CN208060337U - 可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，包括管接座、探测腔和信号分析电路板；采用双光源结构、相应检测腔内结构及信号分析电路板特定电路，通过不同直径的颗粒物对于不同波长的光线的散射效应的差异，从光学和电子学的角度上解决尘埃等细小颗粒物干扰的问题，不依赖于机械过滤装置，最大限度的避免了误判误报。

Description

可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置

技术领域

本实用新型涉及一种增强型火灾探测装置，具体涉及一种利用离心式或轴流直流风机抽取探测点空气样本进行分析，通过检测样本中的颗粒物浓度与直径判断是否有火灾发生，并有效排除灰尘等微小粒子干扰的装置。

背景技术

二十世纪初瑞利散射和米氏散射等一系列光学理论的提出，为用前向散射光探测细小颗粒物的方法铺平了理论道路，七十年代以后，随着电子技术的发展和光电器件的进步，以前向散射理论为基本原理的吸气式火灾探测器更是得到了极大的普及。

现有产品中，由于成本和复杂度的原因，基本都采用了单一波长的可见光波段的光源器件，通过散射光的强度来判断颗粒物的浓度，进而判定是否有烟雾发生。

单光源设备最主要的问题是无法区分真正的烟雾颗粒与尘埃的干扰。单光源前向散向型火控探测器具有无法抗尘埃干扰的问题，单光源设备要解决这一问题，只能采取机械过滤的方式，但机械过滤也存在严重缺陷，一是难以滤除与烟雾颗粒差异不大的PM2.5PM1 等这一级别的干扰源，二是过于细密的过滤装置不仅增大了吸气泵的风阻，而且本身受污染而变得维护更加困难。按照光的散射米氏理论，颗粒物半径r与入射光波长λ之间有个比数称之为尺度数α＝2πr/λ,尺度数在0.1-50之间时米氏散射的效应均有效。现实世界中，烟雾的颗粒半径分布在30-100纳米，若以620纳米的红光作为光源，则尺度数在0.3-1 之间。但随着空气污染等环境问题的加剧，大量悬浮颗粒物也出现在探测点的空气样本中。以上述公式计算，PM2.5的尺度数大约为25，PM5的尺度数大约为50，PM1的尺度数大约为 10。这样的颗粒物进入到探测设备时，与光源产生的散射效应几乎相同，因此就会产生误判，进而引起误报。

火灾报警装置频繁误报，不仅浪费大量的人力物力去应对假的警情，长此以往还容易让操作和控制人员产生麻痹心理，埋下更深的隐患，因此，生产实践中急需一种既保持了散射型烟雾探测器的高灵敏度，又可以克服尘埃干扰问题的探测装置。

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置；本装置采用双光源结构，通过不同直径的颗粒物对于不同波长的光线的散射效应的差异，从光学和电子学的角度上解决尘埃等细小颗粒物干扰的问题，不依赖于机械过滤装置，最大限度的避免了误判误报。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，包括管接座、探测腔和信号分析电路板；

所述管接座上部连接进气采样管路，下部连接抽气泵，中部设凹陷处，所述凹陷处两侧的高气压与低气压区分别设有通往所述探测腔内的进、出气孔；

所述探测腔由上、下盖组成，所述上盖连接所述管接座，所述下盖连接信号分析电路板；

所述探测腔由前部进气腔室、中部感应腔室和出气腔室、后部光源LED红蓝腔室组成；

所述进气腔室连通所述进气孔，并在腔室内设过滤器；所述进气腔室与所述出气腔室连通拐角腔道最狭窄处放置流速传感器；出气腔室连通所述出气孔；

所述感应腔室与所述出气腔室之间设导光孔，所述感应腔室中部夹持接收透镜，感应腔室底安装光电接收板，以两条光线的交点为中心，直径十毫米的圆柱状区域为有效散射区域，接收透镜两侧的密闭区域可以防止非散射光进入的杂散信号；

所述光源LED红蓝腔室连通所述出气腔室，光源LED红蓝腔室内安装蓝光LED和红光 LED，对应在其前方设蓝、红光透镜，其发出的红、蓝光经所述透镜折射并在透镜前方交错，散色光经所述导光孔进入所述感应腔内，再经腔内接收透镜聚焦成光点投射到所述光电接收板的光敏器件上；

所述蓝红光LED驱动引脚、光电接收器引脚和流量传感器引脚均经过模内注塑工艺预埋到所述下盖底部的镀金引脚焊接到信号分析电路板；

所述管接座通过两枚自攻螺钉与探测腔上盖连接，探测腔上下盖之间用8枚自攻丝螺丝连接，探测腔下盖通过引脚锡焊与信号分析板连接并用8枚自攻丝螺钉锁紧，信号分析电路板最终输出的信号经由IDC灰排线送到信号处理与显示模块。

作为优选的，所述蓝光LED发出的蓝光采用400-500纳米的短波光；红光LED发出的红光采用900-1100纳米的长波光。

作为优选的，所述蓝、红光源和导光孔成120°均匀排列，散射光的散射角度为60°。

作为优选的，所述蓝、红光源为点光源，辐射角度为8-15度的锥形光柱，经发光透镜

后汇聚成圆柱形光柱，散射光柱经由接收透镜后重新聚焦成光点投射到光电感应器件上。

作为优选的，所述探测腔的内壁采用磨砂并注塑母料配色按照潘通色卡最黑颜色搭配，挡光曲壁与挡光直壁的形状经过特殊设计与计算，其形状可有效防止非预期性的镜面反射干扰。

作为优选的，用模内注塑工艺预埋信号引脚，并用EVA泡棉或软硅胶密封探测腔室上下壳体，提高了密封性，以确保被探测气体只能从进气孔位置进入探测装置。

本实用新型的有益效果是：测试结果表明，按上述描述的入射光波长，在特定角度上，得到的散射光转换出的电信号与颗粒物直径的关系如图3所示，当使用红蓝两束不同波长的入射光照射被测样本时，存在一个特定的颗粒直径点P，当颗粒物直径小于P时，蓝光的信号远大于红光，光颗粒物直径大于P时，红光得到的电信号远大于蓝光。选取不同的入射光波长，调节适当的发光强度，点P的位置可以得到很好的控制。上文中，为便于描述，取短波长的光线为蓝光470纳米，长波长的光线为950纳米红外线，实际操作中不限于此，短波光可取400-500纳米，长波光可取900-1100纳米。

综上所述，本装置由于采取了双光源方式，辅之以合理的结构设计和电路设计，避免了单光源前向散射型吸气式烟雾火灾探测器无法识别尘埃等大颗粒物干扰的弊端，在保证探测灵敏度的同时避免了频繁的误判误报。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是探测腔内部剖面；

图3是管接座剖面图；

图4是本实用新型的系统方框图。

其中1.进气孔，2.出气孔，3.过滤器，4.光电接收板，5.气流传感器，6.接收透镜，7.导光孔，8.蓝光透镜，9.红光透镜，10.蓝光LED，11.红光LED，12.挡光曲面，13.蓝光入射点， 14.红光入射点，15.散光点，16.气流方向，17.凹陷变窄，A、管接座，B、进气采样管路，C、抽气泵，D、探测腔上盖，E、探测腔下盖，F、红光LED驱动引脚，G、蓝光LED驱动引脚，H、信号分析电路板，I、光电信号引脚。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本实用新型，并不对其内容进行限定。

实施例

结合附图1至3所示，本装置探测部分的整体结构主要分为管接座A、探测腔D/E、信号分析电路板H三大部分。

管接座A部分的主要作用是提供空气流动的通路并分配合理的压力差。它上部联接进气采样管路B，下部联接抽气泵C，中间有一凹陷处17，并在凹陷处17两侧分别有小孔1/2 通网探测腔D/E。在抽所泵C的作用下，凹陷处17两端产生气压差，使气流通过两小孔1/2流进和流出探测腔D/E进行检测。管接座A为PVC注塑，用坚固件与探测腔上盖D坚固在一起，连接部用EVA泡棉密封。

探测腔部分的作用是提供一个供探测用的光学暗室，同时组成供空气样本在内部流动的腔休。它是由上盖D和下盖E两个注塑件组成的，上盖D联接管接座A，下盖E连接信号分析电路板H，上盖D与下盖E之间用坚固件连接，接触面采用EVA泡棉或硅胶垫密封。探测腔内装有光源器件10/11和光电接收器件4，电子部件的引脚F/G/I经过预埋到下壳注塑件的镀金引脚焊接到信号分析电路板H。

信号分析电路板H的作用是产生光源电路的驱动信号，并将光电接收板4接收的信号进行放大整形采样保持等一系列变换，最终进行分析。

探测腔内部结构的二维平面图如图2所示。腔内的主要部件包括蓝光10和红外光光源器件11，三个聚集透镜8/9/6和光电接收板4。

红蓝光光源器件的作用是按设计产生一定规律的脉冲光，光源为点光源，辐射角度为 8-15度的锥形光柱。红蓝透镜8/9的作用是将该锥形光柱汇聚成平等的圆柱形光柱，此光柱比腔休上下间距要小，以确保不会产生非预期性的散射。红光11、蓝光10和导光孔7呈 120度均匀排列，即取散射光的散射角度为60度。

由上下盖D/E围成的空腔，为确保光学暗室的效果，设计上和加工工艺上要做到以下以下几点：一是整个腔室的内壁做成细磨砂效果并且注塑色母料配色按照潘通色卡最黑颜色搭配，确保内壁对470和950纳米波长的光波，吸收率在90％以上。二是空腔边缘的轮廓线 12经过特殊设计和仿真计算，确保红蓝光光柱在非预期的散射角度之外的散射或折射光，其镜面反射在五次以内都无法到达接收板4。由于每次反射均衰减90％，即便能够到达接收板4，这些非预期性散射或折射光线已经衰减到了最初强度的10^-5以下。三是为确保气密性和防止漏光，探测腔内电路和连接引脚用模具注塑的工艺直接长在壳体内部。

系统工作时，空气样本按图二绿色箭头的方向流动16，在流经红蓝光交汇点附近时，由于空间突然开阔形成的减压作用，空气在交汇点附近流速变慢变形成一定的涡流效应。此时，若空气样本中含有微小颗粒物，则红光11或蓝光10在60度方向上的散射光15会通过导光孔7以同样直径的圆柱形光柱的形状到达接收透镜6，经过聚集以后再送到光电接收板4的光敏传感器上。

信号分析电路板的原理框图如图4所示，工作原理描述如下：光电接收板4的接收信号经过放大后，在时基电路的同步作用之下，红光11与蓝光10的信号被分别做峰值采样和保持处理，峰值信号送到比较器，比较的结果控制选通开关，如果红光11的电平小于蓝光10的电平，则选通开关右路导通，差值放大器的输出结果是蓝光信号与基准电平的比。其中基准电平是为抵消在洁净空气环境下探测腔内的杂散光波所产生的背景噪声而设置的。如果红光电平大于蓝光电平，比较器翻转选通开关左路导通，则差值放大器的输出结果是蓝光电平减红光电平。比如：基准电平为4V蓝光电平为4.5V红光电平为4.3V，则差值为 +0.5V，若蓝光电平为4.5V而红光电平是4.8V，则差值是－0.3V。因此，最终输出的烟雾电平，是在输出级静态工作点的基础上，烟雾粒子会使数值向上增加，灰尘等大颗粒物干扰会使电平向下减小。

需要说明的是，与申请号CN201410748629.4的专利申请相比，本方案最大的差异在于无须分别对红蓝光信号进行AD转换，也无须做除法运算，而是在模拟信号处理阶段做一预判，根据红蓝光散射信号的幅度直接做差值运算。

需要重点说明的是，与申请号CN201220082594.1的专利申请相比，本方案最大的差异在于，感测时间短，配合特定的内部结构和相应的信号分析电路板上的电路，提高检测精度和准确度，采用红蓝光混合检测，相比对比文件中的只单纯单蓝光或双蓝光散射的检测方式，本申请效率高、更加灵敏，更精准，有效的克服了尘埃灰霾水蒸气等细小颗粒物的干扰。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (6)

1.可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，包括管接座、探测腔和信号分析电路板；其特征是：

所述管接座上部连接进气采样管路，下部连接抽气泵，中部设凹陷处，所述凹陷处两侧的高气压与低气压区分别设通往所述探测腔内的进、出气孔；

所述探测腔由上、下盖组成，所述上盖连接所述管接座，所述下盖连接信号分析电路板；

所述探测腔由前部进气腔室、中部感应腔室和出气腔室、后部光源LED红蓝腔室组成；

所述进气腔室连通所述进气孔，并在腔室内设过滤器；所述进气腔室与所述出气腔室连通拐角腔道最狭窄处放置流速传感器；出气腔室连通所述出气孔；

所述感应腔室与所述出气腔室之间设导光孔，所述感应腔室中部夹持接收透镜，感应腔室底安装光电接收板，以两条光线的交点为中心，直径十毫米的圆柱状区域为有效散射区域，接收透镜两侧的密闭区域进而防止非散射光进入的杂散信号；

所述光源LED红蓝腔室连通所述出气腔室，光源LED红蓝腔室内安装蓝光LED和红光LED，对应在其前方设蓝、红光透镜，其发出的红、蓝光经所述透镜折射并在透镜前方交错，散色光经所述导光孔进入所述感应腔内，再经腔内接收透镜聚焦成光点投射到所述光电接收板的光敏器件上；

所述蓝红光LED驱动引脚、光电接收器引脚和流量传感器引脚均经过预埋到所述下盖底部的镀金引脚焊接到信号分析电路板；

所述管接座通过两枚自攻螺钉与探测腔上盖连接，探测腔上下盖之间用8枚自攻丝螺丝连接，探测腔下盖通过引脚锡焊与信号分析板连接并用8枚自攻丝螺钉锁紧，信号分析电路板最终输出的信号经由IDC灰排线送到信号处理与显示模块。

2.根据权利要求1所述的可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，其特征是，所述蓝光LED发出的蓝光采用400-500纳米的短波光；红光LED发出的红光采用900-1100纳米的长波光。

3.根据权利要求1或2所述的可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，其特征是，所述蓝、红光源和导光孔成120°均匀排列，散射光的散射角度为60°。

4.根据权利要求3所述的可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，其特征是，所述蓝、红光源为点光源，辐射角度为8-15度的锥形光柱，经发光透镜后汇聚成圆柱形光柱，散射光柱经由接收透镜后重新聚焦成光点投射到光电感应器件上。

5.根据权利要求4所述的可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，其特征是，所述探测腔的内壁采用磨砂并注塑母料配色按照潘通色卡最黑颜色搭配，挡光曲壁与挡光直壁的形状采用可防止非预期性的镜面反射干扰的设计与计算设置。

6.根据权利要求5所述的可识别灰尘的双光源吸气式火灾探测装置，其特征是，采用模内注塑工艺预埋信号引脚，并用EVA泡棉或软硅胶密封探测腔室上下壳体，提高了密封性，以确保被探测气体只能从进气孔位置进入探测装置。