声波团聚烟雾增强的感烟探测器及其动态自寻优方法与流程

本发明属于火灾探测，具体涉及一种声波团聚烟雾增强的感烟探测器及其动态自寻优方法。

背景技术：

1、光电探测器因其成本较低、响应速度相对较快，是目前应用最广泛的火灾探测器。其基本原理是利用烟雾颗粒对探测室内光源的散射光信号进行浓度判断。当烟雾进入探测室，颗粒物将部分光束散射至光接收器，当散射光强达到阈值时触发探测响应。

2、然而，现有光电探测技术存在以下主要缺陷：

3、1.对早期火灾响应严重滞后：在火灾发生的热解及阴燃初期，产生的烟颗粒多为亚微米级乃至纳米级（粒径集中在30nm-400nm）。根据瑞利散射理论，散射光强与颗粒粒径的六次方成正比，如此微小的粒径导致其光散射强度极低。探测器必须等待火灾进一步发展，烟雾发生凝并长大或浓度累积到很高程度才能触发探测响应，从而错失了火灾预警的“黄金窗口期”。例如，2016年某国电信数据中心火灾，传统探测器在火灾发生15分钟后、明火出现时才探测响应，已造成巨大损失。

4、2.易受大颗粒干扰源影响产生误报：环境中常见的灰尘、水雾等非火灾气溶胶，其粒径（通常为1-10μm）远大于火灾早期烟颗粒。根据mie散射理论，此类大颗粒的散射光信号更强。传统探测器仅依赖散射光强进行判断，极易将这些干扰源误判为火灾，导致误报率高，降低了系统的可靠性。

5、现有技术主要通过优化光电探测室的迷宫结构或采用多波长光源来提升探测性能，但这些均属于被动式改进，未能从根本上解决“微小火灾烟颗粒响应慢”与“大颗粒干扰源易误报”这一核心探测矛盾。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种声波团聚烟雾增强的感烟探测器及其动态自寻优方法，引入的声场模块提高探测器响应早期火灾纳米级/亚微米烟颗粒的灵敏度，且避免了非火灾气大颗粒气溶胶的干扰问题。

2、本发明的第一个方面，提供了一种声波团聚烟雾增强的感烟探测器，包括：

3、探测器外壳，内部形成声光电探测室，声光电探测室设有进烟孔；

4、光电探测模块，设置于声光电探测室内，包括红外发射管、蓝光发射管、第一红外接收管、第二红外接收管和蓝光接收管；

5、声场模块，安装于探测器外壳上，用于向声光电探测室内发射可调节频率和声压级的声波；

6、控制单元，与光电探测模块和声场模块电连接，用于控制声场模块在透射光信号和散射光信号满足预设条件时发射声波，根据透射光信号和实时散射光信号强度比值的变化分步动态调节声场的工作频率，并监测在声波作用下散射光信号强度比值的变化以判断是否触发探测响应。

7、作为进一步的实现方式，第一红外接收管与红外发射管正对设置，第二红外接收管、蓝光接收管与红外发射管、蓝光发射管呈一定角度偏置；第一红外接收管用于检测红外光穿过声光电探测室后的透射光信号强度，第二红外接收管和蓝光接收管分别用于检测红外光和蓝光作用于声光电探测室内烟雾后的散射光信号强度和。

8、本发明的第二个方面，提供了声波团聚烟雾增强的感烟探测器的动态自寻优方法，用于控制本发明的第一个方面所述的声波团聚烟雾增强的感烟探测器，包括以下步骤：

9、s1：光电探测模块发射探测光，并接收声光电探测室内的透射光信号和散射光信号；

10、s2：当透射光信号强度出现异常衰减，且声光电探测室内出现散射光信号时，根据透射光信号衰减后的强度计算声场的初始工作频率，启动声场模块向声光电探测室内发射声波，在整个响应过程中，实时根据散射光信号强度比值的变化动态调节声场的工作频率，使声场一直处于最佳声波团聚频率工作；

11、s3：监测施加声场前后，蓝光散射光信号与红外光散射光信号强度比值的变化，并基于所述变化判断是否触发探测响应。

12、作为进一步的实现方式，步骤s2进一步包括：

13、s21：基于当前的红外光透光率，通过内置的算法计算声场的初始工作频率f0，并进一步确定声场最佳声波团聚频率搜索区间为[f0-2000,f0+2000]；

14、s22：控制声场模块在最佳声波团聚频率搜索区间内进行扫频，并实时监测散射光信号强度比值的变化特征；

15、s23：将使得蓝光散射光信号与红外光散射光信号强度比值变化率最快的频率锁定为当前的最佳声波团聚频率，蓝光散射光信号与红外光散射光信号强度比值变化率的计算公式为：

16、；

17、并控制声场模块持续以取得最大值时对应的最佳声波团聚频率发射声波。

18、作为进一步的实现方式，通过内置的算法计算声场的初始工作频率，具体为：

19、监测红外光的透光率，基于红外光的透光率，计算声光电探测室内的烟雾的体积分数，根据烟雾的体积分数确定颗粒物的粒径信息，根据粒径信息获取对应的初始工作频率。

20、作为进一步的实现方式，声场作用的时刻声光电探测室内的颗粒物的体积分数计算公式为：

21、；

22、其中，为声场作用的时刻声光电探测室内的颗粒物的体积分数，为声光电探测室内颗粒物的初始体积分数，为声光电探测室内无颗粒物工况测得的透光率，为声场作用的时刻所检测的声光电探测室内的透光率。

23、作为进一步的实现方式，根据颗粒物的体积分数确定颗粒物的粒径信息，具体为：

24、对于体积分数为的对数正态分布颗粒物，满足以下公式：

25、；

26、其中，

d1以及

d2为对应的粒径区间[

d1,

d2]，为平均粒径；为对数粒径均值，为对数粒径的标准差，满足以下公式：

27、，；

28、根据典型可燃物火灾颗粒物的指数正态分布参数，获取中位数颗粒尺寸、标准差并计算得出其体积分数，使得中位数颗粒尺寸、标准差与体积分数存在对应关系，从而根据体积分数获取中位数颗粒尺寸大小。

29、作为进一步的实现方式，根据粒径信息获取对应的初始工作频率，具体为：

30、对于一个具有中位粒径d50的孤立球形颗粒物在声波频率为的声场中移动时，火灾烟气中的颗粒的运动由卷入率来描述，其卷入率描述为：

31、；

32、其中，为火场环境中空气的动态黏度，为滑移修正系数，计算出声波频率值，使得，使得颗粒几乎完全被声场卷入，将此声波频率值作为初始工作频率。

33、作为进一步的实现方式，步骤s3进一步包括：

34、若蓝光散射光信号与红外光散射光信号的强度比值持续增大，并达到探测响应阈值，则触发探测响应。

35、作为进一步的实现方式，步骤s3进一步包括：

36、若蓝光散射光信号与红外光散射光信号的强度比值出现先上升而后逐渐衰减的模式，且衰减后的信号水平低于探测响应阈值，则判定为非火灾干扰事件，不触发探测响应。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

38、本发明的声波团聚烟雾增强的感烟探测器及其动态自寻优方法，通过将主动可调的动态自寻优声场团聚技术与传统光电探测技术深度耦合，变“被动等待”为“主动调控”，取得了显著的有益效果：首先，对于早期火灾产生的亚微米/纳米级烟颗粒，声场能促使其快速凝并长大，根据瑞利散射原理，其光散射能力呈数量级提升，从而将感烟探测器对阴燃火灾和热解粒子的响应时间显著缩短80%以上，真正实现了火灾“隐秘前兆”的极早期预警；其次，对于灰尘、水雾等大颗粒干扰源，声场会加速其进一步凝并和重力沉降，降低其在声光电探测室内的悬浮浓度，结合声场作用前后的散射光信号的强度比值分析，可有效抑制由此引发的误报；最后，通过自适应频率匹配技术，引入的声场模块能够针对不同可燃物（如羊毛、尼龙、聚苯乙烯等）燃烧产生的、粒径小于100纳米的传统探测“盲区”颗粒实现高效团聚，极大地提高了感烟探测器对早期火灾探测的灵敏性和抗非火气溶胶的干扰能力。