CN214475422U - 单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值及其随消光率值的变化率。本实用新型利用单波长条件的不对称比值及其随消光率值的变化率对电解液火灾烟雾与干扰气溶胶进行区分识别。本实用新型利用基于不对称比及其随消光率值变化率的气溶胶识别方式分析电解液火灾烟雾与正庚烷明火烟雾、棉绳阴燃烟雾以及非火灾气溶胶的区别，为锂离子电池火灾探测器的设计提供了理论参考和数据支持。

Description

单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置

技术领域

本实用新型涉及消防报警技术领域，具体涉及一种单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置。

背景技术

锂离子电池作为一种可再生能源应运而生，因其具有高能量密度、轻质量和无污染等优点被广泛应用。然而，锂离子电池在生产、运输和使用过程中容易受温度、气压以及碰撞和挤压等多种因素的影响从而发生火灾和爆炸事故。目前，民用航空飞机货舱中采用的探测器类型主要是光电式感烟探测器，其具有灵敏度高、结构简单、成本低廉等优点，能够实现在火灾发展初期提供预警信息，为人员的疏散和灭火救援提供宝贵时间的目的。在最初的光电感烟探测器中只有一个光源和一个接收器，难以区分电解液火灾烟雾和干扰气溶胶，所以飞机货舱空气中的水蒸气、粉尘等干扰气溶胶很容易引起探测器的误报。为了满足所要求的检测性能，探测器需要对电解液火灾烟雾保持很高的灵敏度，然而高灵敏度往往意味着高误报率。因此，提高灵敏度同时降低误报率是设计者开发火灾烟雾探测器的主要目标。国内外的研究学者针对火灾的有效识别提出了一些改进方式和思路，使用包括不同波长、散射角度和偏振状态在内的多种光散射措施的探测器和报警器，或者利用烟雾浓度、温度、CO浓度等多参数开展协同探测，这可以在很大程度上区分火灾烟雾和干扰气溶胶。但目前市场上还未有一款专用于锂离子电池火灾场景的探测器，因此利用光散射原理的火灾烟雾探测方式能否对锂离子电池火灾进行有效识别，需要进一步探究。

本实用新型采用单波长光源和双散射角技术，选取能发射405nm～525nm波长的蓝光至绿光的LED光源，根据不同气溶胶对该波长所产生的散射光强空间分布特征，比较前向与后向散射角度收集到的光功率的比值及其随消光率值的变化趋势，即不对称比及其变化率，实现对电解液火灾烟雾的探测以及对干扰气溶胶的识别。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，提高目前光电感烟探测器的探测和抗干扰性能。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，包括双光路感烟探测器1和信号采集系统，其中，该双光路感烟探测器1含有一个光源模块2和两个接收器模块即第一接收器模块3和第二接收器模块4，其中，光源模块2包括一个LED光源5、光源透镜6、光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8，光源透镜6用于汇聚LED光源发出的光束，LED光源5利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒7的内螺纹中，光源透镜6通过卡环安装在光源透镜安装座8的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜6用于汇聚LED光源5发出的光束以提供探测器装置所需的稳定光束，第一接收器模块3包括一个第一接收器10、第一接收器透镜12、第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16，第一接收器10利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒14的内螺纹中，第一接收器透镜12通过卡环安装在第一接收器透镜安装座16的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为45°，第一接收器透镜12用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器10上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块4包括一个第二接收器9、第二接收器透镜11、第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15，第一接收器10和第二接收器9分别布置在散射角为45°和135°的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器9利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒13的内螺纹中，第二接收器透镜11通过卡环安装在第二接收器透镜安装座15的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为135°，第二接收器透镜11用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器9上得到第二路光电流信号的散射光功率；

信号采集系统包括LED光源驱动器17、第一信号放大器18和第二信号放大器19、数据采集仪20和计算机21，其中LED光源驱动器17可以为LED光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器18和第二信号放大器19可以将第一接收器、第二接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪20用于采集模拟电压信号到计算机21上。

LED光源5采用的是单波长LED光源。

通过采用上面技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型的一种单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，与现有光学烟雾探测器相比更能有效探测电解液火灾烟雾，具体体现在：

(1)利用单波长光源和双散射角测量的不对称比值及其变化率对电解液火灾烟雾与干扰气溶胶进行区分识别。

(2)在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值及其随消光率值的变化率，可以实现对早期电解液火灾烟雾的探测。

(3)本实用新型提出的探测方式未采用信号强度阈值来判断是否应当报警，因此该探测方式可以准确区分电解液火灾烟雾与干扰气溶胶。

附图说明

图1为实现本实用新型依托的单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器示意图。

图2为单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器的信号采集系统示意图。

图3为该单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置得到的不对称比与消光率之间的关系。

图4为电解液火灾烟雾在不同波长作用下的散射不对称比AR。

图5为不同复折射率颗粒的不对称因子。

其中，1-双光路感烟探测器，2-光源模块，3-第一接收器模块，4-第二接收器模块，5-LED光源，6-光源透镜，7-光源圆柱套筒，8-光源透镜安装座，9-第二接收器，10-第一接收器，11-第二接收器透镜，12-第一接收器透镜，13-第二接收器圆柱套筒，14-第一接收器圆柱套筒，15-第二接收器透镜安装座，16-第一接收器透镜安装座，17-LED光源驱动器，18-第一信号放大器，19-第二信号放大器，20-数据采集仪，21-计算机。

具体实施方式

为了对本实用新型的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置包括光源模块2，第一接收器模块3，第二接收器模块4，LED光源5，光源透镜6，光源圆柱套筒7，光源透镜安装座8，第二接收器9，第一接收器10，第二接收器透镜11，第一接收器透镜12，第二接收器圆柱套筒13，第一接收器圆柱套筒14，第二接收器透镜安装座15，第一接收器透镜安装座16，LED光源驱动器17，第一信号放大器18，第二信号放大器19，数据采集仪20和计算机21。

基于气溶胶粒子散射光强不对称比值及其随消光率值的变化率的早期电解液火灾烟雾探测识别方式应用于图1所示的单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器1中，该双光路感烟探测器含有一个光源模块2和两个接收器模块即第一接收器模块3和第二接收器模块4。其中，光源模块2包括一个LED光源5、光源透镜6、光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8，LED光源5利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒7的内螺纹中，光源透镜6通过卡环安装在光源透镜安装座8的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜6用于汇聚LED光源5发出的光束以提供探测器装置所需的稳定光束。在本实施例中采用的是单波长LED光源，因此需要测量另一个波长的结果时需要提前更换成相应的LED光源。光源透镜6主要用于汇聚LED光源发出的光束，有利于增强气溶胶粒子的散射信号，同时也可以防止LED光源被气溶胶粒子污染。第一接收器模块3包括一个第一接收器10、第一接收器透镜12、第一接收器圆柱套筒14、第一接收器透镜安装座16，第一接收器10利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒14的内螺纹中，第一接收器透镜12通过卡环安装在第一接收器透镜安装座16的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为45°，第一接收器透镜12用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器10上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块4包括一个第二接收器9、第二接收器透镜11、第二接收器圆柱套筒13、第二接收器透镜安装座15，第一接收器10和第二接收器9分别布置在散射角为45°和135°的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器9利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒13的内螺纹中，第二接收器透镜11通过卡环安装在第二接收器透镜安装座15的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为135°，第二接收器透镜11用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器9上得到第二路光电流信号的散射光功率。在本实施例中选取索雷博公司的光电探测器产品，型号为SM05PD1A，能够对350nm-1100nm波长范围内的入射光进行响应，同时具有较高灵敏度，能够对响应非常微弱的光信号。

图2为单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置的信号采集系统示意图，主要包括LED光源驱动器17、第一信号放大器18和第二信号放大器19、数据采集仪20和计算机21。其中LED光源驱动器17可以为LED光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器18和第二信号放大器19可以将接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪20用于采集模拟电压信号到计算机21上。在本实施例中信号的采集频率为5Hz，因此每秒可以得到5个前向散射或后向散射光功率。为了平滑数据结果，将1s内采集的5个信号数据的平均值用于计算不对称比值。

图3为该双光路感烟探测器模型正常工作条件下(无气溶胶粒子)得到的不对称比与消光率之间的关系，消光率取值范围为0～20％/m，图中横坐标为消光率的取值均是在停止提供气溶胶之前，事实上停止提供气溶胶后的AR将稳定在一定水平。D90粉尘由于粒径分布比较稳定，AR值稳定在3.0～3.5之间。火灾烟颗粒随着时间的推移而不断发生凝并，从最初的几十纳米到几百纳米。棉绳阴燃颗粒的凝并效应较弱，其粒径分布很稳定，AR稳定在7.0附近；正庚烷火烟颗粒的凝并效应较强，其粒径分布逐渐增大，AR为2.0～4.5；电解液火灾烟雾AR发展较快，由1.2变大到6.7左右，说明电解液火灾烟雾的粒径分布变化更大。实验结果表明，电解液火灾烟雾的AR变化率显著高于其它类型的气溶胶，而通过AR值的相对大小可以区分棉绳阴燃火、正庚烷火与D90粉尘。

图4为电解液火灾烟雾在不同波长作用下的散射不对称比AR。为了寻求最佳的光源，选取从蓝光到红外光波段的多个LED光源对电解液火灾烟雾的散射不对称比进行测量。在火灾生成初期，各波长下的散射不对称比随着消光率的增加而快速上升，且波长越短AR上升速率越大。其中，蓝光作用下的AR_405nm值随着消光率先快速增长然后趋于稳定最后逐渐减小；而在绿光和红光作用下的AR_525nm和AR_630nm值随着消光率逐渐上升最终趋于稳定值；在红外光作用下的AR_870nm值在整个过程中一直处于上升阶段。因此，在短波长作用下电解液火灾烟雾的AR变化率更大，更有利于探测器对于快速响应。

不对称因子<cosθ>是描述颗粒光散射整体特征的重要参数。当<cosθ>的值大于0时，前向总散射光强大于后向总散射光强；当<cosθ>的值等于0时，前向总散射光强等于后向总散射光强；当<cosθ>的值小于0时，前向总散射光强小于后向总散射光强。所以不对称因子越大，则AR值也越大。

入射光波长λ与颗粒直径d的相对大小(x＝πd/λ)会直接影响散射光特征。根据尺度不变原则，具有相同尺寸参数的颗粒具有相似的散射特征。对于电解液火灾烟颗粒来说，其尺寸参数一般不会超过3，图5为不同复折射率颗粒的不对称因子。随着颗粒复折射率虚部的减小，不对称因子随着尺寸参数的增加由单调递增逐渐变成非单调变化，开始出现极值。电解液火灾烟雾AR_405nm呈现的是非单调变化，符合虚部较小的一类颗粒的散射特征。棉绳阴燃颗粒由于粒径分布稳定，所以AR变化不大。电解液火灾烟颗粒直径的增加而导致尺寸参数的变大，进而使得不对称因子变大，所以相应的AR变化率大；短波长的尺寸参数增加速率更快，所以AR变化率更大。

在电解液火灾烟雾探测器设计过程中，可以采用405nm～525nm的蓝光至绿光，采用这种短波长光源和双散射角的探测方式更有利于实现探测器快速响应和判定。

单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置的工作方式如下：

第一步：发射器发射某种波长光束，两个接收器同时接收前向散射和后向散射光功率P_F、P_B；

第二步：判断该波长条件下前向散射光功率P_F与背景光功率P_F0差值是否大于常值a，是则进行下一步，否则进行第一步；

第三步：计算该波长条件下前向散射光功率P_F与后向散射光功率P_B的比值及其随消光率值的变化趋势，即不对称比及其变化率，结合前N-1次的不对称比，计算不对称比的标准差，判断是否小于常值b，是则进行下一步，否则进行第一步；

第四步：判断当前不对称比是否大于常值c小于常值d或不对称比值的变化率是否大于e，是则进行下一步，否则进行第一步；

第五步：根据c、d、e大小判断当前气溶胶粒子类型；

在上述的五个步骤中，a，b，c，d、e的大小需要根据具体的实验测量得到，N的大小也需要根据实验结果确定。其中，a和b用于区分无气溶胶粒子或者只有极少量气溶胶粒子的情况，c、d和e用于区分电解液火灾烟雾与干扰气溶胶。其特征在于：通过上述五个步骤可以确定该波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型。

通过上述五个步骤可以确定该波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型。

发射405nm～525nm的蓝光至绿光，可以实现电解液火灾烟雾与干扰气溶胶的准确区分。

单波长、双散射角探测技术可以用于识别电解液火灾烟雾与干扰气溶胶，这是因为对于某种确定的气溶胶粒子，会产生相应的散射光强空间分布，一般地，前半球部分的散射光强要比后半球的散射光强大得多。在本实用新型中，通过同时测量两个不同散射角度的散射光功率，利用这两个散射光功率的比值及其随消光率值的变化趋势指示某种气溶胶粒子。一般地，一个为前向散射角度(小于90°)，另一个为后向散射角度(大于90°)。一般情况下，粒子粒径越大，前向散射光强占总散射光强的比例越大，因此得到的不对称比及其变化率也较大。通过对比单波长、双散射角条件下的不对称比及其随消光率值的变化率，可以反映出不同气溶胶的散射光强分布特征与波长的关系，以区分不同的气溶胶。

在本实用新型中，在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值及其随消光率值的变化率。

Claims (2)

1.单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，其特征在于：包括双光路感烟探测器(1)和信号采集系统，其中，该双光路感烟探测器(1)含有一个光源模块(2)和两个接收器模块即第一接收器模块(3)和第二接收器模块(4)，其中，光源模块(2)包括一个LED光源(5)、光源透镜(6)、光源圆柱套筒(7)和光源透镜安装座(8)，光源透镜(6)用于汇聚LED光源发出的光束，LED光源(5)利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒(7)的内螺纹中，光源透镜(6)通过卡环安装在光源透镜安装座(8)的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒(7)和光源透镜安装座(8)利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜(6)用于汇聚LED光源(5)发出的光束以提供探测器装置所需的稳定光束，第一接收器模块(3)包括一个第一接收器(10)、第一接收器透镜(12)、第一接收器圆柱套筒(14)和第一接收器透镜安装座(16)，第一接收器(10)利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒(14)的内螺纹中，第一接收器透镜(12)通过卡环安装在第一接收器透镜安装座(16)的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒(14)和第一接收器透镜安装座(16)利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块(2)的夹角为45°，第一接收器透镜(12)用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器(10)上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块(4)包括一个第二接收器(9)、第二接收器透镜(11)、第二接收器圆柱套筒(13)和第二接收器透镜安装座(15)，第一接收器(10)和第二接收器(9)分别布置在散射角为45°和135°的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器(9)利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒(13)的内螺纹中，第二接收器透镜(11)通过卡环安装在第二接收器透镜安装座(15)的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒(13)和第二接收器透镜安装座(15)利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块(2)的夹角为135°，第二接收器透镜(11)用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器(9)上得到第二路光电流信号的散射光功率；

信号采集系统包括LED光源驱动器(17)、第一信号放大器(18)和第二信号放大器(19)、数据采集仪(20)和计算机(21)，其中LED光源驱动器(17)可以为LED光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器(18)和第二信号放大器(19)可以将第一接收器、第二接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪(20)用于采集模拟电压信号到计算机(21)上。

2.根据权利要求1所述的单波长光源和双散射角的电解液火灾烟雾探测装置，其特征在于：LED光源(5)采用的是单波长LED光源。

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