一種無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器及信號處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器及信號處理方法，包括光電感煙部分、探測腔室(C)、過濾網(wǎng)(I)、信號處理單元(E)、外殼(F)、報警喇叭(G)及指示燈(H)。本發(fā)明提出無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器的新思想，減少了煙顆粒進出探測器的阻礙，使煙氣進出探測腔體更加流動順暢，具有高的響應靈敏度和實時性。光學迷宮結構的功能就是阻礙外界環(huán)境光進入探測腔室，為此本發(fā)明利用幅度調制與解調原理，提出一種含有環(huán)境光、煙霧等作用的信號分析處理方法，為無迷宮的點型光散射式感煙探測器提供一種理論依據(jù)，也為提高探測器響應靈敏度的研究提供一種新的思路和研究方向。
【專利說明】一種無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器及信號處理方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于點型光散射式感煙火災探測【技術領域】，涉及無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，還涉及一種利用幅度調制解調原理對無迷宮點型光散射式感煙探測器中信號進行分析處理的方法。

【背景技術】
[0002]煙霧顆粒是火災早期最為重要的特征參量之一，點型光散射式感煙探測器是火災自動探測報警領域產(chǎn)量最大和使用最為廣泛的火災探測器，對國內(nèi)外建筑防火起到了重要作用。然而這種火災探測器明顯存在探測響應時間長、靈敏度低等問題，因此，提高點型光散射式感煙探測器的響應性能對火災探測技術的發(fā)展具有重要意義。
[0003]現(xiàn)有的點型光散射式感煙探測器如圖1所示，其工作原理是火災煙顆粒伴隨一定氣流穿過光學迷宮和過濾網(wǎng)進入探測腔室，腔室內(nèi)發(fā)光管發(fā)出紅外光被煙顆粒散射，散射光被接收管感知轉換為與煙霧濃度相對應的電信號，結合探測算法，給出火災報警信息。這種結構必須使用光學迷宮屏蔽外界環(huán)境光對煙霧散射光的干擾，然而光學迷宮阻礙了煙霧進入探測腔室的氣流流動和擴散，腔室內(nèi)的煙霧濃度明顯滯后且低于腔外，導致探測報警時間延遲，嚴重影響探測器的靈敏度和實時性。因此，本發(fā)明提出去除點型光散射式感煙探測器中光學迷宮的新思想，使探測器能夠快速及時地感測到環(huán)境火災煙霧。
[0004]去除點型光散射式感煙探測器的迷宮結構，帶來的問題是外界環(huán)境光進入探測腔室對煙霧散射光產(chǎn)生干擾，針對這個問題，本發(fā)明提出一種考慮外界環(huán)境光的作用且得到煙霧濃度的信號處理方法，為去除探測器迷宮結構的思想提供理論依據(jù)。這種無光學迷宮結構的光散射式感煙探測器會減少探測響應時間，提高響應性能，能夠及時、迅速地探測到火災的發(fā)生。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在提出一種無光學迷宮點型光散射式感煙探測器的新思想，并且提供一種針對這種感煙探測器中信號進行處理得到煙霧濃度的新方法，解決現(xiàn)有點型光電感煙探測器中光學迷宮造成火災煙霧顆粒進出探測腔體速度慢、探測響應時間長、實時性差、靈敏度低等問題，研究發(fā)展一種新型點型光電感煙火災探測器。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明之目的技術方案如下:一種無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，包括光電感煙部分、探測腔室、過濾網(wǎng)、信號處理單元、外殼、報警喇叭及指示燈；光電感煙部分、過濾網(wǎng)和信號處理單元位于探測腔室內(nèi)；探測腔室由外殼密封；過濾網(wǎng)分布在探測腔室的進氣口和出氣口，過濾網(wǎng)的作用主要是阻止異物進入探測腔室；所述光電感煙部分包括紅外發(fā)光管和紅外接收管，分別起到發(fā)射和接收紅外光的作用，紅外發(fā)光管和紅外接收管成角度Θ’ ；當有煙顆粒進入時，由于煙顆粒的散射作用，紅外接收管接收到紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外散射光，即煙霧濃度信號，根據(jù)接收的散射光強度，經(jīng)過信號處理單元判別是否發(fā)生火災；如發(fā)生火災則進行報警，使報警喇叭及指示燈工作。
[0007]進一步的，所述異物是小蟲及大顆粒物。
[0008]進一步的，無迷宮點型光散射式感煙探測器與目前廣泛使用的點型光電感煙探測器的根本區(qū)別在于它的探測腔體外圍沒有光學迷宮結構，外界環(huán)境光會進入探測腔室。
[0009]進一步的，無迷宮點型光散射式感煙探測器的設計思想之一是要盡量避免環(huán)境光射入探測腔室，設置合適的角度Θ’以及紅外發(fā)光管和紅外接收管的位置，使紅外接收管無法接收環(huán)境光的直射。
[0010]進一步的，無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器中紅外發(fā)光管發(fā)射的紅外光頻率遠大于絕大多數(shù)情況下外界環(huán)境光的頻率。
[0011]另外，本發(fā)明提供一種解決環(huán)境光干擾的信號處理方法，該方法基于上述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，該方法包括以下步驟:
[0012](I)無光學迷宮探測器的設計和探測腔室內(nèi)的信號的步驟
[0013]探測器的光學迷宮的作用是阻礙外界環(huán)境光進入探測腔室，因此對無光學迷宮感煙探測器的設計思想之一就要盡量降低環(huán)境光的干擾，即可以避免環(huán)境光對接收管的直射，并且盡量減少與煙顆粒的作用范圍；
[0014]所以，在信號分析中需要考慮環(huán)境光被煙霧散射的影響，發(fā)光管發(fā)出的信號，火災發(fā)生時進入探測腔室的煙霧信號，以及接收管得到的總接收信號；
[0015](2)確定探測腔室中信號之間的關系及原理的步驟
[0016]假設記探測器中發(fā)光管發(fā)出的信號為5^ (t)、煙霧信號為y.(t)、接收管的接收信號y2 (t)、外界環(huán)境光信號為g(t)，其中，設置發(fā)光管信號(t)的頻率、相位等參數(shù)，煙霧信號與光信號相互作用，可以允許它們之間的關系表示為:
[0017]yE (t) = K1.y 發(fā)(t).y 煙(t)+K2.g(t).y 煙(t)
[0018]其中Kp K2為調制電路相關系數(shù)，從上式可以將探測腔室中信號之間作用關系看作為利用發(fā)光管的信號對煙霧信號進行幅度調制處理，幅度調制是由調制信號去控制高頻載波的幅度，使其按調制信號的規(guī)律變化的過程，調制信號Ufl (t)是需要進行信道傳輸?shù)南⑿盘?，載波U。(t)為未受調制的周期性震蕩信號，載波角頻率ω。？ Ω，已調信號記為uM(t)，解調是從接受的已調信號中提取出調制信號的過程，是調制的逆過程；
[0019]其中，將發(fā)光管信號作為載波，令y發(fā)⑴=uc(t) =UcmCOS coct，煙霧信號作為調制信號，它是由多個頻率組成的函數(shù)，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式，可將連續(xù)的煙霧信號記為

【權利要求】
1.一種無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，包括光電感煙部分、探測腔室(C)、過濾網(wǎng)⑴、信號處理單元(E)、外殼(F)、報警喇叭(G)及指示燈⑶；光電感煙部分、過濾網(wǎng)⑴和信號處理單元(E)位于探測腔室(C)內(nèi)；探測腔室(C)由外殼(F)密封；過濾網(wǎng)(I)分布在探測腔室(C)的進氣口和出氣口，過濾網(wǎng)的作用主要是阻止異物進入探測腔室(C);所述光電感煙部分包括紅外發(fā)光管(A)和紅外接收管(B)，分別起到發(fā)射和接收紅外光的作用，紅外發(fā)光管(A)和紅外接收管(B)成角度Θ’ ；當有煙顆粒進入時，由于煙顆粒的散射作用，紅外接收管(B)接收到紅外發(fā)光管(A)發(fā)出的紅外散射光，即煙霧濃度信號，根據(jù)接收的散射光強度，經(jīng)過信號處理單元(E)判別是否發(fā)生火災；如發(fā)生火災則進行報警，使報警喇叭(G)及指示燈(H)工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，所述異物是小蟲及大顆粒物。
3.根據(jù)權利要求1所述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，無迷宮點型光散射式感煙探測器與目前廣泛使用的點型光電感煙探測器的根本區(qū)別在于它的探測腔體外圍沒有光學迷宮結構，外界環(huán)境光會進入探測腔室(C)。
4.根據(jù)權利要求1所述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，無迷宮點型光散射式感煙探測器的設計思想之一是要盡量避免環(huán)境光射入探測腔室，設置合適的角度Θ’以及紅外發(fā)光管(A)和紅外接收管(B)的位置，使紅外接收管(B)無法接收環(huán)境光的直射。
5.根據(jù)權利要求1所述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，紅外發(fā)光管(A)發(fā)射的紅外光頻率遠大于絕大多數(shù)情況下外界環(huán)境光的頻率。
6.一種解決環(huán)境光干擾的信號處理方法，該方法基于權利要求1所述的無光學迷宮的點型光散射式感煙探測器，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)無光學迷宮探測器的設計和探測腔室內(nèi)的信號的步驟 探測器光學迷宮的作用是阻礙外界環(huán)境光進入探測腔室，因此對無光學迷宮感煙探測器的設計思想之一就要盡量降低環(huán)境光的干擾，即可以避免環(huán)境光對接收管的直射，并且盡量減少與煙顆粒的作用范圍； 所以，在信號分析中需要考慮環(huán)境光被煙霧散射的影響，發(fā)光管發(fā)出的信號，火災發(fā)生時進入探測腔室的煙霧信號，以及接收管得到的總接收信號； (2)確定探測腔室中信號之間的關系及原理的步驟 假設記探測器中發(fā)光管發(fā)出的信號為5^ (t)、煙霧信號為y.(t)、接收管的接收信號為y, (t)、外界環(huán)境光信號為g(t)，其中，設置發(fā)光管信號y s (t)的頻率、相位等參數(shù)，煙霧信號與光信號相互作用，可以允許它們之間的關系表示為:
Ye ⑴=K1.y 發(fā)⑴.y 煙(t) +K2.g(t).y 煙(t) 其中1、K2為調制電路相關系數(shù)，從上式可以將探測腔室中信號之間作用關系看作為利用發(fā)光管的信號對煙霧信號進行幅度調制處理，幅度調制是由調制信號去控制高頻載波的幅度，使其按調制信號的規(guī)律變化的過程，調制信號Ui2 (t)是需要進行信道傳輸?shù)南⑿盘?，載波!!。⑴為未受調制的周期性震蕩信號，載波角頻率ω。？ Ω，已調信號記為uM(t)，解調是從接受的已調信號中提取出調制信號的過程，是調制的逆過程； 其中，將發(fā)光管信號作為載波，令5^(t) =uc(t) =υ?(308ωΑ煙霧信號作為調制信號，它是由多個頻率組成的函數(shù)，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式，可將連續(xù)的煙霧信號記為
接收信號即為已調信號，對它進行解調就可以得到所求的煙霧信號，g’ (t)表示外界環(huán)境光等干擾信號與煙霧作用部分，即g’ (t) = K2.g(t).(t)，因此，
其中，發(fā)光管信號為高頻載波寄載在煙霧信號的幅度上； (3)對接收信號y2(t)進行采樣的步驟 通過計算機對接收信號(t)進行采樣，采樣間隔為Ts，每次采樣N個數(shù)據(jù)，得到一個離散時間信號； (4)頻譜分析的步驟 對采樣信號進行快速離散傅里葉變換(FFT)，將其轉化到頻域來分析； (5)對信號數(shù)字濾波，消除噪聲和干擾的步驟 利用高通濾波器方法濾除低頻位置的噪聲和干擾，保留其高頻部分，也就是煙霧信號與發(fā)光管信號作用的部分； (6)解調得到煙霧濃度，分析判斷是否發(fā)生火災的步驟 濾除環(huán)境光等干擾信號后，得到只含有煙霧信號作用部分，利用包絡檢波器或者相干解調方式處理得到每個時間段上煙霧濃度的大小，經(jīng)過數(shù)模(D/A)轉換就可得到煙霧濃度的連續(xù)分布曲線，再通過火災判別算法，分析判斷是否發(fā)生火災。
【文檔編號】G08B17/107GK104200606SQ201410344735
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權日:2014年7月18日
【發(fā)明者】張永明, 韓玲, 林高華, 王進軍, 方俊 申請人:中國科學技術大學