CN113670786B - 一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法，该系统包括：控制处理模块、信号发生模块、光源模块、散射模块滤波放大模块和数据采集模块，该方法步骤包括，S1：设定输出两个信号的波形和频率，发出不同波长频率的照射光；S2：对照射光进行烟雾散射后进行光电转化，S3：对电信号进行滤波放大得到最终信号；S4：读取最终信号提取出设定频率的信号值；S5：根据两个波长的光所对应的信号值，得到烟雾中火灾烟雾的信号值；本发明通过设定特定频率的照射光，经过散射后将特定的高频率光提取出来，排除了环境杂光对烟雾探测干扰，提高了准确性。

Description

一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法

技术领域

本发明涉及火灾探测技术领域，特别涉及一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法。

背景技术

目前传统的火灾探测技术一般基于燃烧过程中产生的气体浓度、温度变化以及火焰特征等，但在火灾阴燃阶段，温度和气体浓度特征并不明显，所以针对温度和气体的火灾探测手段无法在早期准确报警，存在误报率高、探测时间过长等缺点。烟雾是火灾阴燃阶段的标志产物，以烟雾检测作为判断依据可以实现火灾尽早预警。烟雾火灾探测器主要有两种：离子感烟式探测器和光电式烟雾探测器。离子感烟式探测器基于电流下降原理，具有放射性危害，在日常火灾检测中已不多见。光电式烟雾探测器基于光与颗粒物的散射原理：当入射光照射到烟雾颗粒后，烟雾颗粒会将入射光向各个方向散射，接收装置收到的光强达到阈值时便会报警。但是，此类光电式火灾探测器需要光学暗室来消除空间中杂散光的影响，且易受环境中灰尘和水蒸汽等非火灾气溶胶的干扰，存在灵敏度和可靠性较低的问题。

因此，如何提供一种抗干扰能力强，灵敏度高可靠性高的火灾烟雾探测系统及方法是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法，能够快速有效的区分出环境中的灰尘和水蒸气等非火灾气溶胶，还能避免环境光对光电探测器准确度产生的影响。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，包括控制处理模块、信号发生模块、光源模块、散射模块、滤波放大模块和数据采集模块；

所述信号发生模块用于根据控制处理模块的控制下调制出两种不同波长和频率的输出信号；

所述光源模块用于发出与输出信号对应波长和频率的照射光至所述散射模块；

所述散射模块用于利用火灾烟雾或非火灾气溶胶对所述照射光进行散射，并将散射光信号转化成电信号；其中会掺杂环境杂光被转化成电信号；

所述滤波放大模块用于将转化成的电信号滤波放大后依次传输至所述数据采集模块和所述控制处理模块；

所述控制处理模块用于采用数字锁相算法对数据采集模块采集的信号进行信号处理，得出照射光参与火灾烟雾散射后的信号值。

进一步的，还包括输出驱动模块，所述输出驱动模块接收信号发生模块的输出信号，并控制所述光源模块发出与该信号对应的发射光。

进一步的，所述光源模块包括至少两个LED灯，所述LED按照不同角度安装在光学烟雾迷宫内，用于发出照射光并以不同角度进入光学烟雾迷宫进行散射。

进一步的，所述散射模块包括：光分复用器、光学烟雾迷宫和光电探测模块；所述光分复用器用于提供不同的波道，所述光学烟雾迷宫用于储存火灾烟雾和非火灾气溶胶，所述光电探测模块用于探测前向散射光信号和后向散射光信号。

进一步的，所述光学烟雾迷宫采用多输入管多输出管结构，用于对多种照射光进行散射，所述光电探测模块包括两个对立设置的光电探测器，用于探测烟雾前向散射光信号和后向散射光信号。

进一步的，所述控制处理模块采用数字锁相算法滤除所述数据采集模块采集的数据中环境杂光对应的信号值，并提取出照射光参与散射后的信号值，再从所述照射光参与散射的信号值中，提取出照射光以火灾烟雾为介质参与散射后的信号值，并判断是否发生火灾。

一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，步骤包括，

S1：设定调制出两个不同波形和频率的信号，根据该信号发出不同波长频率的照射光；

S2：对照射光经烟雾散射后进行光电转化；其中，环境杂光也会参与光电转化；

S3：对光电转化后电信号进行滤波放大得到最终信号；

S4：读取最终信号并采用数字锁相算法从所述最终信号中滤除环境杂光对应的信号值，并提取出预设频率的信号值，得到经调制的照射光参与散射后的信号值；

S5：根据两个不同波长的照射光参与散射后的信号值，区分出照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值和以非火灾气溶胶为介质参与散射的信号值，并根据照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值大小判断是否发生火灾。

进一步的，发出的照射光分别为波长940nm频率1.5kHz的红外光和波长465nm频率1kHz的蓝光。

进一步的，采用多种正弦调制频率的调制信号调制出不同波长的照射光。

进一步的，将两个波长的照射光参与散射的信号值的比值作为特征参数，根据不同材料燃烧时计算出的特征参数的范围值区分不同烟雾粒子。

本发明的有益效果：

本发明实施例提供一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统及方法，其取得的有益效果如下：

（1）本发明将双波长锁相放大光电微信号检测技术引入火灾烟雾探测领域，将光电式烟雾探测和双波长锁相放大技术结合，系统简单，稳定性好，易于实现；

（2）本发明通过对双波长光源调制和特征高频率光信号提取，有效减低背景中杂光对特定调制频率光电测量信号的干扰，并区分非火灾气溶胶和火灾烟雾，提高火灾烟雾探测器准确性；

（3）本发明采用特定的多发射管多接收管光学烟雾迷宫对多个波长、多种调制频率的发光源进行散射，且利用锁相放大算法能够快速有效将其区分，利用不同烟雾粒子对不同波长的光前后向散射效应不同的特点，在很大程度上区分出不同烟雾粒子。

（4）本发明将各个模块集成于同一块电路板，提高烟雾探测系统的普适性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统结构组成示意图；

图2为本发明提供的一种双光路双向感烟探测器示意图；

图3为本发明对棉绳燃烧烟雾的探测实例结果示意图；

图4为本发明对水汽燃烧烟雾的探测实例结果示意图；

其中。1-控制处理模块，2-信号发生模块，3-输出驱动模块，4-光源模块，5-光分复用器，6-光学烟雾迷宫，7-光电探测模块，71-光电探测器一，72-光电探测器二，8-滤波放大模块，9-数据采集模块。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，包括控制处理模块1、信号发生模块2、光源模块4、散射模块、滤波放大模块8和数据采集模块9；信号发生模块2用于根据控制处理模块1的控制下设定调制出两种不同波长和频率的输出信号；

光源模块4用于发出与输出信号对应波长和频率的照射光至散射模块；

散射模块用于利用火灾烟雾或非火灾气溶胶对照射光进行散射，并将散射光信号转化成电信号；由于环境中的杂光也会被光电探测器探测到，所以环境杂光也参与光电转化；

滤波放大模块8用于将转化成的电信号滤波放大后依次传输至数据采集模块9和控制处理模块1；

控制处理模块1用于采用数字锁相算法对数据采集模块9采集的信号进行信号处理，得出照射光经火灾烟雾散射后的信号值。

为了进一步实施上述技术方案，还包括输出驱动模块3，输出驱动模块3接收信号发生模块2的输出信号，并驱动光源模块4发出对应该信号的发射光。

为了进一步实施上述技术方案，散射模块包括：光分复用器5、光学烟雾迷宫6和光电探测模块7；光分复用器5用于提供不同的波道，光学烟雾迷宫6用于储存火灾烟雾和非火灾气溶胶，并对光发生散射，光电探测模块7用于探测前向散射光和后向散射光。在光学烟雾迷宫6内，不只存在火灾烟雾，也会有环境中的非火灾气溶胶（如灰尘和水蒸气）。非火灾气溶胶也会对光源发出的进行散射，散射光照射到光电探测器，就会造成误报警。并且环境中存在的一些杂光也有可能照射到光电探测器，从而引起报警。

为了进一步实施上述技术方案，电源模块至少包括两个LED，用于发射不同波长频率的照射光，LED按照不同角度安装在光学烟雾迷宫6内。

为了进一步实施上述技术方案，光学烟雾迷宫6内设置有多个输入管和多个输出管，用于接收多个波长的照射光并进行散射；光电探测模块7包括两个对立设置的光电探测器，光电探测器固定在光学烟雾迷宫的输出管，用于探测前向散射光信号和后向散射光信号，进行光电转换。

为了进一步实施上述技术方案，控制处理模块1实时读取数据采集模块的数据，通过数字锁相算法进行分析处理，提取出设定频率的光信号数据，用于照射光和环境杂光。

下面结合图1图2对本发明进一步说明：

控制处理模块1设定信号发生模块2中DDS1和DDS2输出信号的波形和频率，从而通过输出驱动模块3控制光源模块4中的LED1和LED2发出相应变换规律的照射光；

照射光通过光学复用器5从不同角度进入光学烟雾迷宫6进行散射，光电探测模块7包括光电探测器一71和光电探测器二72，光电探测器一71用于探测前向散射光，光电探测器二72用于探测后向散射光，滤波放大模块包括滤波放大器一和滤波放大器二，散射光信号被前后向设置的光电探测器一71和光电探测器二72接收到，完成光电转化；其中，可以通过将LED1和LED2按照一定角度固定在光学烟雾迷宫来控制照射光的入射角度θ，θ为照射光入射方向与两个光电探测器的连线夹角，要保证在正常不参与散射的情况下，光电探测器一71和光电探测器二72不会接收到光源模块发出的光信号；

光电探测器一71和光电探测器二72将接收到的光信号转换为电信号分别输入到滤波放大器一和滤波放大器二中，信号经滤波放大模块8进行放大和滤波，然后由数据采集模块9对信号进行采集，控制处理模块1负责实时读取数据采集卡输入的数据，根据存储的数字锁相算法进行分析与处理，提取出设定频率的光信号数据，用于区分火灾烟雾和非火灾气溶胶。

在没有火情发生的情况下，光电探测模块7不会接收到由光源模块4发出的光信号。当有火情发生时，在起火初期阶段，会有大量的烟雾产生，火灾烟雾扩散到光学烟雾迷宫内，会对不同波长光源产生的进行散射，散射后的光信号会被光电探测器接收到。随着光学烟雾迷宫内火灾烟雾聚集的量不断增多，浓度不断升高，被散射的光也会增多，光电探测器接收到的信号也会增强。当信号达到一定阈值，就会产生报警。

在烟雾迷宫内，不只存在火灾烟雾，也会有环境中的非火灾气溶胶（如灰尘和水蒸气）。非火灾气溶胶也会对光源发出的进行散射，散射光照射到光电探测器，就会造成误报警。并且环境中存在的一些杂光也有可能照射到光电探测器，从而引起报警。

本发明通过对不同波长的LED光源进行调制，使其发射出具有特定正弦频率的光信号，并采用多发射管和双向探测的光学烟雾迷宫结构，实现将经过频率调制的光信号的提取，将其与环境杂光区分，并准确识别火灾烟雾和非火灾气溶胶(如灰尘、水蒸汽等)，确保只对火灾烟雾进行响应，能够有效的提高火灾烟雾探测系统的报警灵敏度和可靠性，从而避免了误报的情况发生。

一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，步骤包括，

S1：设定调制出两个不同波形和频率的信号，根据该信号发出不同波长频率的照射光；

S2：对照射光经烟雾散射后进行光电转化；

S3：对光电转化后的电信号进行滤波放大得到最终信号；

S4：读取最终信号并采用数字锁相算法从所述最终信号中提取出预设频率的信号值，滤除环境杂光对应的信号值，得到经调制的照射光参与散射后的信号值；

S5：根据两个不同波长的照射光参与散射后的信号值，区分出照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值和以非火灾气溶胶为介质参与散射的信号值，并根据照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值大小判断是否发生火灾。

为了进一步实施上述技术方案，照射光分别为波长940nm频率1.5kHz的红外光和波长465nm频率1kHz的蓝光。当有火灾发生时，火灾烟雾和非火灾气溶胶对照射光进行散射，而火灾烟雾和非火灾气溶胶对红外光和蓝光散射效应不同，火灾烟雾颗粒较小，非火灾气溶胶颗粒较大，由于蓝光较短，大小颗粒均对蓝光有较强的散射，红外光较长，小颗粒对红光的散射较弱，而大颗粒对红外光有较强的散射，以此来作为区分火灾烟雾和非火灾气溶胶的重要依据。

为了进一步实施上述技术方案，照射光以不同角度参与烟雾散射，对于不同波长频率的照射光，其正弦调制频率不同。

为了进一步实施上述技术方案，步骤S4中，提取出预设频率的信号值采用的是数字锁相算法。根据设定的频率采用锁相放大算法提取高频特征光，区分火灾烟雾光和低频环境杂光；根据不同波长的照射光参与散射后的信号值，区分火灾烟雾和非火灾气溶胶。

为了进一步实施上述技术方案，将两个波长的照射光参与散射后的信号值的比值作为特征参数，以不同材料燃烧时计算出的特征参数的范围值区分不同烟雾粒子。

如图3和图4，对棉绳燃烧烟雾和水汽燃烧烟雾的探测实例结果示意图中，其中，Q1表示光信号幅值，特征参数为蓝光信号幅值与红外光信号幅值的比值；分别设定波长940nm频率1.5kHz的红外光和波长465nm频率1kHz的蓝光参与到烟雾粒子的散射中，红外光与蓝光的入射方向与两个光电探测器的连线夹角为135°，即图2中的θ为135°，可以确定棉绳燃烧产生的烟雾粒子对蓝光和红外光的散射所对应的光信号值，最终的特征参数范围为3-7，而水汽燃烧产生的烟雾粒子对蓝光和红外光的散射所对应的光信号值，最终的特征参数范围为0.75-1.5，因此，本发明可以通过计算特征参数的范围来区分不同的烟雾粒子。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，其特征在于，包括控制处理模块（1）、信号发生模块（2）、光源模块（4）、散射模块、滤波放大模块（8）和数据采集模块（9）；

所述信号发生模块（2）用于在所述控制处理模块（1）的控制下调制出两种不同波长和频率的输出信号；

所述光源模块（4）用于发出与输出信号对应波长和频率的照射光至所述散射模块；

所述散射模块用于利用火灾烟雾或非火灾气溶胶对所述照射光进行散射；用于探测前向散射光信号和后向散射光信号并将散射光信号转化成电信号；

所述滤波放大模块（8）用于将转化成的电信号滤波放大后依次传输至所述数据采集模块（9）和所述控制处理模块（1）；

所述控制处理模块（1）用于采用数字锁相算法对数据采集模块（9）采集的信号进行处理，得出照射光以火灾烟雾为介质参与散射后的信号值并判断是否发生火灾；所述控制处理模块（1）采用数字锁相算法滤除所述数据采集模块（9）采集的数据中环境杂光对应的信号值，并提取出照射光参与散射后的信号值，再从所述照射光参与散射的信号值中，提取出照射光以火灾烟雾为介质参与散射后的信号值，并判断是否发生火灾。

2.根据权利要求1中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，其特征在于，还包括输出驱动模块（3），所述输出驱动模块（3）用于接收所述信号发生模块（2）的输出信号，并驱动所述光源模块（4）发出与该输出信号相应的照射光。

3.根据权利要求1中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，其特征在于，所述散射模块包括：光分复用器（5）、光学烟雾迷宫（6）和光电探测模块（7）；所述光分复用器（5）用于提供不同的波道，所述光学烟雾迷宫（6）用于储存火灾烟雾和非火灾气溶胶，所述光电探测模块（7）用于探测前向散射光和后向散射光。

4.根据权利要求3中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，其特征在于，所述光源模块（4）包括至少两个LED，用于发出不同波长的照射光，所述LED按照不同角度安装在光学烟雾迷宫（6）。

5.根据权利要求4中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测系统，其特征在于，所述光学烟雾迷宫（6）采用多输入管多输出管结构，所述光电探测模块（7）包括两个对立设置的光电探测器，分别用于探测烟雾前向散射光信号和后向散射光信号。

6.一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，步骤包括，

S1：设定调制出两个不同波形和频率的信号，根据该信号发出不同波长频率的照射光；

S2：对照射光经烟雾散射后，探测前向散射光信号和后向散射光信号进行光电转化；

S3：对光电转化后的电信号进行滤波放大得到最终信号；

S4：读取最终信号并采用数字锁相算法从所述最终信号中滤除环境杂光对应的信号值，并提取出预设频率的信号值，得到经调制的照射光所参与散射后的信号值；

S5：根据两个不同波长的照射光参与散射的信号值，区分出照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值和以非火灾气溶胶为介质参与散射的信号值，并根据照射光以火灾烟雾为介质参与散射的信号值大小判断是否发生火灾。

7.根据权利要求6中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，其特征在于，发出的照射光分别为波长940nm频率1.5kHz的红外光和波长465nm频率1kHz的蓝光。

8.根据权利要求6中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，其特征在于，所述S1中，采用多种正弦调制频率的调制信号调制出不同波长频率的照射光。

9.根据权利要求6中所述的一种基于锁相放大的双波长火灾烟雾探测方法，其特征在于，还包括将两个波长的照射光所参与散射的信号值的比值作为特征参数，根据不同材料燃烧时计算出的特征参数的范围值区分不同烟雾粒子。

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