一种基于增量处理的双波长烟雾探测与灰尘识别装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种火灾报警装置，尤其涉及一种基于增量处理的双波长烟雾探测与灰尘识别装置。


背景技术：

2.自2005年澳大利亚的马丁科尔博士提出的第一代双波长光源识别灰尘到现在，人们一直在探索如何利用不同波长的双光源对不同粒径的烟雾和灰尘的散射差异，来更准确地识别灰尘与火灾烟雾，以达到更为准确的排除灰尘对烟雾火灾报警产生的干扰而引起的误报。
3.然而，我们通过近几年来工作上的实践，以及对前人技术的研究，发现现有的专利技术均存在或多或少的缺陷问题，目前市场上的烟雾探测型火灾报警器均存在不同程度误报，也说明了目前如何更精准地排除灰尘的干扰，降低误报率，还有很大的发明空间。利用双波长或多波长识别灰尘这种大方向虽然已成公知技术，但因具体的处理方法不同，对因灰尘干扰导致的火灾烟雾报警的误报率也不同。
4.中国专利201410748629.4《一种基于双波长散色信号的气溶胶粒径传感方法及其在火灾烟雾探测中的应用》采用蓝光与红外光及其各自的散射光阈值进行比较，但灰尘中既有大颗粒，也有小颗粒；烟雾中因为存在气溶胶，小颗粒往往粘连在一起构成大颗粒，所以随着浓度的增加，不管是烟雾还是灰尘，在蓝光与红光波段，散射强度都同时有所增加，增加的幅度与烟雾及灰尘的浓度直接相关，因此不能真正意义上区分烟雾与灰尘，仍然会存在误报现象。
5.中国专利201510861356.9《具有双色发光二极管得到散射光烟雾探测器》使用了双色发光二极管，单就双色发光管而言，市面上的双色发光二极管大多同为可见光波段，比如中心波长为470纳米的蓝光和630纳米的红光，这两个波段离得太近，很难对不同粒径烟雾和灰尘颗粒产生比较明显的散射强度，而波长差别比较大的蓝光与红外光的双色发光管市面上又很难买到，因此，只能采用波长差别不大的红蓝双色发光管，无法明显区分烟雾颗粒和灰尘颗粒，因此在实际使用中意义不大。
6.中国专利201711415845.7《一种具备干扰粒子识别能力的早起火灾烟雾探测方法》中布置了一个发射器和两个接收器测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，并通过计算前后向散射光功率的不对称比值，来均衡火灾黑白烟雾粒子的响应。但是，使用了一个双波长的光源发射器，和两个接收器，在结构上过于复杂，无法小型化。而且，两个接收器，由于每个接收器都需要足够的放大倍数以保证足够的灵敏度，而影响灵敏度的因素又很多，因此难以保证达到所设定报警阈值的浓度一致性，更加容易出现误报。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术所存在的不足之处，本实用新型提供了一种基于增量处理的双波长烟雾探测与灰尘识别装置。
8.为了解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种基于增量处理的双波长烟雾探测与灰尘识别装置，装置包括带有红外光蓝光组件的散射仓，散射仓上连通有进气采样支管以及出气采样支管，进气采样支管的另一端以及出气采样支管的另一端均连接在主采样管上，与出气采样支管相连接的主采样管的管身管截面缩小，进气采样支管上安装有过滤器。
9.进一步地，主采样管的末端安装有抽气泵，抽气泵为带有与风机转动速度相关联的计数脉冲输出。
10.进一步地，过滤器的内部设置有可更换的过滤介质以及空气流速监测传感器。
11.进一步地，散射仓的内壁上喷涂有降反射涂层。
12.进一步地，散射仓内设置有交替发光的蓝光led组件和红外光led组件，蓝光led组件的中心波长为460nm，红外光led组件的中心波长为940nm，且蓝光led组件与红外光led组件的光轴交叉。
13.进一步地，散射仓内还设置有一次聚焦透镜和光电接收组件，一次聚焦透镜设置于光电接收组件的上方，且光电接收组件及一次聚焦透镜的光轴与蓝光led组件及红外光led组件的光轴交汇为一点。
14.进一步地，蓝光led组件与红外光led组件的前方均设置有二次聚焦透镜和光阑。
15.进一步地，装置还包括夸导放大器、滤波放大电路、脉冲电路、信号分离电路、积分电路、缓冲放大电路以及带有a/d变换的cpu。
16.本实用新型提出了基于米散射与瑞利散射相结合的蓝光与红外光双波段散射的增量处理方法对灰尘与烟雾进行更精确的识别，大大提高了火警告警的准确度，并给出了烟雾报警可能存在灰尘干扰的程度，避免了因排除灰尘干扰可能导致火警不报的风险。
附图说明
17.图1为本实用新型的整体结构示意图。
18.图2为本实用新型的电气原理图。
19.图3为散射强度变化增量处理方法流程图。
20.图4为散射几率与波长的影响曲线图。
21.图中：1、散射仓；2、进气采样支管；3、出气采样支管；4、主采样管；5、过滤器；6、抽气泵；7、过滤介质；8、空气流速监测传感器；9、蓝光led组件；10、红外光led组件；11、一次聚焦透镜；12、光电接收组件；13、二次聚焦透镜；14、光阑。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
23.图1所示的一种基于增量处理的双波长烟雾探测与灰尘识别装置，装置包括带有红外光蓝光组件的散射仓1，散射仓上连通有进气采样支管2以及出气采样支管3，进气采样支管的另一端以及出气采样支管的另一端均连接在主采样管4上，与出气采样支管相连接的主采样管的管身管截面缩小，进气采样支管上安装有过滤器5。
24.主采样管在出气采样支管处管截面缩小，如图1中b点位置。由于流量q＝sv不变(s为截面积、v为空气流速)，截面积变小，意味着空气流速变大。根据流体力学简化的伯努利
方程：p ρv2/2＝c(p为压强、ρ为密度、v为流速、c为常量)，空气流速变大，则进气采样支管(图1中a)处空气压强减小，则b处压强大于a处，部分空气经b处的进气采样支管进入过滤器、散射仓，在经过a处的出气采样支管流入主采样管。使进气采样支管、散射仓以及出气采样支管构成闭合的气路回路。
25.主采样管的末端安装有抽气泵6，抽气泵为带有与风机转动速度相关联的计数脉冲输出，可用于判断主采样管是否发生断裂或堵塞。当发生断裂时，管内气压升高导致空气密度增大，抽气泵的风轮因密度增大承受的气流阻力增大，风轮的转速降低，单位时间内输出的计数脉冲减少。当发生堵塞时，管内气压降低导致空气更稀薄，即密度减小，抽气泵的风轮阻力减小，转速提高，单位时间内输出的计数脉冲增大。
26.过滤器的内部设置有可更换的过滤介质7以及空气流速监测传感器8。过滤介质可以为过滤网或过滤棉等，用于对粗大颗粒的沙尘进行过滤，以防止沙尘在散射仓内堆积并降低光路中的光电元件性能。但是由于过滤介质长期吸收灰尘的残留，介质的透气性能就会受到影响而阻挡烟雾通过，所以需要定期更换过滤介质。更换过滤介质时，可以只需要打开过滤器上盖更换即可。并且内置了空气流速监测传感器，通过对流经过滤介质的空气流速监测，发出更换过滤器的报警信号。
27.散射仓的内壁上喷涂有降反射涂层。降反射涂层可为碳颗粒附着物，对内壁进行进一步发黑与表面粗糙化处理，以降低四周内部背景光的反射造成干扰，提高光电接收灵敏度。
28.散射仓内设置有交替发光的蓝光led组件9和红外光led组件10，且蓝光led组件与红外光led组件的光轴交叉。其中蓝光led组件使用了中心波长为460nm的蓝光，红外光led组件使用了中心波长为940nm的红外光，且两个led发光的光轴向夹角为110
°
。蓝光和红外光的发光特点是交替产生脉冲光，脉冲光的特点是亮2ms，灭38ms，蓝光光脉冲和红外光光脉冲的交替间隔为19ms。通过交替产生光脉冲，就可以共用同一个光电接收组件，确保了接收灵敏度的一致性，并且可以做到小型化。
29.散射仓内还设置有一次聚焦透镜11和光电接收组件12，一次聚焦透镜设置于光电接收组件的上方，且光电接收组件及一次聚焦透镜的光轴与蓝光led组件及红外光led组件的光轴交汇为一点。光电接收组件为硅光电二级管。
30.蓝光led组件与红外光led组件的前方均设置有二次聚焦透镜13和光阑14。二次聚焦的目的是为了提高气流与光路交汇处的光强，以提高散射强度。光阑的作用是为了去除向外发射的杂散光对检测散射光造成的干扰。
31.来自气路的烟雾和灰尘在交汇点及附近区域产生蓝光散射脉冲和红外光散射脉冲，并通过一次聚焦透镜将两种散射光脉冲聚焦在光电接收组件的硅光电二极管上，实现光电转换。
32.如图2所示，装置还包括夸导放大器、滤波放大电路、脉冲电路、信号分离电路、积分电路、缓冲放大电路以及带有a/d变换的cpu。
33.夸导放大器位于散射仓的光电接收组件的内部，光电接收组件的阳极与构成夸导放大器的运放负端连接、阴极与构成夸导放大器的运放正端连接；夸导放大器的输出与滤波放大电路相连，滤波放大电路又与蓝光、红外光的信号分离电路相连。
34.来自cpu的两根控制线即连接蓝光红外光信号分离电路，又连接蓝光脉冲控制电
路和红外光脉冲控制电路，在cpu控制下交替产生蓝光脉冲和红外光买充的同时，当产生蓝光脉冲时还同步打开蓝光红外光信号分离电路中负责分离蓝光电信号的模拟电子开关，当产生红外光脉冲时还同步打开蓝光红外光信号分离电路中负责分离红外光电信号的模拟电子开关，由此便实现了蓝光电信号与红光电信号的分离。
35.分离后的蓝光电信号再通过蓝光积分电路和缓冲放大电路，连接至cpu实现a/d变换，并由cpu进一步进行增量化处理。分离后的红外光电信号再通过红外光积分电路和缓冲放大电路，也连接至cpu实现a/d变换，并由cpu进一步进行增量化处理。
36.如图3所示，增量化处理步骤为：
37.步骤1、启动增量计算定时器。
38.步骤2、分别读取蓝光的散射a/d值和红外光的散射a/d值。
39.步骤3、判断蓝光散射的a/d值是否大于报警门限。
40.步骤3.1、若不大于报警门限值，进而判断增量计算定时器是否到时。
41.步骤3.1.1、若没有到时返回到步骤2进行循环。
42.步骤3.1.2、若到时则分别计算蓝光散射a/d置的增量和红外光散射a/d值的增量并存储，然后重置增量计算定时器并返回至步骤2进行循环。
43.步骤3.2、若大于报警门限值，将蓝光散射a/d值的增量与红外光散射a/d值的增量做减法计算，假设差值为p。
44.步骤4、若差值p大于m，则报火警及重度灰尘。若差值p大于n小于m，则报火警及轻度灰尘。若差值p小于n，则报火警。
45.本装置的原理为：
46.增量原理：通常人们为了便于分析，用粒子尺度α＝πd/λ(d为粒子直径，λ为入射光波长)的大小值来区分散射类型，当α小于0.1时为瑞利散射；当α大于0.1时为米散射，如图4所示。实际中，遵循瑞利散射与米散射规律并无明显界线，而且存在着过度区域。对粒径在100纳米
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500纳米的早期阴燃阶段的烟雾来说，相对于波长较短的蓝光，符合米散射规律；而相对于波长较长的红外光，即存在着米散射，也存在着比较可观的瑞利散射。而针对存在更大粒径分布的灰尘而言，相对于波长较短的蓝光，也是符合米散射规律；而相对于波长较长的红外光，即存在着米散射，也存在着瑞利散射，不过相对于烟雾，灰尘中瑞利散射的成分少了许多。
47.米散射强度与粒径尺度没有明显的关系(呈现震荡趋势)，与粒子浓度大小密切相关。瑞利散射的特点是与波长的4次方呈反比，波长越长散射强度越小，也正是由于940纳米的红外光对小颗粒烟雾来说多了存在较多的瑞利散射使得散射强度增长的幅度较小较缓慢，对于尺度更大的灰尘颗粒来说瑞利散射的比例更小散射强度增长的幅度更大更迅速。结合粒子尺度，散射强度表现为图4中左侧的瑞利散射区域，有着很强的变化增量。
48.由此可见，使用460纳米的蓝光分别检测产生烟雾和灰尘时的散射光强度，可根据散射光强获得准确颗粒浓度值，作为烟雾报警的依据。而使用940纳米的红外光分别检测产生烟雾和灰尘时的散射光强度，并计算出获得灰尘散射数值的变化增量明显大于烟雾散射数值的变化增量，来区分存在较大颗粒分布的灰尘的存在。本实用新型就是通过区分蓝光与红外光的散射强度变化增量，来区分是否存在灰尘对烟雾报警的干扰。
49.上述实施方式并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本实用新型的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本实用新型的保护范围。