CN118334814A - 一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统，涉及火灾探测领域，温度火焰调制光开关包括衬底；依次堆叠在所述衬底上的缓冲层、相变层以及反射层；所述相变层能够根据温度改变其自身光学透过率；所述反射层用于降低所述温度火焰调制光开关的反射率。本发明采用的温度火焰调制光开关，可以探测光和温度的变化；同时电路中加入烟雾传感器，减少误报率。该探测系统可以适用于各种场景，用户可以在移动端上对报警的条件进行设置。与其他火灾探测器相比，速度更快，误报率更低，而且可以在火灾发生前及时提醒用户，前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及火灾预警技术领域，特别是一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统。
背景技术
在火灾中，发现火情的“黄金时间”至关重要，及早发现与处理火情，可以越早帮助人们从火灾中脱身。从众多火灾事件中，人们认识到火灾报警器存在精确与灵敏度较差的问题。现阶段的市场中流通的报警装置，大多采用单式光感或热感的单电路识别模式，而在火灾中很容易由于光的遮挡或温度感应不灵敏等情况导致信号变化不明显，从而出现漏判且单电路模式极易由于某部件损坏而导致感应器损坏。
火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1～10μm或更宽的范围。使用近红外进行探测，具有响应速度快、成本低、无污染、对人体无危害等优势。
二氧化钒是一种有吸引力的温度传感材料，在约68℃时经历了从单斜晶系到金属四方态的热相变，其电阻和近红外光学特性发生了变化。一些研究已经证明了二氧化钒作为热探测器在火灾预警方面的广阔潜力，然而，基于电信号变化的实时监测在极端环境中可能会过早失效。相比之下，利用其特有的热显色性和对近红外光的高透性(室温下)，可以将来自明火的异常热量和火焰统一作为光信号的变化，并由唯一的非接触式终端传感器进行监测，从而很大程度上减少了探测器在火灾中的故障时间。
基于此，现提出一种基于相变材料的火灾探测器及探测系统，利用二氧化钒的特性采用光感热感同时监测模式，且对光热的感应呈现非线性的跃变，可以大幅度提升其精准程度与处理时间，且性能损耗率极小，做到“不误判，不晚判”的标准。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题在于如何提升火灾探测器的精确度与灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明的第一个目的是提供一种温度火焰调制光开关，其包括，衬底；依次堆叠在所述衬底上的缓冲层、相变层以及反射层；所述相变层能够根据温度改变其自身光学透过率；所述反射层用于降低所述温度火焰调制光开关的反射率。
作为本发明所述温度火焰调制光开关的一种优选方案，其中：所述衬底的材料为蓝宝石，所述缓冲层的材料为氧化铝，所述相变层的材料为二氧化钒，所述反射层的材料为二氧化硅。
作为本发明所述温度火焰调制光开关的一种优选方案，其中：所述衬底的厚度为0.5mm～5mm，所述缓冲层的厚度为1nm～50nm，所述相变层的厚度为5nm～500nm，所述反射层的厚度为10nm～100nm。
本发明的第二个目的是提供一种火灾探测器，其包括所述的温度火焰调制光开关，还包括，底座以及与其配合的外罩；监测组件，其设置于所述底座与所述外罩之间，所述监测组件包括红外发射模块和红外接收模块；透光保护壳，其设置于所述外罩的表面，所述温度火焰调制光开关设置于所述透光保护壳的内侧。
作为本发明所述火灾探测器的一种优选方案，其中：所述温度火焰调制光开关与所述红外接收模块之间的角度和距离分别为45°和80mm。
作为本发明所述火灾探测器的一种优选方案，其中：所述监测组件还包括电路板，以及设置于所述电路板上的微控制器模块、WIFI模块、烟雾传感模块和蜂鸣器。
作为本发明所述火灾探测器的一种优选方案，其中：在所述底座(500)的内侧还设置有电源模块，所述电源模块用于给所述电路板供电。
本发明第三个目的是提供一种火灾探测系统，其特征在于：包括，所述的火灾探测器；服务器单元，用于接收并传递所述火灾探测器的状态信息；用户端，其与所述服务器单元进行信息交互。
作为本发明所述火灾探测系统的一种优选方案，其中：所述服务器单元配置有人工智能模型，所述人工智能模型由所述火灾探测器的测试数据库训练而成。
作为本发明所述火灾探测系统的一种优选方案，其中：所述用户端包括火灾报警软件，所述服务器单元的数据显示在所述火灾报警软件上。
本发明有益效果为：本发明采用的温度火焰调制光开关，可以探测光和温度的变化；同时电路中加入烟雾传感器，减少误报率。该探测系统可以适用于各种场景，用户可以在移动端上对报警的条件进行设置。与其他火灾探测器相比，速度更快，误报率更低，而且可以在火灾发生前及时提醒用户，前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为温度火焰调制光开关的剖面视图。
图2为火灾探测器的结构示意图。
图3为温度火焰调制光开关原理示意图。
图4为火灾探测系统的原理框图。
图5为只有明火时的探测器响应曲线图。
图6为只有异常热时的探测器响应曲线图。
图7为明火和异常热同时存在时的探测器响应曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细地说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独地或选择性地与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种温度火焰调制光开关S，该温度火焰调制光开关S包括：
衬底100，选用的材料为C面蓝宝石，起到支撑上层材料的作用。
缓冲层200，其设置于衬底100的上表面，选用的材料为氧化铝，作用为了提高其上层的相变层300的形成质量和结合力。
相变层300，其设置于缓冲层200的上表面，采用的材料为二氧化钒，二氧化钒具有特殊的热显色性和对近红外光的高透性(室温下)，可以将来自明火的异常热量和火焰统一作为光信号的变化，相变层300能够随着温度改变其自身的折射率或介电常数，从而影响特定波段的光学透过率。
反射层400，其设置于相变层300的上表面，采用的材料为二氧化硅，反射层400能够降低整个温度火焰调制光开关S的反射率，进而提升器件和系统的灵敏度，同时反射层400也能对温度火焰调制光开关S起到保护作用。
值得说明的是，温度火焰调制光开关S的制备采用脉冲激光沉积技术。蓝宝石材质的衬底100的靶材为99.99％的高纯V靶。衬底100经丙酮溶液，酒精依次超声清洗去脂，然后用去离子水反复冲洗，最后用高纯氮气吹干。在沉积开始前将真空腔室内本底真空抽至1.0×10-4Pa。
具体的制备条件为:衬底100温度550℃，激光能量为200mJ，溅射频率为5Hz，氧压为3Pa，保温10min。为提高薄膜的均匀性，靶材与基片转速设定在18r/min。薄膜厚度通过台阶仪校正并利用沉积时间控制。
优选的，衬底100的厚度为0.5mm～5mm，缓冲层200的厚度为1nm～50nm，相变层300的厚度为5nm～500nm，反射层400的厚度为10nm～100nm。
另外，该温度火焰调制光开关S是在50℃下通过镀膜工艺制备的，可以有效减少折射和漫反射的干扰，而且热重分析证明温度火焰调制光开关S具有较高的耐热性，在209℃之前几乎不产生挥发物，因此该温度火焰调制光开关S可以在不直接接触火焰或高温的情况下进行预警，可以在火灾蔓延阶段之前探测到较早的火灾；实验证明，在长期近红外辐射下具有良好的稳定性。
在使用时，明火，异常热或者明火与异常热的耦合都会使得相变层300对近红外波段的光线做出反应，从而改变自身的折射率或者介电常数，继而改变电信号对火灾进行报警。
实施例2
参照图2～图4，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，本实施例提供一种火灾探测器，该火灾探测器基于实施例1中的温度火焰调制光开关S。
具体的，如图2所示，包括底座500和外罩600，两者组成探测器的完整壳体，且底座500和外罩600通过螺纹连接，装卸方便。
在底座500和外罩600的内部还安装有监测组件700，监测组件700包括电路板703，以及设置于电路板703上的微控制器模块704、WIFI模块705、烟雾传感模块706和蜂鸣器707。另外在底座500的内侧还设置有电源模块501，电源模块501可以给电路板703及其上的各模块供电，如图4所示。外罩600上设置有开孔，烟雾传感模块706和蜂鸣器707分别安装在开孔下。
同时，在电路板703上还安装有红外发射模块701和红外接收模块702。
在外罩500的中心处还设置有透光保护壳800，透光保护壳800呈半球形，在其内部设置有温度火焰调制光开关S，在红外发射模块701和红外接收模块702以及透光保护壳800之间还设置有保护柱900，保护柱900为中空圆柱形并将红外发射模块701和红外接收模块702包裹。
优选的，微控制器模块704采用STM32F103系列，可以在-40℃到+125℃范围内工作，而且具有低功耗、成本低、高性能等优点。
WIFI模块705采用ESP8266系列，可以将探测到的信息传输到服务器，以便用户查询。
烟雾传感模块706采用MQ-2烟雾传感器，具有低成本、灵敏度高、响应快、稳定性好和寿命长的优点。
电源模块501采用锂电池模块，具有受温度影响小、能量密度大和循环次数高等优点。
电路板703上的红外发射模块701发射近红外波段的光，与温度火焰调制光开关S配合使用，通过光的耦合与解耦实现对光和温度的同时探测。
具体的，红外发射模块701发射近红外波段的光会照射在所述的温度火焰调制光开关S上并反射被红外接收模块702所接收。当发生火灾时会存在三种情况：
情况一：当单独产生明火时。
此时火焰发出的近红外光透射过所述的温度火焰调制光开关S，红外接收模块702接收到红外发射模块701发射的红外线以及透射过来的火焰红外线，红外接收模块702接收到的信号强度会骤升，导致超过明火预警阈值，随后趋于稳定，进而获得一种只有明火时的探测器响应曲线。
情况二：当单独产生异常热时。
当温度发生改变时，温度火焰调制光开关S对于红外线的反射率会发生改变，此时红外接收模块702接收到的信号也会发生改变。不同于与明火的瞬时响应，由于空气对温度火焰调制光开关S的热传递存在一定的滞后，红外接收模块702的信号强度由于相变使温度火焰调制光开关S在加热过程中反射率减少，导致低于温度预警阈值，随后趋于稳定，进而获得一种只有异常热时的探测器响应曲线。
情况三：当明火和异常热同时存在时。
由于火焰感应的瞬时性，此时红外接收模块702的信号强度仅在短时间内骤升超过阈值，并在后续加热过程中由于相变，温度火焰调制光开关S反射率减少，响应曲线回落，进而获得一种当明火和异常热同时存在时的响应曲线。
优选的，温度火焰调制光开关S与红外接收模块702之间的角度和距离分别为45°和80mm。在该角度和距离下，该探测器可获得最优的探测灵敏度，可以在1s内对明火进行快速响应。
为了验证其技术效果，对该角度和距离进行实验证明，并定义该角度和距离分别为α和L，如图3所示。
在发射率实验中，首先将红外发射模块701固定，然后调整α和L并记录红外接收模块702的输出值(输出区间为0到100，值越小表示接收的近红外辐射越多)。在相同的L值(L＝80mm)下，α在0～90°的范围内变化，当α＝45°时，红外接收模块702的输出值最小，也即接收的近红外辐射最多，如表1所示。这主要是由于漫反射和镜面反射的转换，当α＝45°时，红外接收模块701接收到的红外信号主要来自温度火焰调制开关表面的镜面反射，否则，来自漫反射光和部分散射光的叠加。另外，漫反射和散射的存在对于L的设置至关重要，当L过小(L＝40mm)时，α＝45°、60°和75°处的输出值差异不显著。这是由于监测点与反射面距离过短时，漫反射和散射光的强烈干扰，如表2所示。
表1在相同L值下，α取不同值时红外接收模块702的输出值。
| L＝80mm | 红外接收模块702的输出值 |
| α＝15° | 85.6 |
| α＝30° | 75.1 |
| α＝45° | 64.7 |
| α＝60° | 76.0 |
| α＝75° | 81.2 |
表2在不同的L与阿尔法的取值下，红外接收模块702的输出值。
另外，在透过率测试中，将红外发射模块701固定在火焰位置，发射稳定的近红外信号，然后调整α和L，同时记录红外接收模块702的输出值。随着L的缩短，在相同的α下，输出呈线性减小，如表3所示。当L固定时，旋转过程中输出没有明显变化。结果表明，红外接收模块702与温度火焰调制开关之间的距离越近，接收到的信号越强。相反，在0到90°范围内，输出几乎与α无关，如表4所示。
表3当α＝45°时，不通过的L值下红外接收模块702的输出值。
| L的值 | 红外接收模块702的输出值 |
| 160mm | 60.7 |
| 120mm | 57.4 |
| 80mm | 54.2 |
| 40mm | 50.3 |
表4当L＝80mm时，不同的α值下红外接收模块702的输出值。
| α | 红外接收模块702的输出值 |
| 15° | 54.4 |
| 30° | 54.2 |
| 45° | 54.2 |
| 60° | 54.3 |
| 75° | 54.5 |
综上，将α和L分别设置为45°和80mm，以获得最优的探测灵敏度。
实施例3
参照图4～图7，为本发明第三个实施例，该实施例基于前两个实施例。本实施例提供一种火灾探测系统，该系统包括实施例2中的火灾探测器，还包括：
服务器单元1000和用户端1100，所述的火灾探测器将监测的信息上传到服务器单元1000，服务器单元1000将存储的信息传递到用户端1100。用户端1100上安装有火灾报警软件，用户可以在软件上随时随地监控部署该火灾探测系统的房间内各项数据，并在火灾发生时，这些火灾场景信息将对持有相应的用户端1100的消防救援人员可见，以辅助现场消防救援行动和决策。
优选的，在服务器单元1000上部署有根据所述的火灾探测器收集的数据建立的训练数据库，以及根据训练数据库训练而成的人工智能模型。该人工智能模型通过火灾探测器中红外接收模块702获得的信号强度响应曲线进行机器学习获得。
首先需要说明的是，当发生火灾时通常会存在三种情况：
情况一：当单独产生明火时。
此时火焰发出的近红外光透射过所述的温度火焰调制光开关S，红外接收模块702接收到红外发射模块701发射的红外线以及透射过来的火焰红外线，红外接收模块702接收到的信号强度会骤升，导致超过明火预警阈值，随后趋于稳定，进而获得一种只有明火时的探测器响应曲线，如图5所示。
情况二：当单独产生异常热时。
当温度发生改变时，温度火焰调制光开关S对于红外线的反射率会发生改变，此时红外接收模块702接收到的信号也会发生改变。不同于与明火的瞬时响应，由于空气对温度火焰调制光开关S的热传递存在一定的滞后，红外接收模块702的信号强度由于相变使温度火焰调制光开关S在加热过程中反射率减少，导致低于温度预警阈值，随后趋于稳定，进而获得一种只有异常热时的探测器响应曲线，如图6所示。
情况三：当明火和异常热同时存在时。
由于火焰感应的瞬时性，此时红外接收模块702的信号强度仅在短时间内骤升超过阈值，并在后续加热过程中由于相变，温度火焰调制光开关S反射率减少，响应曲线回落，进而获得一种当明火和异常热同时存在时的响应曲线，如图7所示。
由于上述三种响应曲线存在较大差异，也在一定程度上简化了火灾状态的判断算法。在将训练模型部署到设备上检验器件精确度时，在响应明火和异常热的耦合情况的全部46个数据点中，只有2个数据点误判，即准确率为95.7％。
综上，通过训练所得模型，当火灾发生时，该系统能够及时有效地对客户进行提醒。用户也可以在用户端1100上查看根据部署该火灾探测系统的房间内获得的数据预测的火灾发生概率，并向用户提供建议，降低火灾发生概率。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种温度火焰调制光开关(S)，其特征在于：包括，
衬底(100)；
依次堆叠在所述衬底(100)上的缓冲层(200)、相变层(300)以及反射层(400)；
所述相变层(300)能够根据温度改变其自身光学透过率；
所述反射层(400)用于降低所述温度火焰调制光开关(S)的反射率。
2.如权利要求1所述的温度火焰调制光开关(S)，其特征在于：所述衬底(100)的材料为蓝宝石，所述缓冲层(200)的材料为氧化铝，所述相变层(300)的材料为二氧化钒，所述反射层(400)的材料为二氧化硅。
3.如权利要求1或2所述的温度火焰调制光开关(S)，其特征在于：所述衬底(100)的厚度为0.5mm～5mm，所述缓冲层(200)的厚度为1nm～50nm，所述相变层(300)的厚度为5nm～500nm，所述反射层(400)的厚度为10nm～100nm。
4.一种火灾探测器，其特征在于：包括如权利要求1～3任一项所述的温度火焰调制光开关(S)，还包括，
底座(500)以及与其配合的外罩(600)；
监测组件(700)，其设置于所述底座(500)与所述外罩(600)之间，所述监测组件(700)包括红外发射模块(701)和红外接收模块(702)；
透光保护壳(800)，其设置于所述外罩(600)的表面，所述温度火焰调制光开关(S)设置于所述透光保护壳(800)的内侧。
5.如权利要求4所述的火灾探测器，其特征在于：所述温度火焰调制光开关(S)与所述红外接收模块(702)之间的角度和距离分别为45°和80mm。
6.如权利要求5所述的火灾探测器，其特征在于：所述监测组件(700)还包括电路板(703)，以及设置于所述电路板(703)上的微控制器模块(704)、WIFI模块(705)、烟雾传感模块(706)和蜂鸣器(707)。
7.如权利要求6所述的火灾探测器，其特征在于：在所述底座(500)的内侧还设置有电源模块(501)，所述电源模块(501)用于给所述电路板(703)供电。
8.一种火灾探测系统，其特征在于：包括，
如权利要求4～7任一项所述的火灾探测器；
服务器单元(1000)，用于接收并传递所述火灾探测器的状态信息；
用户端(1100)，其与所述服务器单元(1000)进行信息交互。
9.如权利要求8所述的火灾探测系统，其特征在于：所述服务器单元(1000)配置有人工智能模型，所述人工智能模型由所述火灾探测器的测试数据库训练而成。
10.如权利要求8或9所述的火灾探测系统，其特征在于：所述用户端(1100)包括火灾报警软件，所述服务器单元(1000)的数据显示在所述火灾报警软件上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410379568.2A CN118334814A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410379568.2A CN118334814A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118334814A true CN118334814A (zh) | 2024-07-12 |
Family
ID=91779869
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410379568.2A Pending CN118334814A (zh) | 2024-03-29 | 2024-03-29 | 一种温度火焰调制光开关、火灾探测器及火灾探测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118334814A (zh) |
-
2024
- 2024-03-29 CN CN202410379568.2A patent/CN118334814A/zh active Pending
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