專利名稱：三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于火災(zāi)探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及激光感煙火災(zāi)探測裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有火災(zāi)探測器有感煙式、感溫式、感光式等，感煙火災(zāi)探測器又可分為光電感煙火災(zāi)探測器和離子感煙火災(zāi)探測器，感煙火災(zāi)探測器是目前世界上應(yīng)用最普遍的探測器之一。據(jù)第三屆亞澳火災(zāi)科學(xué)年會論文集(Proceedings of the Third Asia-Oceania Symposium onFire Science and Technology，June 10-12，1998，pp.319-331)介紹，現(xiàn)有光電感煙火災(zāi)探測器是采用煙霧粒子對入射光產(chǎn)生散射、吸收原理探測煙霧的濃度進而實現(xiàn)火災(zāi)報警，具有無放射性污染、適應(yīng)性較強、成本低廉等特點。但由于受該探測機理的局限，在火災(zāi)探測靈敏度和可靠性方面存在以下缺陷①由于不同粒徑的煙霧粒子對入射光產(chǎn)生散射的相對靈敏度不同，當煙霧粒子粒徑小于0.4μm，產(chǎn)生不了散射光，相對靈敏度較差；②火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，大體可分為不可見煙霧、半透明的白色、灰色煙霧、不透光的黑色煙霧，對于完全透明的不可見煙霧，因不能散射光，光電感煙探測器無法探測；而黑色煙霧對光線有強烈的吸收、遮擋作用，只能產(chǎn)生微弱的散射光，也幾乎探測不到；③現(xiàn)有光接收裝置易受環(huán)境干擾的影響，在有灰塵、水蒸汽、油煙、風(fēng)以及電磁等干擾時，容易引起誤報，可靠性較低；④在長期有煙霧的特殊場所(如寺廟等)則無法使用。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種能對火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行識別的可靠性較高的激光感煙火災(zāi)探測裝置以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
這種三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置，其特征在于包括多路數(shù)據(jù)采集卡6、微型電子計算機7和組裝在一機箱內(nèi)的恒流激光驅(qū)動電源1、激光發(fā)射組件2、煙霧探測室4、光電探測組件5、報警控制器8構(gòu)成，煙霧探測室4的一端開有煙霧進氣口3，另一端開有煙霧出氣口與抽氣泵9相接，抽氣泵9的出口通過排氣口10連接到機箱外；所述激光發(fā)射組件2采用三只激光器安裝在煙霧探測室4前端的同一水平面上，使三束激光分別通過透鏡準直后，形成三束相互平行的激光束；所述的光電探測組件5采用三只光電管安裝在煙霧探測室4另一端的光路出口處，分別接收來自三只激光器的光強信號；多路數(shù)據(jù)采集卡6插在微型電子計算機7的主板上，光電探測組件5的信號輸出端與多路數(shù)據(jù)采集卡6的輸入口相連，微型電子計算機7的輸出信號連接到報警控制器8的輸入端。
為了提高裝置的探測靈敏度，可在煙霧探測室4內(nèi)部的兩端設(shè)置一組直角反射棱鏡11，兩個直角反射棱鏡11在垂直方向錯開一定距離，使激光發(fā)射組件2發(fā)出的三束相互平行的激光先入射到右端的直角反射棱鏡11的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到左端的直角反射棱鏡11的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在兩端的直角反射棱鏡11之間經(jīng)過多次反射后，最終從左端的直角反射棱鏡11凹面的下部射出，射出的三束平行激光被位于煙霧探測室4后端的光電探測組件5所接收；煙霧探測室4也可采用長距離的直射光路，例如采用長度不小于1米的直射光路。
工作時，抽氣泵將待測煙霧或氣溶膠吸入煙霧探測室中，由恒流激光驅(qū)動電源驅(qū)動激光發(fā)射組件，發(fā)出三束不同波長的激光同時入射到煙霧探測室中，被煙霧探測室中的煙霧衰減后，出射到光電探測組件上，由光電接收管轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號放大后，由多路數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入微型電子計算機，微型電子計算機對采集到的三束激光的衰減數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析、處理，得到三對波長的消光系數(shù)比，并以此作為煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入數(shù)據(jù)進行分析判斷，確定煙霧探測室中氣溶膠的類型，識別出“火災(zāi)煙霧”或“非火災(zāi)氣溶膠”，當確認為“火災(zāi)煙霧”時控制報警控制器8驅(qū)動火災(zāi)聯(lián)動報警設(shè)備發(fā)出報警，當確認為“非火災(zāi)氣溶膠”時則不報警。
本實用新型是一種基于對氣溶膠進行分類識別的激光感煙火災(zāi)探測裝置。由于采用三束不同波長的高強度、發(fā)散角小的激光光源和恒流激光驅(qū)動電源，使得提取表征氣溶膠本質(zhì)特征的消光系數(shù)比成為可能，從而能對火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行分類識別，提高了光電感煙探測器的抗環(huán)境干擾的能力，具有很高的可靠性；采用主動抽氣分析能提高探測的靈敏度，并使報警時間得以提前；采用煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能準確地對火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行分類識別，避免環(huán)境因素的干擾，具有很高的可靠性；本實用新型克服了現(xiàn)有光電感煙火災(zāi)探測器在探測靈敏度和可靠性方面存在的缺陷，能對不同粒徑和顏色的火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行準確可靠的識別，具有智能識別、靈敏度一致、可靠性高、抗環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點，特別適用于特殊環(huán)境場所的火災(zāi)探測報警。
根據(jù)Lambert-Beer定律，煙霧粒子與激光相作用時，其入射光強度I0與出射光強度I之間的關(guān)系為I＝I0exp(-μL) (1)式中I為透過煙霧的光強；I0為入射光強；L為平均射線行程長度；μ是與光強無關(guān)的比例系數(shù)，稱為介質(zhì)的消光系數(shù)或衰減系數(shù)，它是表征煙霧或非火災(zāi)氣溶膠消光性的重要參數(shù)；消光系數(shù)μ與介質(zhì)的Sauter平均粒徑d32、粒子數(shù)濃度N和介質(zhì)的消光效率因子Qex(λ，m，d32)有關(guān)，可表示為μ=π4d322NQex(λ,m,d32).....(2)]]>式中消光效率因子Qex(λ，m，d32)是個無量綱量。
在消光系數(shù)的表達式(2)中，消光系數(shù)μ既與氣溶膠粒子的平均粒徑和折射率有關(guān)，又與氣溶膠的濃度有關(guān)。
在三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測方法中，定義任意一對波長的消光系數(shù)比為Rλ1/λ2，由式(1)和式(2)可得到Rλ1/λ2=μλ1μλ2=Qex(λ1,m,d32)Qex(λ2,m,d32)=Ln(I0/I)λ1/Ln(I0/I)λ2....(3)]]>由式(3)可知消光系數(shù)比Rλ1/λ2僅與氣溶膠粒子的平均粒徑和折射率有關(guān)，對于特定的氣溶膠粒子來說，兩個已知波長的消光系數(shù)比Rλ1/λ2為一定值，此值反映了氣溶膠粒子對兩個波長激光衰減的相對程度，與氣溶膠粒子的本質(zhì)特征(平均粒徑、折射率)有關(guān)，并可通過入射光強和出射光強的測定，進行簡單計算而得到。
不同的火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠對不同波長激光的衰減是不同的，如熏香煙霧、柴油明火煙霧、聚氨酯泡沫塑料明火煙霧和粉塵等對不同波長激光的消光系數(shù)比有明顯的差別，據(jù)此可對不同的火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行分類識別，從而達到準確可靠的火災(zāi)探測報警。
本實用新型采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，把數(shù)據(jù)處理計算得到的三對波長的消光系數(shù)比作為煙霧識別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過對樣本集進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練后，對煙霧探測室中的煙霧氣溶膠進行分類判斷，識別出“火災(zāi)煙霧”或“非火災(zāi)氣溶膠”，從而達到準確可靠的火災(zāi)探測報警。
本實用新型三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測方法和裝置也可改為采用四波長、五波長…的多波長全散射激光感煙火災(zāi)探測方法和裝置，只要把其三只激光器及其光電探測組件三只光電管分別改為四只、五只…激光器及其四只、五只…光電管即可。
本實用新型的推廣應(yīng)用將推動我國火災(zāi)探測報警技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)火災(zāi)探測報警從濃度型到煙霧識別型的飛躍。


附圖1為本實用新型三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置的系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖。
附圖2為恒流激光驅(qū)動電源電原理圖。
附圖3為煙霧探測室光路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為光電管的偏置與放大電原理圖。
附圖5為煙霧識別BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖6為本實用新型的數(shù)據(jù)處理、判斷和控制程序流程圖。
具體實施方式
實施例1本實施例三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置，由包括組裝在同一機箱內(nèi)的恒流激光驅(qū)動電源1、激光發(fā)射組件2、煙霧探測室4、光電探測組件5、報警控制器8、抽氣泵9，以及多路數(shù)據(jù)采集卡6、微型電子計算機7等組成；煙霧探測室4的一端開有煙霧進氣口3，另一端開有煙霧出氣口與抽氣泵9相接，抽氣泵9的出口通過排氣口10連接到機箱外；激光發(fā)射組件2安裝在煙霧探測室4的前端，光電探測組件5安裝在煙霧探測室4后端的出射光出口處，與煙霧探測室4的煙霧出口相接的抽氣泵9的出口連接到機箱外；所述激光發(fā)射組件2采用半導(dǎo)體激光器作為光源，三只半導(dǎo)體激光器安裝在煙霧探測室4前端的同一水平面上，使三束激光分別通過透鏡準直后，形成三束相互平行的激光束，穿過煙霧探測室4，被位于煙霧探測室4后端的光電探測組件5所接收；所述的光電探測組件5選用光電二極管作為接收器件，三只光電二極管安裝在煙霧探測室4另一端的光路出口處，分別接收來自三只激光器的光強信號；多路數(shù)據(jù)采集卡6插在微型電子計算機7的主板上，光電探測組件5的信號由導(dǎo)線與多路數(shù)據(jù)采集卡6的輸入口相連，微型電子計算機7的輸出信號連接到報警控制器8的輸入端。
本實施例中，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源采用閉環(huán)電流調(diào)節(jié)控制，恒流輸出，由2個運算放大器U1A，U1B以及R2，R3，R4，R5，R6，C3構(gòu)成一個電流負反饋放大電路，以使三極管T1的基極電流IB恒流，而恒流值IB的大小由電位器R7提供的參考電平?jīng)Q定；三極管T1工作于恒流區(qū)域，此時三極管T1的負載電流與負載的阻值大小無關(guān)，僅取決于IB的設(shè)定值；C1和L1構(gòu)成保護電路，對電流的波動進行抑制。
為提高光電探測的靈敏度，本實施例采用一對直角反射棱鏡11分別安裝在煙霧探測室4內(nèi)部的兩端，兩端的直角反射棱鏡11在垂直方向錯開一定距離，使激光發(fā)射組件2發(fā)出的三束相互平行的激光入射到右端的直角反射棱鏡11的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到左端的直角反射棱鏡11的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在兩端的直角反射棱鏡11之間經(jīng)過多次反射后，最終從左端的直角反射棱鏡11凹面的下部射出，射出的三束平行激光被位于煙霧探測室4后端的光電探測組件5所接收。
光電二極管在外加反向偏壓下工作，其輸出是電流信號，光電二極管的輸出電流與入射光的強度成正比，光電流流過負載電阻RL，在負載電阻上獲得與入射光強度成正比的輸出電壓信號；輸出信號放大電路采用二級低噪聲直流電壓放大器，共用一塊雙路JFET輸入低噪聲高速運算放大器，其第一級由ICa和R1，R2構(gòu)成電壓放大器，放大倍數(shù)約為10，在第一級放大器與第二級放大器之間，由R3，R4，R5，R6，W1和ICb構(gòu)成一調(diào)零電路，以消除光電探測器的零點漂移，當無光照時可調(diào)節(jié)電位器W1，使探測器的輸出為零，第二級放大器的放大倍數(shù)是可調(diào)的，其放大倍數(shù)為1+(R8+W2)/R7，選擇R8，R7，W2的值，使放大電路的總放大倍數(shù)控制在10～20左右，調(diào)節(jié)電位器W2，可調(diào)節(jié)探測器輸出電壓的大小。
本實用新型實施例采用了典型的三層反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為火災(zāi)煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)的輸入層為3個神經(jīng)元，分別為I1、I2、I3，對應(yīng)三對波長的消光系數(shù)比(R1.55μm/1.06μm，R1.55μm/0.67μm，R1.06μm/0.67μm)，輸入值均歸一化到[0，1]；輸出層為2個神經(jīng)元，分別為O1和O2，對應(yīng)“火災(zāi)煙霧”和“非火災(zāi)氣溶膠”，輸出值范圍也是[0，1]；中間隱含層為5個神經(jīng)元(M1，M2，…，M5)，在輸入層與隱含層之間有3×5條連線，其權(quán)值為w1ij，在隱含層與輸出層之間有2×5條連線，其權(quán)值為w2jk。輸入層與隱含層之間的權(quán)值w1ij和隱含層與輸出層之間的的權(quán)值w2jk，由樣本集經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后確定。
本實施例中采用波長分別為1.55μm、1.06μm和670nm的三束激光同時對煙霧探測室4中的火災(zāi)煙霧進行探測，光電二極管選用硅PIN光電二極管(400～1100nm)和長波長InGaAsPIN光電二極管(0.9～1.7μm)，煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層誤差反傳前饋網(wǎng)絡(luò)(BP網(wǎng)絡(luò))，輸入層為3個神經(jīng)元，隱含層為5個神經(jīng)元，輸出層為2個神經(jīng)元，3個輸入對應(yīng)三對波長的消光系數(shù)比(R1.55μm/1.05μm，R1.55μm/670nm，R1.06μm/670nm)，2個輸出對應(yīng)“火災(zāi)煙霧”和“非火災(zāi)氣溶膠”，隱含層和輸出層的激活函數(shù)采用對數(shù)Sigmoid函數(shù)，輸入層到隱含層的權(quán)因子和隱含層到輸出層的權(quán)因子通過對樣本集進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練后確定，權(quán)因子確定后，煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即確定。
工作時，抽氣泵9將待測煙霧或氣溶膠通過進氣口3吸入煙霧探測室4中；由恒流激光驅(qū)動電源1驅(qū)動激光發(fā)射組件2，同時發(fā)射三束波長為1.55μm，1.06μm，0.67μm的激光對吸入煙霧探測室3中的煙霧氣溶膠進行探測，激光發(fā)射組件2采用恒流驅(qū)動電源供電，以確保激光發(fā)射組件2發(fā)出穩(wěn)定光強的激光，三束激光同時入射到煙霧探測室4中，并在一對直角反射棱鏡11之間經(jīng)過多次反射，三束激光被吸入煙霧探測室4中的煙霧衰減后，出射到光電探測組件5上，再由光電探測組件5中的光電接收管轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)信號放大后，由多路數(shù)據(jù)采集卡6進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入微型電子計算機7進行數(shù)據(jù)分析、處理，微型電子計算機7對采集到的三束激光的衰減數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到三對波長的消光系數(shù)比，并以此作為煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入數(shù)據(jù)進行分析判斷，確定煙霧探測室4中氣溶膠的類型，識別出“火災(zāi)煙霧”或“非火災(zāi)氣溶膠”，當確認為“火災(zāi)煙霧”時控制報警控制器8驅(qū)動火災(zāi)聯(lián)動報警設(shè)備發(fā)出報警，當確認為“非火災(zāi)氣溶膠”時則不報警。
權(quán)利要求1.一種三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置，其特征在于包括多路數(shù)據(jù)采集卡(6)、微型電子計算機(7)和組裝在一機箱內(nèi)的恒流激光驅(qū)動電源(1)、激光發(fā)射組件(2)、煙霧探測室(4)、光電探測組件(5)、報警控制器(8)構(gòu)成，煙霧探測室(4)的一端開有煙霧進氣口(3)，另一端開有煙霧出氣口與抽氣泵(9)相接，抽氣泵(9)的出口通過排氣口(10)連接到機箱外；所述激光發(fā)射組件(2)采用三只激光器安裝在煙霧探測室(4)前端的同一水平面上，使三束激光分別通過透鏡準直后，形成三束相互平行的激光束；所述的光電探測組件(5)采用三只光電管安裝在煙霧探測室(4)另一端的光路出口處，分別接收來自三只激光器的光強信號；多路數(shù)據(jù)采集卡(6)插在微型電子計算機(7)的主板上，光電探測組件(5)的信號輸出端與多路數(shù)據(jù)采集卡(6)的輸入口相連，微型電子計算機(7)的輸出信號連接到報警控制器(8)的輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置，其特征是在所述煙霧探測室(4)內(nèi)部的兩端設(shè)置一組直角反射棱鏡(11)，兩個直角反射棱鏡(11)在垂直方向錯開一定距離，使激光發(fā)射組件(2)發(fā)出的三束相互平行的激光先入射到右端的直角反射棱鏡(11)的凹面的上部后，反射到其凹面的下部，再反射到左端的直角反射棱鏡(11)的凹面的下部，后又反射到其凹面的上部，三束激光在兩端的直角反射棱鏡(11)之間經(jīng)過多次反射后，最終從左端的直角反射棱鏡(11)凹面的下部射出，被位于煙霧探測室(4)后端的光電探測組件(5)所接收。
3.如權(quán)利要求1所述三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置，其特征是所述煙霧探測室(4)采用長度不小于1米的直射光路。
專利摘要本實用新型三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測裝置,特征是抽氣泵將煙霧或氣溶膠吸入煙霧探測室中,激光器發(fā)出三束不同波長的激光,射入煙霧探測室中被煙霧衰減后,出射到光電接收管轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)放大,由多路數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換后,送入微型電子計算機對三束激光的衰減數(shù)據(jù)進行分析處理,得到三束波長的消光系數(shù)比,作為煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,煙霧識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入數(shù)據(jù)進行分析判斷,當確認為“火災(zāi)煙霧”時控制報警控制器驅(qū)動火災(zāi)聯(lián)動報警設(shè)備發(fā)出報警,當確認為“非火災(zāi)氣溶膠”時則不報警。本實用新型火災(zāi)探測裝置能對火災(zāi)煙霧和非火災(zāi)氣溶膠進行準確可靠的識別,具有智能識別、靈敏度一致、可靠性高、抗環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點。
文檔編號G08B17/107GK2516967SQ0127293
公開日2002年10月16日 申請日期2001年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月21日
發(fā)明者趙建華, 袁宏永, 范維澄 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)