專利名稱：基于消偏率的光電感煙火災探測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于火災探測技術領域，特別涉及基于消偏率的光電感煙火災探測方法及裝置。
背景技術：
英國出版的《火災安全期刊》(Fire Safety Journa1，1997，第29卷，第77-85頁)指出，煙顆粒是火災早期的重要特征參量之一，基于煙顆粒光散射原理進行火災早期探測是一種最重要的火災探測方法。而根據(jù)麥克斯韋電磁散射理論可知，顆粒光散射過程中包含了3項重要信息，即光強、偏振與相位，其中相位信息的獲取較困難，而光強與偏振信息的獲取較簡單。現(xiàn)有的光電感煙火災探測器，如美國專利US2002084907、日本專利JP2004227452及歐洲專利DE69608363D所提到的感煙火災探測技術，都僅采用煙顆粒的散射光強作為探測火災的判據(jù)，沒能利用更深刻反映顆粒光散射本質特征的偏振信息，不能可靠而有效地識別灰煙、黑煙以及粉塵、水蒸氣干擾源顆粒，因而無法根本消除由于干擾源顆粒引起的誤報，同時其對各種不同類型的煙顆粒的響應靈敏度的一致性較差，限制了靈敏度的進一步提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于消偏率的光電感煙火災探測方法及裝置，利用顆粒光散射過程中偏振特征的變化，識別灰煙顆粒、黑煙顆粒以及粉塵、水蒸汽干擾源顆粒，降低感煙探測的誤報率，提高其響應靈敏度。
本發(fā)明的基于消偏率的光電感煙火災探測裝置，包括，在光源1出射的光束入射至圓柱形探測腔室7內的煙顆粒3后發(fā)生光散射的某一散射角度θ上，設有接收散射光強的第一光電接收器5；其特征在于設所述光源1沿水平方向出射光束，在入射至煙顆粒3之前先經(jīng)過起偏器2，以經(jīng)過該入射光束且水平的平面為散射基準平面8，在垂直于該散射基準平面8的接收平面9上，緊挨著并對稱于該散射基準平面8的上下兩側分別安裝兩個完全相同、具有相同的散射角度θ的第一光電接收器5和第二光電接收器6，且均對準圓柱形探測腔室7圓形底面內的圓心即顆粒散射中心；在第一光電接收器5或第二光電接收器6的前端安裝一個驗偏器4；所述起偏器2和驗偏器4的光軸取向都垂直于散射基準平面8。
所述水平的散射基準平面8也可為經(jīng)過入射光束的任一平面。
本發(fā)明的基于消偏率的光電感煙火災探測方法，包括測量入射至煙顆粒后在散射角度θ上的光束的散射光強；其特征在于所述光束經(jīng)過起偏后成為偏振方向垂直于散射基準平面的線偏振光，再入射至煙顆粒發(fā)生光散射，通過測量散射角度為θ的散射光強Isca(θ)，以及相同散射角度θ上偏振方向垂直于散射基準平面的散射光的光強Isca(θ)，兩個散射光強Isca(θ)與Isca(θ)的比值即為表征顆粒本質特征的消偏率δP(θ)；先根據(jù)實驗測得某一散射角度θ上模擬大氣塵、黃土塵與水蒸汽顆粒的消偏率中的δP(θ)最大值δP1(θ)，正庚烷明火、聚氨酯明火和柴油明火生成的黑煙顆粒的消偏率中δP(θ)的最小值δP4(θ)，而棉繩陰燃、木材熱解生成的灰煙顆粒對應的消偏率在δP(θ)大于δP2(θ)而小于δP3(θ)，排列出δP4(θ)＞δP3(θ)＞δP2(θ)＞δP1(θ)；再通過實驗測量確定粉塵與水蒸汽顆粒、灰煙顆粒和黑煙顆粒光散射過程中各自對應的消偏率δP(θ)值的范圍，該3種類型顆粒對應的δP(θ)值在互不重合的區(qū)間，從而根據(jù)消偏率δP(θ)逆推顆粒的種類；若測得的消偏率值δP(θ)小于δP1(θ)，則判斷其為粉塵或水蒸汽干擾源顆粒，對于消偏率在δP2(θ)～δP3(θ)之間的灰煙顆粒與消偏率大于P4(θ)的黑煙顆粒，根據(jù)散射光強值Isca(θ)，依據(jù)國家標準GB4715-93《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》中4.22.2.1節(jié)中規(guī)定的一級、二級和三級靈敏度分別對應煙濃度為0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，設定閾值判定是否發(fā)生火災，從而實現(xiàn)對于不同種類煙顆粒一致的響應靈敏度；取所述散射角度θ在30°～100°。
火災煙顆粒光散射過程中，某一散射角度上的散射光強反映了煙顆粒的濃度，現(xiàn)有光電感煙火災探測技術正是利用散射光強的大小對煙顆粒進行探測，從而判斷火災是否發(fā)生。然而，由于粉塵、水蒸氣干擾源顆粒也具有類似于煙顆粒的這種散射特征，僅通過散射光強的大小無法識別發(fā)生散射的是火災煙顆粒還是干擾源顆粒，容易產(chǎn)生誤報。此外，對于各種真實火災煙顆粒，其物性參數(shù)也各不相同，如陰燃火生成的灰煙與有焰火燃燒生成的黑煙，對應的光散射特征也存在較大差異，因此，現(xiàn)有光電感煙火災探測器對于這些煙顆粒的響應靈敏度不一致。根據(jù)麥克斯韋電磁散射理論，顆粒光散射過程中包括3項信息光強、偏振和相位，其中散射光強只是散射過程中各種因素的一種綜合特征，無法具體反映散射顆粒的成分、形貌及大小特征，而偏振特征則體現(xiàn)了顆粒的這些本質特征的影響，且相對于相位信息較容易獲取，只需加上偏振片即可。其中，散射光的消偏率這個參數(shù)可以有效區(qū)分火災煙顆粒與干擾源顆粒，以及不同種類的煙顆粒。
本發(fā)明根據(jù)顆粒散射光的消偏率的大小達到識別火災煙顆粒與干擾源顆粒的目的，從而排除粉塵、水蒸氣干擾源顆粒對光電感煙火災探測器的干擾，降低探測器的誤報率，同時也可進一步降低探測器的報警閾值而提高其響應靈敏度。此外，對于不同種類的煙顆粒，根據(jù)其對應的θ角度上的消偏率，調整報警閾值，從而實現(xiàn)對于灰煙顆粒和黑煙顆粒都具有相同的響應靈敏度，即達到探測器響應靈敏度的一致性。


圖1為基于消偏率的光電感煙火災探測方法的俯視示意圖；圖2為基于消偏率的光電感煙火災探測方法的側視示意圖。
具體實施例方式以下結合

本發(fā)明的具體實施方式
。
實施例1圖1給出了本發(fā)明的基于消偏率的光電感煙火災探測裝置的俯視示意圖，圖2為其側視示意圖。本實施例探測裝置中的各光學、電子元器件都安裝于一個扁圓柱形的探測腔室7中，該探測腔室既能遮擋外界環(huán)境光，又使煙霧顆粒能夠順利進入，使腔室內部形成光學暗室，例如可采用一組“V”形薄片如“多米諾骨牌”排列而成的結構作為探測腔室的側壁。如圖1所示，在底面水平放置的探測腔室7內部，緊靠探測腔室7的左內側安裝一個光源1，光源1沿水平方向出射的光束對準圓柱形探測腔室7圓形底面內的圓心，該出射光束經(jīng)過具有豎直方向光軸的起偏器2后入射至進入探測腔室7內的顆粒3發(fā)生光散射，以經(jīng)過該入射光束且水平的平面為散射基準平面8，緊挨著并對稱于該散射基準平面8的上下兩側分別安裝兩個完全相同、具有相同的散射角度θ的第一光電接收器5和第二光電接收器6，這2個光電接收器均緊靠著探測腔室7的內側且對準圓柱形探測腔室7的圓形底面的圓心，即顆粒散射中心；如圖2所示，在第一光電接收器5的前端安裝一個光軸為豎直方向的驗偏器4；所述水平的散射基準平面8也可為經(jīng)過入射光束的任一平面；取所述散射角度θ在30°～100°。
本發(fā)明中光電接收器5所測量的散射光信號Isca(θ)與光電接收器6所測量的散射光信號Isca(θ)的比值即為該角度上散射光的消偏率δP(θ)，該值作為區(qū)分粉塵與水蒸汽顆粒、灰煙及黑煙顆粒的判據(jù)。
光電接收器6所接收的散射光強的大小反映了進入探測腔室的顆粒濃度。因此，通過光電接收器6所接收的散射光強輔以消偏率識別不同種類的顆粒，從而給出正常、干擾源或火警的響應輸出。
顆粒光散射信號隨著散射角度θ的增大，其強度迅速減小，本發(fā)明中采用的散射角度θ在30～100°范圍內，確保兩個光電接收器所測量的信號足夠大，使探測過程可靠。本實施例中，選擇的散射角度θ為75°±5°。
通過實驗測量，可得模擬大氣塵、黃土塵與水蒸汽顆粒的消偏率δP(θ)最小，其最大值不超過δP1(θ)，當θ為75°±5°時，δP1(θ)值約為0.15；正庚烷明火、聚氨酯明火和柴油明火生成的黑煙顆粒對應的消偏率δP(θ)最大，最小值不小于δP4(θ)，當θ為75°±5°時，δP4(θ)值約為0.6；而棉繩陰燃、木材熱解生成的灰煙顆粒對應的δP(θ)居中，大于δP2(θ)且小于δP3(θ)，當θ為75°±5°時，δP2(θ)值約為0.25，δP2(θ)值約為0.4。
采用本發(fā)明的基于消偏率的光電感煙火災探測裝置工作時，按如下步驟操作測試當有顆粒進入探測腔室發(fā)生光散射作用時，首先由第一光電接收器5與第二光電接收器6分別測出θ角度上散射光在垂直于散射平面上的分量的光強Isca(θ)與θ角度上散射光總光強Isca(θ)，得到θ角度上的Isca(θ)/Isca(θ)的比值即消偏率δP(θ)。通過該消偏率值，與δP1(θ)、δP2(θ)、δP3(θ)及δP4(θ)進行比較，從而判斷進入探測腔室顆粒的類型，然后根據(jù)光電接收器6所測散射光信號強度Isca(θ)的大小，做出相應判斷，具體如下所述(1)當θ角度上的消偏率δP(θ)值小于消偏率δP1(θ)時，則判斷出進入探測腔室的是粉塵或水蒸氣干擾源顆粒，并根據(jù)光電接收器6所接收散射光信號強度的大小，得到進入探測腔室的顆粒濃度，最終決定是否給出“干擾源顆粒濃度較大”的故障信號。
(2)當θ角度上的消偏率δP(θ)值大于消偏率δP2(θ)且小于消偏率δP3(θ)時，則判斷出進入探測腔室的是由陰燃火生成的灰煙顆粒，這種灰煙顆粒在前向角度的散射光強較大，因此，根據(jù)光電接收器6所接收散射光信號強度Isca(θ)的大小，得到進入探測腔室的煙顆粒濃度，根據(jù)國家標準GB4715-93《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》中的4.22.2.1節(jié)中規(guī)定的一級、二級和三級靈敏度分別對應煙濃度為0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，設定報警閾值，決定是否給出“火警”的信號以及啟動消防滅火設備。
(3)當θ角度上的消偏率δP(θ)值大于消偏率δP4(θ)時，則判斷出進入探測腔室的是由有焰火生成的黑煙顆粒，這種灰煙顆粒在前向角度的散射光強相對較弱，因此，根據(jù)光電接收器6所接收散射光信號強度Isca(θ)的大小，根據(jù)國家標準GB4715-93《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》中的4.22.2.1節(jié)中規(guī)定的一級、二級和三級靈敏度分別對應煙濃度為0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，設定報警閾值，判斷出是否給出“火警”的信號以及啟動消防滅火設備。
由以上分析可見，基于消偏率的光電感煙火災探測技術，利用反映散射顆粒本質特征的消偏率這一重要參量，判斷進入探測腔室的顆粒種類，排除干擾源顆粒，避免誤報的發(fā)生。此外，通過對于不同種類煙顆粒的識別，調整相應的報警閾值，使這種光電感煙火災探測器對于不同種類煙顆粒的響應靈敏度一致。該技術所利用的是信號較強的30°~100°范圍內的散射光，避免了采用在130°以后的微弱的后向散射光信號，從而實現(xiàn)更加可靠而準確地火災報警。
權利要求
1.一種基于消偏率的光電感煙火災探測裝置，包括，在光源(1)出射的光束入射至圓柱形探測腔室(7)內的煙顆粒(3)后發(fā)生光散射的某一散射角度(θ)上，設有接收散射光強的第一光電接收器(5)；其特征在于設所述光源(1)沿水平方向出射光束，在入射至煙顆粒(3)之前先經(jīng)過起偏器(2)，以經(jīng)過該入射光束且水平的平面為散射基準平面(8)，在垂直于該散射基準平面(8)的接收平面(9)上，緊挨著并對稱于該散射基準平面(8)的上下兩側分別安裝兩個完全相同、具有相同的散射角度(θ)的第一光電接收器(5)和第二光電接收器(6)，且均對準圓柱形探測腔室(7)圓形底面內的圓心即顆粒散射中心；在第一光電接收器(5)或第二光電接收器(6)的前端安裝一個驗偏器(4)；所述起偏器(2)和驗偏器(4)的光軸取向都垂直于散射基準平面(8)。
2.如權利要求1所述基于消偏率的光電感煙火災探測裝置，特征在于所述散射基準平面(8)為經(jīng)過入射光束的任一平面。
3.一種基于消偏率的光電感煙火災探測方法，包括測量入射至煙顆粒后在散射角度θ上的光束的散射光強；其特征在于所述光束經(jīng)過起偏后成為偏振方向垂直于散射基準平面的線偏振光，再入射至煙顆粒發(fā)生光散射，通過測量散射角度為θ的散射光強Isca(θ)，以及相同散射角度θ上偏振方向垂直于散射基準平面的散射光的光強Isca(θ)，兩個散射光強Isca(θ)與Isca(θ)的比值即為表征顆粒本質特征的消偏率δP(θ)；先根據(jù)實驗測得某一散射角度θ上模擬大氣塵、黃土塵與水蒸汽顆粒的消偏率中的δP(θ)最大值δP1(θ)，正庚烷明火、聚氨酯明火和柴油明火生成的黑煙顆粒的消偏率中δP(θ)的最小值δP4(θ)，而棉繩陰燃、木材熱解生成的灰煙顆粒對應的消偏率在δP(θ)大于δP2(θ)而小于δP3(θ)，排列出δP4(θ)＞δP3(θ)＞δP2(θ)＞δP1(θ)；再通過實驗測量確定粉塵與水蒸汽顆粒、灰煙顆粒和黑煙顆粒光散射過程中各自對應的消偏率δP(θ)值的范圍，該3種類型顆粒對應的δP(θ)值在互不重合的區(qū)間，從而根據(jù)消偏率δP(θ)逆推顆粒的種類；若測得的消偏率值δP(θ)小于δP1(θ)，則判斷其為粉塵或水蒸汽干擾源顆粒，對于消偏率在δP2(θ)～δP3(θ)之間的灰煙顆粒與消偏率大于P4(θ)的黑煙顆粒，根據(jù)散射光強值Isca(θ)，依據(jù)國家標準GB4715-93《點型感煙火災探測器技術要求及試驗方法》中4.22.2.1節(jié)中規(guī)定的一級、二級和三級靈敏度分別對應煙濃度為0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，設定閾值判定是否發(fā)生火災，從而實現(xiàn)對于不同種類煙顆粒一致的響應靈敏度；取所述散射角度θ在30°～100°。
全文摘要
本發(fā)明基于消偏率的光電感煙火災探測方法及裝置，特征是光源出射的光束先經(jīng)過起偏器入射至煙顆粒，以經(jīng)過該入射光束的平面為散射基準平面，在垂直于該散射基準平面的接收平面上，緊挨著并對稱于該散射基準平面的上下兩側分別安裝兩個完全相同、具有相同的散射角度的第一光電接收器和第二光電接收器，且均對準圓柱形探測腔室圓形底面內的圓心即顆粒散射中心；在第一光電接收器或第二光電接收器的前端安裝一個驗偏器；所述起偏器和驗偏器的光軸取向都垂直于散射基準平面。通過利用顆粒光散射過程中偏振特征的變化，識別灰煙顆粒、黑煙顆粒以及粉塵、水蒸汽干擾源顆粒，可降低感煙探測的誤報率，提高其響應靈敏度。
文檔編號G08B17/10GK1949285SQ20061009719
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權日2006年10月31日
發(fā)明者謝啟源, 張和平, 萬玉田, 楊暉, 張瑞芳, 周勇 申請人:中國科學技術大學