门限为TH_alarm是指对应于多个驱动电流点的报警门限，报警门限需要满足法规的规定，一般来说TH_alarm取值对应的减光率在0.2～1.0dB/m范围内；TH_alarm＝[TH_alarm1，TH_alarm2，…，TH_alarmi，…，TH_alarmn]，1≤i≤n，i和n皆为整数。TH_alarmi为对应着各个驱动电流点的数组，因此不是一个固定值，而是与发射管驱动电流点相关的值，驱动电流点越大则对应的报警门限越大。一定环境下的减光率是客观条件，而同样减光率对应的接收管电流与发光管的驱动电流有关。

实施例5，在无烟情况下由于光学器件不是理想的，而且随着时间的增长，空气中的灰尘也会累积于迷宫表面而改变光学环境引起反光，另外温度和空气湿度的变化也会导致水汽凝结于迷宫内表面引起光学反光，因此需要对无烟本底信号进行更新。

如图6所示，在实施例4的基础上，更新无烟本底信号Y_BK的方法：步骤d、如果满足0.25×TH_alarm≤S≤0.5×TH_alarm和S_noise＞k1×S_{BK_noise}，确保不是在有烟的情况下，则无烟本底信号Y_BK的值更新为当前检测信号Y_O的值；其中k1取值为1-5。由于无烟本底信号变化比较缓慢，因此更新间隔时间较长，一般设置大于30分钟。

实施例6，光学环境包括光学器件、迷宫以及迷宫检测区域里的颗粒情况，因此可以通过校准、温度补偿来降低了光学器件和迷宫对信号采集过程的影响，提高了接收信号的准确性，进而提高了上述是否有烟的判断方法的准确性。

如图7所示，在实施例5的基础上，采用与实施例2中采用的方法相同，使用出厂时的校准系数C对所述步骤a中的当前检测信号Y_O和所述步骤b中的无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y_O′＝C×Y_O和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y_O′和Y_BK′分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中。

进一步的，可以根据当前温度值T，对校准后的Y_O′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y_O″＝Y_O′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的Y_O″和Y_BK″分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中。

介绍CTR(Current Transfer Ratio，电流传输比)的概念，单位为nA/mA，这是一种衡量光学系统电流转换效率的通用方法，发光管驱动发光的电流单位用mA来表示，接收管接收到的电流单位用nA来表示，CTR表示为发光管每发射出1mA电流，接收管接收到多少nA的电流。CTR的公式表达如下：

CTR＝I_PD/I_LED

CTR的单位为nA/mA；I_PD是接收管的接收电流，单位为nA；I_LED是发光管的驱动电流，单位为mA。

介绍PTR(Power Transfer Rate，功率传输比)的概念，单位为nW/mW，这是一种衡量光学系统功率转换效率的通用方法，即发射管每发射出1mW能量，经迷宫和烟雾散射后到达接收管的能量(以nW为单位)。因为每个电路板的器件参数存在误差，器件老化程度也有所不同，使用功率传输比作为度量单位可以有效地规避系统电气参数的影响。烟雾探测器法规里面的减光率或者遮蔽系数与PTR是直接相关的，所以解决PTR的误差就是解决系统误差。

PTR的公式表达如下：

PTR＝P_PD/P_LED，

PTR的单位为nW/mW；P_PD是接收管的接收功率，单位为nW；P_LED是发光管发光功率，单位为mW。

P_PD＝η_PD×I_PD，

P_PD是接收管的接收功率，单位为nW；I_PD是接收管接收电流，单位为nA；η_PD是接收管在对应发光管波长下的接收效率，单位为nW/nA。

P_LED＝η_LED×I_LED，

P_LED是发光管发光功率，单位为mW；I_LED是发光管驱动电流，单位为mA；η_LED是发光管在I_LED电流下的效率，单位为mW/mA。

因此可以得出PTR与CTR的关系如下：

η_PD和η_LED只跟选定的光学器件有关，如果光学器件选定并且配置设定好之后两者是常量。因此，为简化计算和便于理解我们在本发明使用CTR，同理也适用于PTR。

因此，使用CTR、PTR以及接收管电流I_PD进行数据分析的本质是一样的，使用PTR或CTR后有助于规避电气参数的影响而专注于本质进行研究。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1、有烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集对应的接收管电流，即为烟雾信号Y；

所述驱动电流X由多个驱动电流点组成，X为：X＝[x₁，x₂，…，x_i，…，x_n]，其中n≥2，1≤i≤n，i和n皆为整数，驱动电流点x₁到x_n按电流大小排列，默认顺序为从大到小；

所述烟雾信号Y是指对应于多个驱动电流点的接收管电流，Y为：Y＝[y₁，y₂，…，y_i，…，y_n]；

并且假设探测器的无烟本底信号Y_BK＝[y_bk1，y_bk2，…，y_bki，…，y_bkn]；无烟本底信号Y_BK是指当无烟时，使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集得到的对应的接收管电流；

步骤2、根据无烟本底信号Y_BK计算无烟情况下的本底电流传输比CTR_BK，为：

CTR_BK＝Y_BK/X，

即CTR_BK＝[ctr_bk1，ctr_bk2，…，ctr_bki，…，ctr_bkj，…，ctr_bkn]，其中ctr_bki＝y_bki/x_i；其中1≤i＜j≤n，i，j，n皆为整数；

步骤3、根据烟雾信号Y来计算烟雾电流传输比CTR_Y，为：

CTR_Y＝Y/X，

即CTR_Y＝[ctr_Y1，ctr_Y2，…，ctr_Yi，…，ctr_Yj，…，ctr_Yn]，其中ctr_Yi＝y_i/x_i；

步骤4、根据本底电流传输比CTR_BK和烟雾电流传输比CTR_Y来判断烟雾的类型。

2.根据权利要求1的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述步骤4包括：

步骤4-1、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是黑烟或者浓度较高的深色烟雾；

其中阈值CTR_TH范围的取值为±1％～10％，小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指小于CTR_BK×(1-CTR_TH)，大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围是指大于CTR_BK×(1+CTR_TH)；

步骤4-2、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均小于CTR_BK，并且CTR_Y中超过60％的数据点在CTR_BK×(1-CTR_TH)至CTR_BK之间，则判断是浓度较低的烟雾；

步骤4-3、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y的每个值均大于CTR_BK，或者CTR_Y中超过60％的数据点大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾；

步骤4-4、如果在相同驱动电流点下，CTR_Y与CTR_BK的每个值按照对应的驱动电流点从大到小的顺序来比较出现先小于CTR_BK的阈值CTR_TH范围、后大于CTR_BK的阈值CTR_TH范围的情况，则判断是有烟雾进入；进一步的，如果较大的驱动电流点对应的烟雾信号Y的数据为饱和状态，则判断是白烟或者浓度较高的浅色烟雾。

3.根据权利要求2的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述步骤4-2还包括：针对浓度较低的烟雾，如果R_CTRY≈R_CTRBK，则判断是深色烟雾，如果R_CTRY＞R_CTRBK×(1+R_TH)，则判断是浅色烟雾；

其中R_CTRY为CTR_Y的斜率，R_CTRBK是CTR_BK的斜率，即R_CTRY＝ctr_yi/ctr_yj，R_CTRBK＝ctr_bki/ctr_bkj，R_TH取值一般在5％～20％之间。

4.根据权利要求2的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述步骤4还包括：步骤4-5、如果R_CTRY随时间不断变大，则表明烟雾偏浅而且可能伴随着浓度和颗粒粒径的变化；典型为水蒸气、厨房油烟以及锂电池热失控的早期挥发电解液；

其中R_CTRY为CTR_Y的斜率，即R_CTRY＝ctr_yi/ctr_yj。

5.根据权利要求1的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：使用出厂时的校准系数C对所述步骤1中的烟雾信号Y和无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y′＝C×Y和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y′和Y_BK′分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中。

6.根据权利要求5的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：根据当前温度值T，对校准后的Y′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y″＝Y′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的Y″和Y_BK″分别替代Y和Y_BK用于所述步骤2至步骤4中；

其中f(T)＝aT²+bT+c为温度补偿多项式函数，系数a、b、c为拟合系数。

7.根据权利要求1的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：所述步骤1中是否有烟的判断方法如下：

步骤a、使用多电流扫描的方式对同一个发射管采用不同的驱动电流X进行驱动并采集当前对应的接收管电流，即当前检测信号Y_O；

其中当前检测信号Y_O是指当前多电流扫描后对应于多个驱动电流点的接收管电流；

步骤b、计算当前烟雾信号为S＝Y_O-Y_BK、当前信号噪声S_noise和设备本底噪声S_{BK_noise}；

其中定义当前信号噪声S_noise为当前检测信号Y_O的均方差，即S_noise＝stdev(Y_O)，设备本底噪声S_{BK_noise}为无烟本底信号Y_BK的均方差，即S_{BK_noise}＝stdev(Y_BK)；

步骤c、如果S＞TH_alarm并且满足S_noise＞k2×S_{BK_noise}，则判断为有烟，否则为无烟；其中k2取值为1-5；报警门限为TH_alarm是指对应于多个驱动电流点的报警门限，TH_alarm为：TH_alarm＝[TH_alarm1，TH_alarm2，…，TH_alarmi，…，TH_alarmn]。1≤i≤n，i和n皆为整数。

8.根据权利要求7的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：还包括步骤d、即无烟本底信号的更新方法，如果满足0.25×TH_alarm≤S≤0.5×TH_alarm和S_noise＞k1×S_{BK_noise}，则无烟本底信号Y_BK的值更新为当前检测信号Y_O的值；其中k1取值为1-5。

9.根据权利要求8的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：使用出厂时的校准系数C对所述步骤a中的当前检测信号Y_O和所述步骤b中的无烟本底信号Y_BK进行校准，分别得到校准后的Y_O′＝C×Y_O和Y_BK′＝C×Y_BK；并将校准后的Y_O′和Y_BK′分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中。

10.根据权利要求9的一种光电式烟雾探测器的基于多电流扫描的烟雾检测方法，其特征在于：根据当前温度值T，对校准后的Y_O′和Y_BK′进行温度补偿，分别得到温度补偿后的Y_O″＝Y_O′/f(T)和Y_BK″＝Y_BK′/f(T)；并将温度补偿后的Y_O″和Y_BK″分别替代Y_O和Y_BK用于所述步骤b-d中；

其中f(T)＝aT²+bT+c为温度补偿多项式函数，系数a、b、c为拟合系数。

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