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CN106525773A - 一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置 - Google Patents

一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，包括烟雾发生输送部分、散射和消光测量部分以及信号处理部分，其中烟雾发生输送部分包括烟箱、风机、喷嘴和输气管道，散射和消光测量部分包括激光器、光阑、光阱、光电倍增管、光电二极管、滤光片和环形导轨，信号处理部分包括前置放大器、跨阻放大器、采集卡和计算机。本发明采用两个具有不同波长的光源以及多种探测器，可以同时且连续地测量火灾烟雾的多角度散射特性和消光特性。

Description

一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置
技术领域
本发明属于火灾探测报警技术领域，具体涉及一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，能够同时且连续地测量火灾烟雾的多角度散射特性和消光特性。
背景技术
光电感烟火灾探测器在早期火灾报警中有着举足轻重的地位，其对火灾的快速响应能够有效降低人员伤亡和财产损失。但是水蒸气、厨房油烟和粉尘颗粒等干扰源的存在很容易使其发生误报。若要从根本上解决光电感烟火灾探测器的误报问题，需要对火灾过程中所产生的烟雾的光学特性如散射特性和消光特性进行深入研究。
在目前的火灾烟雾或大气气溶胶光学特性测量方法中，散射特性的研究对象一般为细小烟柱，如发明专利CN 101487786 A和CN 1877293 A；消光特性的研究则往往针对较大的烟雾体积和浓度，烟雾首先在特定容器或空间内进行填充，然后再对空间内烟雾的消光特性进行测量，发明专利CN 103439232 A以及德国Lorenz公司生产的消光测量仪器AML采用的都是这种思路。现有的同时测量大气气溶胶散射和消光特性的装置如专利CN103308482 A也采用了气溶胶在容器中填充后再测量的方法，此方法的实现所需的光学系统比较复杂，而且所需气溶胶样品中的颗粒一般很少，不适用于测量颗粒相对较多的火灾烟雾的散射和消光特性。再如发明专利CN 102636459 A虽然也能同时测量散射和消光，但是对于气路并未做出明确规定，而且采用的是单一光源，在测量消光特性的同时只能对前向20°-50°小角度范围内的散射特性进行测量。因此，需要解决火灾烟雾细小烟柱多角度散射和消光特性的同时连续测量问题，并且测量装置应较现有装置更为简单。
发明内容
本发明的主要目的是实现火灾烟雾细小烟柱多角度散射特性和消光特性的同时且连续测量，提出一种火灾烟雾多角度散射和消光特性的测量装置，同时获取细小烟柱某一点处的多角度散射和消光特性随时间的连续变化规律。
本发明采用的技术方案是：一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，包括烟雾发生输送部分、散射和消光测量部分以及信号处理部分，其中烟雾发生输送部分包括烟箱、进烟风机、进气管、整流蜂巢、喷嘴、光敏区、排气管和排烟风机，散射和消光测量部分包括激光器、光阑、光阱、光电倍增管、光电二极管、滤光片和环形导轨，信号处理部分包括前置放大器、跨阻放大器、采集卡和计算机，激光器包括波长λ1的散射光源和波长为λ2的消光光源，波长λ1的散射光源发射波长为λ1的激光，波长为λ2的消光光源发射波长为λ2的激光，滤光片包括波长为λ1的滤光片和波长为λ2的滤光片，烟箱中生成的火灾烟雾由进烟风机引流并通过整流蜂巢进行整流，然后经由喷嘴离开进气管进入光敏区，再被排烟风机引流由排气管排出。波长为λ1的激光通过烟雾后的透射光由位于同一直线的光阱吸收，其散射光通过波长为λ1的滤光片后分别由两个光电倍增管进行检测，波长为λ2的激光通过烟雾后的透射光经过波长为λ2的滤光片后由位于同一直线的光电二极管进行检测，光电倍增管将检测到的光强信号转换为电压信号，通过前置放大器对电压信号进行进一步处理后由数据采集卡进行采集并保存到计算机中以便于数据处理；而光电二极管将检测到的光强信号转换为电流信号，再由跨阻放大器将电流信号转化为电压信号，最后通过数据采集卡进行采集并保存到计算机中。
进一步的，所述光学元件全部封装在不同壳体中，所有壳体通过螺栓和夹持件装配在横截面为梯形的环形导轨上，并且可以在导轨上移动和拆卸，各元件的光轴位于同一水平面并交汇于一点，交汇点与导轨圆心位于同一竖线上。导轨内侧分布有角度刻度，在校准刻线的辅助下，通过封装壳体基座上的通孔可以读取元件光轴当前的角度值，并且能够精确调节元件在导轨上的位置。
进一步的，所述散射激光器和消光激光器所发射激光的波长λ1和λ2应具有一定的差异，在对应波长滤光片的辅助下可以排除不同波长的激光对光电倍增管或光电二极管的影响，所选散射激光器的功率要比消光激光器的功率大，通过更换不同波长和功率的光源，可以测量火灾烟雾在不同激光中的散射和消光特性，散射特性以某一角度下光电倍增管接收到的散射光强为基准进行归一化后的相对比值进行表征。而消光特性以未通入火灾烟雾时光电二极管接收到的光强为基准进行归一化后的相对比值进行表征。
进一步的，所述火灾烟雾在进气管与排气管之间的光敏区形成一个细小烟柱，烟柱中心与光学元件的光轴交汇点重合，激光光斑的大小可以通过壳体内激光器前方的光阑进行调节，使得光斑尺寸与烟柱直径一致，排烟风机的功率可以改变，进而改变光敏区的烟雾流速，实现不同流速下散射和消光特性的测量，进气喷嘴通过螺纹接入进气管，更换不同内径的喷嘴可以改变光敏区的烟雾浓度，实现不同烟雾浓度下散射和消光特性的测量。
本发明优点及积极效果为：
根据技术背景的描述可知，与现有的火灾烟雾或大气气溶胶光学特性测量装置相比，同时且连续地对细小烟柱同一点处的多角度散射特性和消光特性进行测量对于发展光电感烟探测技术有重要的意义。本发明具备的主要优点有：1-本发明通过环形轨道确定所有光学元件的位置，以精密的机械设计与装配替代手动的光路调试，简化了装置的调试过程。2-本发明采用两个具有不同波长的光源以及多种探测器，可以同时且连续地测量火灾烟雾的多角度散射特性和消光特性。由于具备上述一些优点，本发明会带来一些积极效果：1-火灾烟雾某一点处多角度散射和消光特性随时间变化规律的获取，对于火灾烟雾光学特性的深入研究将起到推动作用。2-促进解决由粉尘和厨房油烟等干扰源引起的光电感烟火灾探测器的误报问题。3-促进光电感烟探测技术以及其他领域内颗粒光学特性测量技术的发展。
附图说明
图1为测量装置总体结构示意图；
图2为光学元件封装壳体主视图；
图3为光学元件封装壳体右视图；
图4为信号处理系统原理框图；
图中附图标记含义为：1-烟箱，2-进烟风机，3-进气管，4-整流蜂巢，5-喷嘴，6-光敏区，7-排气管，8-排烟风机，9-波长为λ1的散射光源，10-光阑一，11-光阱，12-光电倍增管一，13-波长为λ1的滤光片一，14-光电倍增管二，15-波长为λ1的滤光片二，16-波长为λ2的消光光源，17-光阑二，18-光电二极管，19-波长为λ2的滤光片三，20-环形导轨，21-光学元件封装壳体，22-壳体基座，23-角度定位螺栓，24-通孔，25-角度刻度，26-校准刻线，27-导轨夹持件，28-紧固螺栓。
具体实施方式
为了使本发明装置被清楚理解，以下结合附图对本发明装置进行详细的说明。
参照附图1和附图4，本发明包括烟雾发生输送部分、散射和消光测量部分以及信号处理部分，其中烟雾发生输送部分包括烟箱1、进烟风机2、进气管3、整流蜂巢4、喷嘴5、光敏区6、排气管7和排烟风机8，散射和消光测量部分包括激光器、光阑、光阱、光电倍增管、光电二极管、滤光片和环形导轨20，信号处理部分包括前置放大器、跨阻放大器、采集卡和计算机；激光器包括波长λ1的散射光源9和波长为λ2的消光光源16，波长λ1的散射光源9发射波长为λ1的激光，波长为λ2的消光光源16发射波长为λ2的激光，滤光片包括波长为λ1的滤光片和波长为λ2的滤光片。烟箱1中生成的火灾烟雾在进烟风机2的引流下经过整流蜂巢4的整流后离开进气管3，进入光敏区6，再受排烟风机8的引流由排气管7排出。在进烟风机2和排烟风机8的共同作用下，火灾烟雾在光敏区6形成细小烟柱。波长为λ1的散射光源9和波长为λ2的消光光源16所发射激光的光斑可以通过激光器前方的光阑一10和光阑二17进行调节，使得光斑大小与烟柱直径一致。波长λ1的散射光源9发出波长为λ1的激光，通过烟雾的透射光由光阱11吸收，而形成的散射光通过波长为λ1的滤光片一13和波长为λ1的滤光片二15后分别由光电倍增管一12和光电倍增管二14进行检测。波长为λ2的消光光源16发出波长为λ2的激光，通过烟雾的透射光通过波长为λ2的滤光片三19后由光电二极管18进行检测。光电倍增管一12和光电倍增管二14将检测到的光强信号转换为电压信号，通过前置放大器的进一步处理后由数据采集卡进行采集并保存到计算机中以便于数据处理；而光电二极管18将检测到的光强信号转换为电流信号，再由跨阻放大器将电流信号转化为电压信号，最后通过数据采集卡进行采集并保存到计算机中。波长为λ1的散射光源9和波长为λ2的消光光源16所发射激光的波长λ1和λ2应具有一定的差异，在波长为λ1的滤光片一13、波长为λ1的滤光片二15和波长为λ2的滤光片三19的辅助下可以排除不同波长的激光对光电倍增管或光电二极管的影响，此外所选波长为λ1的散射光源9的功率要比波长为λ2的消光光源16的功率大。
参照附图1、附图2和附图3，各光学元件分别封装在不同的壳体21中，所有壳体通过角度定位螺栓23、夹持件27和紧固螺栓28装配在一个横截面为梯形的环形导轨20上，并且可以在导轨20上进行移动和拆卸，各元件的光轴位于同一水平面并交汇于一点，交汇点与光敏区6中细小烟柱的中心重合并与导轨圆心位于同一竖线。此外，波长为λ1的散射光源9与光阱11位于同一条直线上，波长为λ2的消光光源16与光电二极管18位于另一条直线上，光电倍增管一12和光电倍增管二14可以根据需要固定在不同的散射角。导轨20内侧有角度刻度25，可以对导轨上各元件光轴的位置进行精确调节。在本发明中，散射特性以某一角度下的散射光强为基准进行归一化后的相对比值进行表征。消光特性以未通入火灾烟雾时光电二极管接收到的光强信号为基准进行归一化后的相对比值进行表征。
本发明装置的一种工作过程为：选用100mw的532nm绿光光源为散射激光器，选用5mw的635nm红光光源为消光激光器，所选滤光片的中心波长分别为532nm和635nm，并且其半峰全宽均为10nm，如此一来所选的滤光片分别只允许对应波长附近很窄波段的光通过。首先开启进烟风机2与排烟风机8，将波长为λ1的散射光源9和光阱11分别固定在轨道20的0°和180°位置，而波长为λ2的消光光源16和光电二极管18则分别固定在55°和235°，光电倍增管一12固定在350°位置作为归一化处理的基准，而光电倍增管二14首先固定在10°位置。为信号处理系统中的各仪器供电，并测量当前光电二极管18接收到的光强。将可燃物放入烟箱1中并点燃，从光敏区6形成稳定的烟柱开始，测量10°角下的散射光强，测量时间为60s，随后增大光电倍增管二14的角度，以10°为步长直到170°，每个角度下的测量时间均为60s。与此同时，连续测量光电倍增管一12接收到的散射光强以及光电二极管18接收到的透射光强。实验结束后，散射特性以各角度下的光强测量值与350°时测量值的比值进行表征，而消光特性以透射光强与无烟时测得光强的比值进行表征。通过绘制消光特性随时间变化的曲线，可以得到细小烟柱消光特性的变化规律。同时也可以绘制以350°为基准归一化后不同散射角下的散射特性，得到散射特性随角度的变化曲线。不同燃烧条件如阴燃和明火生成的火灾烟雾的散射和消光特性存在差异，通过对比各自的散射和消光特性曲线可以对不同条件下的火灾烟雾进行识别和区分。
进一步的，通过改变排烟风机8的功率，进而能够改变光敏区6的烟雾流速，实现不同流速下火灾烟雾散射和消光特性的测量。通过更换不同内径的进气喷嘴5可以改变光敏区6的烟雾浓度，实现不同浓度下火灾烟雾散射和消光特性的测量。通过更换不同波长的光源，可以研究火灾烟雾在不同激光中的散射和消光特性。
进一步的，通过对烟箱1进行改进，可以测量造成光电感烟火灾探测器发生误报的粉尘和烹饪油烟等常见干扰源的散射和消光特性，通过对比获得的光学特性曲线可以识别和区分不同类型的气溶胶颗粒。

Claims (4)

1.一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，其特征在于：包括烟雾发生输送部分、散射和消光测量部分以及信号处理部分，其中烟雾发生输送部分包括烟箱(1)、进烟风机(2)、进气管(3)、整流蜂巢(4)、喷嘴(5)、光敏区(6)、排气管(7)和排烟风机(8)，散射和消光测量部分包括激光器、光阑、光阱、光电倍增管、光电二极管、滤光片和环形导轨(20)，信号处理部分包括前置放大器、跨阻放大器、采集卡和计算机；激光器包括波长λ1的散射光源(9)和波长为λ2的消光光源(16)，波长λ1的散射光源(9)发射波长为λ1的激光，波长为λ2的消光光源(16)发射波长为λ2的激光，滤光片包括波长为λ1的滤光片和波长为λ2的滤光片，烟箱(1)中生成的火灾烟雾由进烟风机(2)引流并通过整流蜂巢(4)进行整流，然后经由喷嘴(5)离开进气管(3)进入光敏区(6)，再被排烟风机(8)引流由排气管(7)排出；波长为λ1的激光通过烟雾后的透射光由位于同一直线的光阱吸收，其散射光通过波长为λ1的滤光片后分别由两个光电倍增管进行检测；波长为λ2的激光通过烟雾后的透射光经过波长为λ2的滤光片后由位于同一直线的光电二极管进行检测；光电倍增管将检测到的光强信号转换为电压信号，通过前置放大器对电压信号进行进一步处理后由数据采集卡进行采集并保存到计算机中以便于数据处理；而光电二极管将检测到的光强信号转换为电流信号，再由跨阻放大器将电流信号转化为电压信号，最后通过数据采集卡进行采集并保存到计算机中。
2.根据权利要求1所述的一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，其特征在于：所述光学元件全部封装在不同壳体中，所有壳体通过螺栓和夹持件装配在横截面为梯形的环形导轨上，并且可以在导轨上移动和拆卸，各元件的光轴位于同一水平面并交汇于一点，交汇点与导轨圆心位于同一竖线上；导轨内侧分布有角度刻度，在校准刻线的辅助下，通过封装壳体基座上的通孔可以读取元件光轴当前的角度值，并且能够精确调节元件在导轨上的位置。
3.根据权利要求1所述的一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，其特征在于：所述散射激光器和消光激光器所发射激光的波长λ1和λ2应具有一定的差异，在对应波长滤光片的辅助下可以排除不同波长的激光对光电倍增管或光电二极管的影响，所选散射激光器的功率要比消光激光器的功率大，通过更换不同波长和功率的光源，可以测量火灾烟雾在不同激光中的散射和消光特性，散射特性以某一角度下光电倍增管接收到的散射光强为基准进行归一化后的相对比值进行表征，而消光特性以未通入火灾烟雾时光电二极管接收到的光强为基准进行归一化后的相对比值进行表征。
4.根据权利要求1所述的一种火灾烟雾散射和消光特性测量装置，其特征在于：所述火灾烟雾在进气管与排气管之间的光敏区形成一个细小烟柱，烟柱中心与光学元件的光轴交汇点重合，激光光斑的大小可以通过壳体内激光器前方的光阑进行调节，使得光斑尺寸与烟柱直径一致，排烟风机的功率可以改变，进而改变光敏区的烟雾流速，实现不同流速下散射和消光特性的测量，进气喷嘴通过螺纹接入进气管，更换不同内径的喷嘴可以改变光敏区的烟雾浓度，实现不同烟雾浓度下散射和消光特性的测量。
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