CN203786862U - 一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件，包括滤光片、硅光电池、电流转电压电路、滤波电路、电压放大电路、过压保护电路六部分。接收烟颗粒散射光采用大光敏面的硅光电池；窄带滤光片有效增强对环境光的抗干扰能力；信号处理电路主要应用两级运放和若干电阻、电容依次组成将硅光电池的电流转电压电路、一阶RC高通滤波电路，电压放大电路，以及过压保护电路。本实用新型的光学接收组件，具有装置简单，灵敏度高，抗外界环境干扰能力的优点。

Description

一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件

技术领域

本实用新型属于火灾探测领域，具体涉及一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件。

背景技术

在火灾发生的早期阶段，绝大部分情况下都会产生一定量的烟雾，明火产生不完全燃烧颗粒组成的黑烟，阴燃火产生可燃物热解而成的小液滴灰色烟雾，无论黑烟还是灰烟，都会对照射在其上的光产生吸收或者散射作用，根据透过烟雾路径的光强度或者根据烟雾散射的光强，可以判断烟雾浓度的大小，以此判定火灾发生与否。根据此原理研制成的火灾烟雾报警器已经广泛应用于各种场景的火灾早期探测。

市面上绝大部分的火灾报警器接收烟雾散射光强的元器件是红外光电二极管。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。由于光电二极管的接收光面积很小，将光转化为电信号的敏感度较低，一般用在较为普通的感烟火灾探测器，对高灵敏度感烟火灾探测器应用难度较大。

随着光电行业的长期发展，目前硅光电池的技术已经较为成熟。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。由于硅光电池的光电接收面积较大，对光转化为电信号的能力较强，可以直接产生一定的电压，可以用于高灵敏度感烟火灾探测器的接收组件。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术的上述缺陷，提供一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件。

本实用新型采用的技术方案为：

一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件，包括滤光片、硅光电池、电流转电压电路、滤波电路、电压放大电路、过压保护电路六部分；其中：

滤光片为窄带滤光片，窄带滤光片大小、形状和硅光电池光敏面相同，滤光片置于硅光电池光敏面前面，滤光片四周外围将其与硅光电池粘合一起；

选择敏感光和所述火灾烟雾报警器发射光波长相同或者至少相近的硅光电池，硅光电池两脚的正负极，分别标示为“SS+”和“SS-”；将“SS+”连接到“地”和运算放大器的同相输入，“SS-”连接到运算放大器的反相输入，将R1和C2并联，然后接到运算放大器输出端和反相输入端之间，完成运算放大器的负反馈，电流转电压电路输出电压值V₀＝I*R1；将V₀后端接入一阶RC高通滤波电路；

滤波电路后端将接入电压信号放大电路，放大后电压为Vout；经过放大的电压信号再经过开关二极管组成的过压保护电路，Vout接到开关二极管的共端，开关二极管的另外两个脚分别一个接参考电压，一个接地。

与已有的火灾报警器散射光接收组件相比，本实用新型采用大光敏面的硅光电池，对微弱散射光探测能力大大提高，具有探测出较低火灾烟雾浓度的能力，因此可以应用于高灵敏度的火灾感烟探测报警器；对于高灵敏度的火灾探测器，自然光、灯光等外界环境光会对探测器造成一定干扰，与散射光波长、硅光电池最敏感光波长相同的窄带滤光片的使用，可以大大减小环境光变化对探测器的影响；使用两级运算放大器构成电流转电压以及电压放大电路，电路简单，功能稳定可靠；一阶RC高通滤波电路，选择合适的电阻和电容值，配合一定频率的脉冲散射光信号，可以有效滤掉低通干扰信号；过压保护电路，出现输出电压高于参考电压的信号则被释放到参考电源，出现负电压的信号则被释放到地线上，起到保护后端电路的目的；本实用新型的感烟报警器接收组件，具有装置简单，灵敏度高，抗外界环境干扰能力的优点。

附图说明

图1为本实用新型的高灵敏度火灾烟雾报警器接收组件的整体构成图；

图2为本实用新型的高灵敏度火灾烟雾报警器接收组件的信号处理电路。

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实用新型。

实施例1：

高灵敏度感烟火灾探测器要求在比较稀疏的烟雾浓度(烟雾浓度在透光率96％/英尺以上)条件下，能够对被烟颗粒散射的微弱光线进行探测，本实用新型针对此要求，选用光接收面积较大的硅光电池。根据本实用新型的研究，硅光电池在外界负载较小时(负载小于10k)，可以作为恒流源，受到的光强和电流成线性增长关系。本实用新型选择合适的负载和电路，将硅光电池恒流源电路转化为电压值，然后将电压值进一步放大，最后被AD采集电路转化为数字量，便于后续分析。

本实例采用的探测器光源为波长850nm，连续发射功率1mW的半导体激光管发出的1ms的脉冲光源，因此选择的窄带宽滤波片为海龙牌850-1型号，其中心波长为850nm+-10nm，厚度0.55mm，半带宽为30nm，峰值透射率大于86％；硅光电池选用的是深圳龙信达有限公司生产的LXD66CE-N，峰值波长850nm，光敏面积为5.7mm*5.7mm；运算放大器选用的是低失调电压，低偏置电流的双运算放大器AD8552，其第一级运放用于将电流转电压电路，第二级运放用于电压放大电路；过压保护电路里面的开关二极管使用的是BAV99，具体电路参数如下：R1＝100K，R2＝1M，R3＝10K，R4＝1M，R5＝0Ω，电容C1为104，C2为22p，C3为103，C4为103；运放电源电压为+5V，BAV99的1脚和2脚分别接地线和+3V；

各个组件之间的相连关系如下：

窄带滤光片大小、形状和硅光电池光敏面相同，通过滤光片的光波长和烟雾报警器的发射光波长一致，滤光片置于硅光电池光敏面前面，用少量热熔胶在滤光片四周外围将其与硅光电池粘合一起；选择敏感光和报警器发射光波长相同或者至少相近的硅光电池，将万用表选择直流“mV”级，测出硅光电池两脚的正负极，分别标示为“SS+”和“SS-”；将“SS+”连接到“地-GND”和运算放大器的同相输入，“SS-”连接到运算放大器的反相输入，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”电路特性，将R1和C2并联，然后接到输出和反相输入端，完成运算放大器的负反馈，电流转电压输出电压值V₀＝I*R1；将V₀后端接入一阶RC高通滤波电路；滤波电路后端将接入电压信号放大电路，放大后电压为Vout＝V₀/R3*(R3+R4)；经过放大的电压信号再经过开关二极管组成的过压保护电路，Vout接到开关二极管的共端，开关二极管的另外两个脚分别按照使用说明的要求，一个接参考电压一个接地，这样信号线上出现高于参考电压的信号则被释放到参考电源，出现负电压的信号则被释放到地线上，起到保护后端电路的目的；

与已有的火灾报警器散射光接收组件相比，本实用新型采用大光敏面的硅光电池，对微弱散射光探测能力大大提高，具有探测出较低火灾烟雾浓度的能力，因此可以应用于高灵敏度的火灾感烟探测报警器；对于高灵敏度的火灾探测器，自然光、灯光等外界环境光会对探测器造成一定干扰，与散射光波长、硅光电池最敏感光波长相同的窄带滤光片的使用，可以大大减小环境光变化对探测器的影响；使用两级运算放大器构成电流转电压以及电压放大电路，电路简单，功能稳定可靠；一阶RC高通滤波电路，选择合适的电阻和电容值，配合一定频率的脉冲散射光信号，可以有效滤掉低通干扰信号；过压保护电路，出现输出电压高于参考电压的信号则被释放到参考电源，出现负电压的信号则被释放到地线上，起到保护后端电路的目的；

本实例应用在中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室研制的高灵敏度激光感烟火灾烟雾探测器，通过在满足国标《GB4715-2005点型感烟火灾探测器》要求的标准燃烧室内燃烧试验，无论正庚烷、聚氨酯泡沫明火还是棉绳、木材热解阴燃火，在烟雾透光率90％/ft之上，该接收组件都能够满足高灵敏度探测的要求。本实用新型的感烟报警器接收组件，具有装置简单，灵敏度高，抗外界环境干扰能力的优点。

Claims (1)

1.一种高灵敏度火灾烟雾报警器的光学接收组件，其特征在于，包括滤光片、硅光电池、电流转电压电路、滤波电路、电压放大电路、过压保护电路六部分；其中：

滤光片为窄带滤光片，窄带滤光片大小、形状和硅光电池光敏面相同，滤光片置于硅光电池光敏面前面，滤光片四周外围将其与硅光电池粘合一起；

选择敏感光和所述火灾烟雾报警器发射光波长相同或者至少相近的硅光电池，硅光电池两脚的正负极，分别标示为“SS+”和“SS-”；将“SS+”连接到“地”和运算放大器的同相输入，“SS-”连接到运算放大器的反相输入，将R1和C2并联，然后接到运算放大器输出端和反相输入端之间，完成运算放大器的负反馈，电流转电压电路输出电压值V₀＝I*R1；将V₀后端接入一阶RC高通滤波电路；

滤波电路后端将接入电压信号放大电路，放大后电压为Vout；经过放大的电压信号再经过开关二极管组成的过压保护电路，Vout接到开关二极管的共端，开关二极管的另外两个脚分别一个接参考电压，一个接地。