專利名稱：一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火災(zāi)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)
O
背景技術(shù)：
火災(zāi)探測(cè)是防止火災(zāi)發(fā)生的重要手段，基于光散射原理的光電感煙探測(cè)器是當(dāng)前 火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)采用最廣泛的常規(guī)探測(cè)器。現(xiàn)有技術(shù)的光電感煙探測(cè)器通常采用在前向 或后向某一特定散射角度接收某一特定波長(zhǎng)(通常為近紅外光)的散射光強(qiáng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)煙 霧顆粒的感知，如專利CN101147053，CN1198237等。這類探測(cè)器主要存在無(wú)法有效識(shí)別 灰塵等干擾顆粒導(dǎo)致容易產(chǎn)生誤報(bào)的缺陷。誤報(bào)的存在嚴(yán)重地影響了光電感煙探測(cè)器的 使用，美國(guó)國(guó)家消防協(xié)會(huì)(National Fire Protection Association)在2004年的一份名 為《誤報(bào)和意外啟動(dòng)美國(guó)感煙探測(cè)器和其他探測(cè)/報(bào)警設(shè)備調(diào)查》CTalse Alarms and Unwanted Activiations，， From: U.S. Experience with Smoke Alarms and other Fire Detection/Alarm Equipment)研究報(bào)告中指出，為了減少探測(cè)器誤報(bào)對(duì)生活的干擾，人們 通常將探測(cè)器中的電池移除，感煙探測(cè)器的電池移除率是其他類似電器的8倍。誤報(bào)的存 在往往使得光電感煙探測(cè)器在真實(shí)火災(zāi)發(fā)生時(shí)無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)用的報(bào)警功能，從而給社會(huì)造 成重大損失。作為現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，一些探測(cè)器已經(jīng)提出了使用兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光源，利用顆 粒散射得到的不同波長(zhǎng)的信號(hào)的差值來(lái)識(shí)別灰塵和煙霧信號(hào)，如專利CN101135630A等。該 技術(shù)利用雙波長(zhǎng)散射信號(hào)相減后的方法來(lái)抑制對(duì)大尺寸灰塵顆粒的響應(yīng)的同時(shí)也不可避 免了抑制了對(duì)煙霧顆粒的響應(yīng)。作為現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)的另一種方案，在CN 1234003C、CN101036173A等專利中提 出采用前向和后向分別設(shè)置接收器，利用前向和后向散射光的比值或某種其他的組合運(yùn)算 來(lái)識(shí)別黑煙(白煙)和灰塵。此技術(shù)涉及到在后向角度探測(cè)散射光，而煙霧，尤其是黑煙顆粒 的后向散射十分微弱，因此對(duì)探測(cè)器靈敏度的要求比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，利用散射信 號(hào)最強(qiáng)的前向小角度散射實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧顆粒的高靈敏度響應(yīng)，降低了對(duì)器件靈敏度的要求， 并有效地改進(jìn)對(duì)灰塵等大尺寸干擾顆粒的識(shí)別。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于包括有構(gòu)成暗室環(huán)境的探 測(cè)腔室，所述探測(cè)腔室中心一側(cè)依次設(shè)置有光源、入射透鏡，所述入射透鏡的焦點(diǎn)位于探測(cè) 腔室中心處，入射透鏡將光源的入射光聚焦于探測(cè)腔室中心處顆粒群上，所述探測(cè)腔室中 心另一側(cè)依次設(shè)置有接收透鏡系統(tǒng)、探測(cè)器，所述光源、入射透鏡、接收透鏡系統(tǒng)、探測(cè)器的 探測(cè)面共光軸，接收透鏡系統(tǒng)和探測(cè)器之間設(shè)置有位于探測(cè)器的探測(cè)面中心處的隔板，所述接收透鏡系統(tǒng)將探測(cè)腔室中心處顆粒群的前向小角度散射光傳輸至探測(cè)器上，所述探測(cè) 器與外部的信號(hào)處理單元連接。所述的一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于所述接收透鏡 系統(tǒng)包括共光軸設(shè)置的第一接收透鏡、第二接收透鏡，所述第一、第二接收透鏡均為消色差 平凸薄透鏡，其中第一接收透鏡的焦點(diǎn)位于探測(cè)腔室中心處，所述第一接收透鏡接收探測(cè) 腔室中心處顆粒群的前向小角度散射光并成像于像平面，所述第二接收透鏡使位于所述像 平面上的散射光以垂直于探測(cè)器探測(cè)面的角度平行入射至探測(cè)器的探測(cè)面上。所述的一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于所述探測(cè)器為 線陣探測(cè)器，或者為多個(gè)光電二極管構(gòu)成的探測(cè)器陣列，所述接收透鏡系統(tǒng)中第二接收透 鏡使位于像平面上的散射光以垂直于探測(cè)器探測(cè)面的角度平行入射至探測(cè)器的探測(cè)面上， 同時(shí)使不同散射角的散射光對(duì)應(yīng)線陣探測(cè)器的不同相元，或者是多個(gè)光電二極管構(gòu)成的探 測(cè)器陣列的不同探測(cè)位置。顆粒光散射特征是顆粒某些性質(zhì)的體現(xiàn)，主要包括顆粒的粒徑和折射率。根據(jù) 《火災(zāi)全期刊》(Fire Safety Journal) 2006年第41卷第266頁(yè)到第273頁(yè)上的論文《試 驗(yàn)火煙顆粒光學(xué)性質(zhì)的在線測(cè)量》(On-line determination of optical properties of particles produced by test fires)公開的內(nèi)容，正庚烷和聚氨酯燃燒產(chǎn)生的黑煙顆粒與 木材陰燃和棉繩陰燃產(chǎn)生的灰(白)煙顆粒，在粒徑分布上的區(qū)別并不明顯，主要分布在10 納米到1微米范圍，幾何平均粒徑為200納米左右，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差通常在2附近；而黑煙顆 粒和灰(白)煙顆粒在光散射強(qiáng)度上的差別主要是由折射率不同引起的黑煙顆粒折射率虛 部通常較大，因此產(chǎn)生較強(qiáng)的光吸收，導(dǎo)致光散射強(qiáng)度偏小?；覊m顆粒是由環(huán)境中的天然物 質(zhì)或生物體的磨蝕或非熱分解所產(chǎn)生的，與煙霧顆粒相比，灰塵顆粒的尺寸一般非常大，主 要分布在1微米到100微米粒徑范圍之內(nèi)。煙霧和灰塵顆粒在可見近紅外波段的光散射強(qiáng)度在前向小散射角度的分布呈以 下特征散射角由0度開始增加的過(guò)程中，煙霧和灰塵顆粒的光散射強(qiáng)度都由大變??；但兩 者在散射強(qiáng)度隨散射角增大而下降的幅度上存在明顯差別，相比煙霧顆粒，灰塵顆粒在前 20度散射角范圍內(nèi)可以下降到幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，而煙霧顆粒通常則下降不超過(guò)一個(gè)數(shù)量 級(jí)。本發(fā)明通過(guò)在前向零度散射角附近的小散射角范圍內(nèi)固定設(shè)置探測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該探測(cè) 系統(tǒng)可以獲得前向小角度光強(qiáng)分布，利用該光強(qiáng)分布信息可以有效分辨煙霧顆粒和灰塵顆 粒。本發(fā)明利用顆粒散射能量最為集中的前向小角度散射，降低了對(duì)探測(cè)器靈敏度的 要求，提高了煙霧顆粒的響應(yīng)。利用前向光強(qiáng)分布信息可以簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)煙霧顆粒和灰 塵顆粒的識(shí)別，降低了探測(cè)器的誤報(bào)。接收透鏡系統(tǒng)的使用避免了入射角度不同造成探測(cè) 器響應(yīng)不一致的問(wèn)題，減小了獲得散射光強(qiáng)分布的誤差。


圖1為本發(fā)明的基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器平面示意圖。圖2為本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)組成示意圖。圖3為532nm波長(zhǎng)下典型煙霧顆粒和灰塵顆粒前向小角度散射光強(qiáng)度相對(duì)分布計(jì)
算結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示。本發(fā)明包括光發(fā)射部分、光接收部分以及信號(hào)處理系統(tǒng)。光發(fā) 射部分包括光源1和入射透鏡2，光源1出射的光束經(jīng)入射透鏡2聚焦后入射至探測(cè)腔室8 中心位置的散射中心3，與進(jìn)入散射中心3的顆粒群4發(fā)生光散射作用。光接收部分包括接 收透鏡系統(tǒng)5，隔板6，探測(cè)器7，接收透鏡系統(tǒng)5將散射中心發(fā)出的散射基準(zhǔn)平面內(nèi)前向小 角度散射光傳輸?shù)教綔y(cè)器7探測(cè)面上，散射基準(zhǔn)平面可以為經(jīng)過(guò)入射光束的任一平面。隔 板6位于接收透鏡系統(tǒng)5和探測(cè)器7之間的發(fā)射光路上，用于擋住經(jīng)過(guò)煙霧顆粒后的入射 光線，避免直接照射到探測(cè)器7，探測(cè)器7為線陣探測(cè)器或者由多個(gè)光電二極管組成的探測(cè) 器陣列，用于測(cè)量成像后的一維散射光強(qiáng)度分布。接收透鏡系統(tǒng)5由兩組消色差平凸薄透 鏡構(gòu)成，第一接收透鏡5-1收集散射中心前向小角度散射光并成像于像平面，第二接收透 鏡5-2使位于像平面上的散射光以垂直于探測(cè)器7探測(cè)面的角度平行入射到探測(cè)器7探 測(cè)面上，同時(shí)使不同散射角的散射光對(duì)應(yīng)不同的探測(cè)器7探測(cè)位置或線陣探測(cè)器的不同相兀。
本發(fā)明所提供的基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，是應(yīng)用探測(cè)系統(tǒng)接收到的散 射光隨散射角分布信息來(lái)識(shí)別煙霧顆粒和灰塵顆粒。探測(cè)腔室8為一圓柱形暗室，由可以阻擋周圍環(huán)境光線的進(jìn)入，但是煙霧顆?？?以順利地進(jìn)入，例如可以采用一組“V”形薄片構(gòu)成圓柱形腔室的側(cè)壁。在探測(cè)腔室8的一 側(cè)安裝有光源1，光源1可以采用可見近紅外波段(400nm-900nm之間)的激光二極管或發(fā) 光二極管，優(yōu)選采用激光二極管。沿光源1出射光的方向依次安裝有入射透鏡2，接收透鏡 系統(tǒng)5，隔板6和探測(cè)器7。入射透鏡2將光源1出射的光聚焦到探測(cè)腔室8中心處，與散 射中心3內(nèi)的顆粒群4發(fā)生散射。接收透鏡系統(tǒng)5收集散射中心發(fā)出的前向散射光并映射 到探測(cè)器7。隔板6位于探測(cè)器7前端的入射光路上，用于遮擋經(jīng)過(guò)煙霧的入射光，避免直 接照射探測(cè)器，因此探測(cè)器零度散射角位置將接收不到任何光強(qiáng)。接收透鏡系統(tǒng)5由兩組透鏡構(gòu)成，散射中心3位于第一接收透鏡5-1的焦點(diǎn)處，第 一接收透鏡直徑選取為可以收集20度范圍內(nèi)(圖3中散射角θ小于20度)的散射光，第二 接收透鏡5-2將位于第一接收透鏡5-1像平面內(nèi)的散射光線映射到探測(cè)器7上，并使得散 射光以垂直于探測(cè)器7探測(cè)面的角度平行入射到探測(cè)器7探測(cè)面上，同時(shí)使不同散射角的 散射光對(duì)應(yīng)不同的探測(cè)器探測(cè)位置或線陣探測(cè)器的不同相元。如圖3所示。圖3給出了入射光波長(zhǎng)為532nm時(shí)煙霧顆粒和灰塵顆粒前向散射光 強(qiáng)度分布的計(jì)算圖?？梢源_定的是，米氏理論適用于來(lái)計(jì)算可見近紅外波段合乎常規(guī)煙霧 和灰塵的尺寸范圍內(nèi)顆粒的光散射，且對(duì)數(shù)正態(tài)分布可以用來(lái)描述合乎常規(guī)的煙霧和灰塵 顆粒的粒徑分布。對(duì)于煙霧顆粒，選取幾何平均粒徑為200nm，幾何標(biāo)準(zhǔn)差為1. 8，粒徑分布 范圍在10納米-1微米之間，折射率分別為1.53+0.56i (黑煙)和1.53+0. Oli (白煙)；對(duì) 于灰塵顆粒，選幾何平均粒徑為5微米，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差為1. 8，粒徑分布范圍在1微米-100 微米之間，折射率為1.53+0. Oli。通過(guò)計(jì)算結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒和灰塵顆粒前向散射光 分布特征上存在顯著差別。
權(quán)利要求
1.一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于包括有構(gòu)成暗室環(huán)境的 探測(cè)腔室，所述探測(cè)腔室中心一側(cè)依次設(shè)置有光源、入射透鏡，所述入射透鏡的焦點(diǎn)位于探 測(cè)腔室中心處，入射透鏡將光源的入射光聚焦于探測(cè)腔室中心處顆粒群上，所述探測(cè)腔室 中心另一側(cè)依次設(shè)置有接收透鏡系統(tǒng)、探測(cè)器，所述光源、入射透鏡、接收透鏡系統(tǒng)、探測(cè)器 的探測(cè)面共光軸，接收透鏡系統(tǒng)和探測(cè)器之間設(shè)置有位于探測(cè)器的探測(cè)面中心處的隔板， 所述接收透鏡系統(tǒng)將探測(cè)腔室中心處顆粒群的前向小角度散射光傳輸至探測(cè)器上，所述探 測(cè)器與外部的信號(hào)處理單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于 所述接收透鏡系統(tǒng)包括共光軸設(shè)置的第一接收透鏡、第二接收透鏡，所述第一、第二接收透 鏡均為消色差平凸薄透鏡，其中第一接收透鏡的焦點(diǎn)位于探測(cè)腔室中心處，所述第一接收 透鏡接收探測(cè)腔室中心處顆粒群的前向小角度散射光并成像于像平面，所述第二接收透鏡 使位于所述像平面上的散射光以垂直于探測(cè)器探測(cè)面的角度平行入射至探測(cè)器的探測(cè)面 上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，其特征在于 所述探測(cè)器為線陣探測(cè)器，或者為多個(gè)光電二極管構(gòu)成的探測(cè)器陣列，所述接收透鏡系統(tǒng) 中第二接收透鏡使位于像平面上的散射光以垂直于探測(cè)器探測(cè)面的角度平行入射至探測(cè) 器的探測(cè)面上，同時(shí)使不同散射角的散射光對(duì)應(yīng)線陣探測(cè)器的不同相元，或者是多個(gè)光電 二極管構(gòu)成的探測(cè)器陣列的不同探測(cè)位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于前向小角度散射的光電感煙探測(cè)器，包括有探測(cè)腔室探測(cè)腔室依次共光軸設(shè)置有光源、入射透鏡、接收透鏡系統(tǒng)、探測(cè)器，接收透鏡系統(tǒng)和探測(cè)器之間設(shè)置有隔板，入射透鏡將光源的入射光聚焦于探測(cè)腔室中心處顆粒群上，接收透鏡系統(tǒng)將探測(cè)腔室中心處顆粒群的前向小角度散射光傳輸至探測(cè)器上。本發(fā)明降低了對(duì)探測(cè)器靈敏度的要求，提高了煙霧顆粒的響應(yīng)，降低了探測(cè)器的誤報(bào)，減小了獲得散射光強(qiáng)分布的誤差。
文檔編號(hào)G01N21/49GK102129755SQ20111000145
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者張啟興, 張永明, 方俊, 王進(jìn)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)