專利名稱：一種粒子計式煙霧探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火災(zāi)探測報警技術(shù)領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在潔凈技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種粒子計式煙霧探測裝置。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，一些在國民經(jīng)濟和社會生活中起著至關(guān)重要作用的特殊場所，如計算中心、圖文檔案信息中心、郵電通訊樞紐、集成電路生產(chǎn)車間、核電站、大型現(xiàn)代化調(diào)度控制中心、智能大廈控制中心、現(xiàn)代醫(yī)療機構(gòu)等，消防安全需求日益迫切。由于其內(nèi)部各種電氣設(shè)備高度集中且長期工作運行，從而存在較多的火險隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會給國家造成極大的經(jīng)濟損失，給社會帶來重大影響。鑒于這些場所的重要性和特殊性，這些場所的超早期火災(zāi)探測報警問題，已成為消防安全的重點之一，引起人們的極大關(guān)注。
目前，這些場所廣泛應(yīng)用的普通類型的感煙探測器，由于受探測靈敏度不高等因素的制約，對于火災(zāi)的極早期探測能力不足，基本上屬于火災(zāi)的確認探測，很難起到火災(zāi)的預(yù)報和火災(zāi)預(yù)防作用，不能滿足對火災(zāi)超早期探測報警的要求。為了提高火災(zāi)探測器的火災(zāi)預(yù)報預(yù)警能力，國際上發(fā)展了吸氣型高靈敏度感煙探測技術(shù)。目前澳大利亞VISION公司、英國AIRSENSE公司等國外公司均采用煙霧群散射的高靈敏度感煙探測技術(shù)，通過探測多個煙霧粒子的光散射信號進行煙霧探測與報警，其可以在火災(zāi)早期階段識別出潛在的火情，實現(xiàn)火災(zāi)告警，這有助于及時采取措施，防火災(zāi)于未然，從而把經(jīng)濟損失減少到最低限度。

發(fā)明內(nèi)容
針對特殊場所現(xiàn)有火災(zāi)預(yù)報、預(yù)防技術(shù)的不足，為了提高感煙火災(zāi)探測的靈敏度，本發(fā)明提供一種粒子計式煙霧探測裝置。與其他吸氣型高靈敏度感煙探測裝置類似，本發(fā)明裝置也采用煙霧光散射探測原理進行煙霧探測。與其他裝置不同的是本發(fā)明裝置采用了煙霧粒子計數(shù)技術(shù)，能夠捕獲每個煙霧粒子的光散射信號，通過對每個光散射脈沖的處理和計數(shù)，來探測氣樣中煙霧的濃度大小，實現(xiàn)超高靈敏度煙霧探測。為此本發(fā)明裝置設(shè)計采用了中功率的半導(dǎo)體激光器，設(shè)計了專門的光束空間約束組件、獨特的檢測室結(jié)構(gòu)和消光裝置，使得檢測室形成了極暗的背景；設(shè)計了獨特的高性能光電信號轉(zhuǎn)換電路和信號處理電路，實現(xiàn)了粒子計數(shù)煙霧探測；本裝置還設(shè)計了煙霧光電探測器故障檢測LED及其控制電路，以監(jiān)視煙霧光電探測器的工作狀況。本裝置探測靈敏度極高，能夠有效探測到空氣中微量的懸浮粒子，并輸出足夠強的脈沖計數(shù)信號，所以本裝置還可用于空氣潔凈度的檢測。
本發(fā)明裝置包括激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波管、探測室、激光器支架、煙霧探測透鏡組件、煙霧探測器托架組件、煙霧散射探測器、煙霧探測器故障檢測發(fā)光管、導(dǎo)光孔、反射板，其中煙霧探測透鏡組件包括物鏡、物鏡螺紋壓環(huán)、外螺紋透鏡管和管外的鎖緊環(huán)，煙霧探測器托架組件包括上托架、下托架、目鏡、目鏡螺紋壓環(huán)。
其中，激光器支架與探測室固定為一體；激光器和激光束空間校正透鏡通過螺紋連接成一體，激光器通過上下左右4個螺釘固定在激光器支架上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調(diào)激光器的位置；探測室靠近激光束空間校正透鏡的一側(cè)嵌入一個光束空間濾波管，另一側(cè)與光束空間濾波管對稱的位置設(shè)有導(dǎo)光孔，其中激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波管和導(dǎo)光孔的中心同時位于光束軸上；在導(dǎo)光孔的前面設(shè)有反射板，反射板與探測室光軸線的夾角為135°；在探測室的上壁設(shè)有螺紋安裝孔，孔內(nèi)安裝可進出雙向調(diào)節(jié)的煙霧探測透鏡組件，該組件由物鏡、物鏡螺紋壓環(huán)、外螺紋透鏡管和管外的鎖緊環(huán)組成，物鏡安裝在外螺紋透鏡管內(nèi)部前端，通過物鏡螺紋壓環(huán)壓緊，煙霧探測透鏡組件組裝后通過螺紋安裝在探測室壁上的安裝孔，通過鎖緊環(huán)將煙霧探測透鏡組件和探測室鎖緊；煙霧探測器托架組件的下托架與煙霧探測透鏡組件同軸，并通過螺釘安裝在探測室上，上托架由目鏡通過目鏡壓環(huán)壓裝在上托架的鏡筒頂端；煙霧散射探測器安裝在上托架內(nèi)，上托架與下托架通過螺釘連接，并與煙霧探測透鏡組件同軸滑合；煙霧散射探測器用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；在探測室壁上煙霧探測透鏡組件安裝孔的下方設(shè)有煙霧探測器故障檢測發(fā)光管的安裝孔，煙霧探測器故障檢測發(fā)光管嵌入該孔中，并用螺紋壓環(huán)壓緊。
本結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性在于實現(xiàn)了煙霧粒子計數(shù)探測的極暗背景設(shè)計、單個粒子散射脈沖計數(shù)探測的極小散射作用區(qū)和極小探測視場的設(shè)計，保證了極高靈敏度的單個煙霧粒子脈沖散射信號提起的結(jié)構(gòu)需求；側(cè)向散射的煙霧探測設(shè)計使得對各種煙霧探測器具有較為均衡的響應(yīng)性能；并且由于光束與探測室內(nèi)腔不發(fā)生任何反射作用，且煙霧探測器的視場被設(shè)計限制在極小的粒子散射區(qū)，避免探測室長期運行時的污染對煙霧粒子計數(shù)探測的影響。
電路信號轉(zhuǎn)換及連接關(guān)系本裝置的電路包括煙霧探測器偏壓自動溫度補償伺服電路模塊，該電路模塊包括電壓基準電路、高壓反饋調(diào)整電路、高壓功率輸出電路、高壓濾波穩(wěn)壓電路、高壓與電源輸入端子，本發(fā)明中所采用的煙霧探測器為內(nèi)部帶測溫二極管的雪崩光電探測器APD；高壓電源通過高壓與電源輸入端子為所有電路供電，其中高原功率輸出電路和高壓反饋調(diào)整電路的電源通過高壓濾波穩(wěn)壓電路濾除高壓的尖峰干擾后提供；電壓基準電路和煙霧探測器內(nèi)部的測溫二極管輸出的信號共同輸入到高壓反饋調(diào)整電路，設(shè)置調(diào)整率和高壓工作點，并通過高壓功率輸出電路，施加到煙霧探測器上，最后煙霧探測器輸出脈沖信號。
本電路的優(yōu)越性在于采用成本極低、功耗極小的偏壓調(diào)整的方式解決了雪崩光電探測器靈敏度溫度漂移的應(yīng)用技術(shù)關(guān)鍵，避免了通常采用制冷組件帶來的價格高、功耗大、體積大等弊端；偏壓能夠隨著APD探測器環(huán)境溫度的變化進行上升和下降雙向自動調(diào)整；電路設(shè)置調(diào)節(jié)簡單方便，能夠根據(jù)每一個APD探測器的具體工作參數(shù)進行設(shè)置調(diào)整，適應(yīng)了APD探測器控制參數(shù)離散大的實際需求。


圖1為本發(fā)明裝置俯視示意圖；圖2為圖1的A-A向剖面圖；圖3為煙霧探測透鏡組件和煙霧探測器托架組件下托架剖面圖；圖4為煙霧探測器托架組件上托架剖面5煙霧探測器偏壓自動溫度補償伺服電路原理框圖；圖6為煙霧探測器偏壓自動溫度補償伺服電路原理圖；其中，1激光器，2激光束空間校正透鏡，3光束空間濾波管，4探測室，5激光器支架，6煙霧探測透鏡組件，6A物鏡、6B物鏡螺紋壓環(huán)、6C外螺紋透鏡管、6D鎖緊環(huán)，7煙霧探測器托架組件，7A上托架、7B下托架、7C目鏡、7D目鏡螺紋壓環(huán)，A煙霧散射探測器，B煙霧探測器故障檢測發(fā)光管，C導(dǎo)光孔，D反射板。
具體實施例方式
如圖1-4所示，本發(fā)明裝置包括激光器1、激光束空間校正透鏡2、光束空間濾波管3、探測室4、激光器支架5、煙霧探測透鏡組件6、煙霧探測器托架組件7、煙霧散射探測器A、煙霧探測器故障檢測發(fā)光管B、導(dǎo)光孔C、反射板D，其中煙霧探測透鏡組件6包括物鏡6A、物鏡螺紋壓環(huán)6B、外螺紋透鏡管6C和管外的鎖緊環(huán)6D，煙霧探測器托架組件7包括上托架7A、下托架7B、目鏡7C、目鏡螺紋壓環(huán)7D。
其中，激光器支架5與探測室4固定為一體；激光器1和激光束空間校正透鏡2通過螺紋連接成一體，激光器1通過上下左右4個螺釘固定在激光器支架5上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調(diào)激光器1的位置；探測室4靠近激光束空間校正透鏡2的一側(cè)嵌入一個光束空間濾波管3，另一側(cè)與光束空間濾波管3對稱的位置設(shè)有導(dǎo)光孔C，其中激光器1、激光束空間校正透鏡2、光束空間濾波管3和導(dǎo)光孔C的中心同時位于光束軸上；在導(dǎo)光孔C的前面設(shè)有反射板D，反射板D與探測室光軸線的夾角為135°；在探測室4的上壁設(shè)有螺紋安裝孔，孔內(nèi)安裝可進出雙向調(diào)節(jié)的煙霧探測透鏡組件6，該組件由物鏡6A、物鏡螺紋壓環(huán)6B、外螺紋透鏡管6C和管外的鎖緊環(huán)6D組成，物鏡6A安裝在外螺紋透鏡管6C內(nèi)部前端，通過物鏡螺紋壓環(huán)6B壓緊，煙霧探測透鏡組件6組裝后通過螺紋安裝在探測室4壁上的安裝孔，通過鎖緊環(huán)6D將煙霧探測透鏡組件6和探測室4鎖緊；煙霧探測器托架組件7的下托架7B與煙霧探測透鏡組件6同軸，并通過螺釘安裝在探測室4上，上托架7A由目鏡7C通過目鏡壓環(huán)7壓裝在上托架7A的鏡筒頂端；煙霧散射探測器A安裝在上托架7A內(nèi)，上托架7A與下托架7B通過螺釘連接，并與煙霧探測透鏡組件6同軸滑合；煙霧散射探測器A用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；在探測室4壁上煙霧探測透鏡組件6安裝孔的下方設(shè)有煙霧探測器故障檢測發(fā)光管C的安裝孔，煙霧探測器故障檢測發(fā)光管C嵌入該孔中，并用螺紋壓環(huán)壓緊。
結(jié)合圖5、圖6，本裝置電路的具體描述如下本裝置的煙霧散射探測器采用高靈敏、高增益的雪崩光電探測器APD，其探測靈敏度是普通的PIN光電探測器的100倍，但是需反加高偏壓才能激發(fā)雪崩效應(yīng)而獲得高靈敏度，并且其恒響應(yīng)度偏壓的溫度系數(shù)是+2V/℃。為了保證雪崩光電探測器具有恒定的探測靈敏度，一般的方法是采用探測器恒溫控制和恒壓偏置方式；探測器恒溫控制需要恒溫器、熱絕緣設(shè)計的恒溫室和恒溫控制伺服電路，體積大，功耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而溫控集成的雪崩光電探測器僅有日本和美國的若干家公司可提供，價格昂貴，且屬于出口控制技術(shù)產(chǎn)品，可獲得性差，不適合本探測裝置的使用；為此本裝置利用雪崩光電探測器恒響應(yīng)度偏壓的溫度特性，自行設(shè)計了寬幅偏壓自動溫度補償調(diào)整伺服電路，該電路模塊包括—內(nèi)部帶測溫二極管的APD煙霧探測器、電壓基準電路、高壓反饋調(diào)整電路、高壓功率輸出電路、高壓濾波穩(wěn)壓電路、高壓與電源輸入端子；高壓電源通過高壓與電源輸入端子為所有電路供電，其中高原功率輸出電路和高壓反饋調(diào)整電路的電源通過高壓濾波穩(wěn)壓電路濾除高壓的尖峰干擾后提供；電壓基準電路和APD內(nèi)部的測溫二極管輸出的信號共同輸入到高壓反饋調(diào)整電路，設(shè)置調(diào)整率和高壓工作點，并通過高壓功率輸出電路，施加到APD上，最后煙霧探測器輸出脈沖信號。本電路能夠在-10℃——+55℃的范圍內(nèi)，實現(xiàn)平均偏壓調(diào)整率為+2V/℃，調(diào)整率偏差小于±5％，偏壓溫度調(diào)諧范圍為+140V——+425V，以低成本和簡潔的方式解決了雪崩光電探測器靈敏度漂移的應(yīng)用難題，滿足了本裝置的設(shè)計要求。煙霧探測器焊接在煙霧探測器偏壓伺服電路模塊的電路板上，本電路模塊與外部連接有±8V、地線和高壓輸入+450V、地線，輸出有探測信號線和信號地線。
本電路采用正負±8V電源設(shè)計，高壓輸入+450V，以保證煙霧探測器最佳偏壓工作點在低于室溫和高于室溫(-10℃——+55℃)范圍內(nèi)雙向調(diào)節(jié)的需求。高壓輸入通過由電容C1(103/2KV)、電容C2(103/2KV)和線圈I1(鐵氧體磁環(huán))構(gòu)成的高壓濾波電路提供給其他電路部分。其中電容C1、C2并接在高壓+450V和電路地之間，雙線并繞的線圈I1的兩通道分別串接在+450V通道和電路地通道上。
由電阻R7(10K)、R10(10K)、R11(5.6K)、電容C10(104)、電解電容E4(10u/16V)和集成穩(wěn)壓電路Z1(LM385-2.5/LM285-2.5或其他可以代換的器件)與運放U3(LM358/LM258等其他可以代換的器件)的一個單元U3B共同構(gòu)成可調(diào)電壓基準電路，與一般電路不同的是相對于電路地，本電壓基準為可調(diào)負電壓基準，輸出調(diào)諧范圍為0V——-2.5V；煙霧探測器APD采用SPD-052(C30919E/C30724P或其他可以代換的型號)型，內(nèi)置一個測溫硅二極管，利用二極管PN節(jié)正向壓降的溫度系數(shù)為-2mV/℃的特性，來感知探測器的溫度，該內(nèi)置二極管與電容C6(103)和電解電容E3*(10u/16V)并聯(lián)后，串聯(lián)電阻R6(36K)、并跨接在電路地和-8V電源之間，共同構(gòu)成測溫電路，與一般電路不同的是相對于電路地，本測溫電壓為負電壓信號，輸出調(diào)諧范圍為-0.4V——-0.7V；測溫信號和電壓基準信號均為負信號的設(shè)計是保證測溫信號的變化極性和延誤探測器最佳偏壓隨溫度的變化極性保持一致的關(guān)鍵。
測溫信號連接在運放U3的另一個單元U3A的同相輸入端，電壓基準信號通過串聯(lián)可調(diào)電阻VR2(10K)、電阻R5(12K)連接在U3A的反向輸入端，該反向輸入端通過串接電阻R1(20M)、高壓穩(wěn)壓管WY1(MR2/125V)和高壓NPN型三極管N1(C2752)、電阻R4(39K)和U3A的輸出端1相連構(gòu)成負反饋回路，并在測試點VH處通過串接可調(diào)電阻VR1(1M)和電阻R3(430K)連接高壓輸入，其中高壓NPN型三極管N1的基極接電源地，電阻R1可并接一濾波電容C3(102/630V，可酌情選取或不選)，該電路設(shè)計不同于常規(guī)的反饋放大電路設(shè)計，可以使測試點VH處的電壓遠遠高于運放允許的極限電壓，并保證該點電壓能夠隨溫度的升高而上升，隨溫度的下降而下降，達到自動調(diào)壓的目點。調(diào)壓倍率由VR2設(shè)定，基準倍率為1000，由可調(diào)電阻VR3設(shè)定室溫時基準電壓工作點，該工作電壓由APD1的參數(shù)決定，由電阻VR1來調(diào)節(jié)運放U3A輸出的工作點，保證高壓調(diào)諧的動態(tài)范圍可達+140V——+425V。
由三極管N2(C3632)、N3(C3632)和二極管D1(R2000)構(gòu)成受保護的擴流達林頓結(jié)構(gòu)，并且三極管N2的基極與高壓反饋調(diào)整電路在測試點VH處連接，三極管N2、N3的基極均分別通過高壓濾波電容C4(103/630V)、C5(103/630V)與電路地連接，三極管N3的發(fā)射極輸出通過由電阻R11(100K)、電容C11(103/630V)和電容C21(103/630V)構(gòu)成的П型濾波器施加到煙霧探測器APD1的4腳上，以上器件構(gòu)成高壓功率輸出電路。煙霧粒子探測脈沖信號由APD1的1腳輸出到外部的放大電路。
本電路中U3和APD1的工作電源端均設(shè)置有RC濾波環(huán)節(jié)，其參數(shù)可酌情選取，其原理不再贅述。
權(quán)利要求
1.一種粒子計式煙霧探測裝置，包括激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波管、探測室、激光器支架、煙霧探測透鏡組件、煙霧探測器托架組件、煙霧散射探測器、煙霧探測器故障檢測發(fā)光管、導(dǎo)光孔、反射板，其中，煙霧探測透鏡組件包括物鏡、物鏡螺紋壓環(huán)、外螺紋透鏡管和管外的鎖緊環(huán)，煙霧探測器托架組件包括上托架、下托架、目鏡、目鏡螺紋壓環(huán)，其特征在于激光器支架與探測室固定為一體；激光器和激光束空間校正透鏡通過螺紋連接成一體，激光器通過上下左右4個螺釘固定在激光器支架上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調(diào)激光器的位置；探測室靠近激光束空間校正透鏡的一側(cè)嵌入一個光束空間濾波管，另一側(cè)與光束空間濾波管對稱的位置設(shè)有導(dǎo)光孔，其中激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波管和導(dǎo)光孔的中心同時位于光束軸上；在導(dǎo)光孔的前面設(shè)有反射板，反射板與探測室光軸線的夾角為135°；在探測室的上壁設(shè)有螺紋安裝孔，孔內(nèi)安裝可進出雙向調(diào)節(jié)的煙霧探測透鏡組件，該組件由物鏡、物鏡螺紋壓環(huán)、外螺紋透鏡管和管外的鎖緊環(huán)組成，物鏡安裝在外螺紋透鏡管內(nèi)部前端，通過物鏡螺紋壓環(huán)壓緊，煙霧探測透鏡組件組裝后通過螺紋安裝在探測室壁上的安裝孔，通過鎖緊環(huán)將煙霧探測透鏡組件和探測室鎖緊；煙霧探測器托架組件的下托架與煙霧探測透鏡組件同軸，并通過螺釘安裝在探測室上，上托架由目鏡通過目鏡壓環(huán)壓裝在上托架的鏡筒頂端；煙霧散射探測器安裝在上托架內(nèi)，上托架與下托架通過螺釘連接，并與煙霧探測透鏡組件同軸滑合；煙霧散射探測器用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；在探測室壁上煙霧探測透鏡組件安裝孔的下方設(shè)有煙霧探測器故障檢測發(fā)光管的安裝孔，煙霧探測器故障檢測發(fā)光管嵌入該孔中，并用螺紋壓環(huán)壓緊；所述煙霧散射探測器由煙霧探測器偏壓自動溫度補償伺服電路實現(xiàn)控制。
2.如權(quán)利要求1所述的一種粒子計式煙霧探測裝置，其特征在于煙霧探測器偏壓自動溫度補償伺服電路包括煙霧探測器、電壓基準電路、高壓反饋調(diào)整電路、高壓功率輸出電路、高壓濾波穩(wěn)壓電路、高壓與電源輸入端子，高壓電源通過高壓與電源輸入端子為所有電路供電，其中高原功率輸出電路和高壓反饋調(diào)整電路的電源通過高壓濾波穩(wěn)壓電路濾除高壓的尖峰干擾后提供；電壓基準電路和煙霧探測器內(nèi)部的測溫二極管輸出的信號共同輸入到高壓反饋調(diào)整電路，設(shè)置調(diào)整率和高壓工作點，并通過高壓功率輸出電路，施加到煙霧探測器上，最后煙霧探測器輸出脈沖信號。
3.如權(quán)利要求1所述的一種粒子計式煙霧探測裝置，其特征在于所述煙霧探測器為內(nèi)部帶測溫二極管的雪崩光電探測器。
全文摘要
一種粒子計式煙霧探測裝置，包括激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波管、探測室、激光器支架、煙霧探測透鏡組件、煙霧探測器托架組件、煙霧散射探測器、煙霧探測器故障檢測發(fā)光管、導(dǎo)光孔、反射板。本發(fā)明實現(xiàn)了煙霧粒子計數(shù)探測的極暗背景設(shè)計、單個粒子散射脈沖計數(shù)探測的極小散射作用區(qū)和極小探測視場的設(shè)計，保證了極高靈敏度的單個煙霧粒子脈沖散射信號提起的結(jié)構(gòu)需求；側(cè)向散射的煙霧探測設(shè)計使得對各種煙霧探測器具有較為均衡的響應(yīng)性能；并且由于光束與探測室內(nèi)腔不發(fā)生任何反射作用，且煙霧探測器的視場被設(shè)計限制在極小的粒子散射區(qū)，避免探測室長期運行時的污染對煙霧粒子計數(shù)探測的影響。
文檔編號G08B17/103GK1763496SQ200510047310
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者王文青, 余廣智, 梅志斌, 王勇俞, 劉玉寶 申請人:公安部沈陽消防研究所