CN1949285A - 基于消偏率的光电感烟火灾探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明基于消偏率的光电感烟火灾探测方法及装置，特征是光源出射的光束先经过起偏器入射至烟颗粒，以经过该入射光束的平面为散射基准平面，在垂直于该散射基准平面的接收平面上，紧挨着并对称于该散射基准平面的上下两侧分别安装两个完全相同、具有相同的散射角度的第一光电接收器和第二光电接收器，且均对准圆柱形探测腔室圆形底面内的圆心即颗粒散射中心；在第一光电接收器或第二光电接收器的前端安装一个验偏器；所述起偏器和验偏器的光轴取向都垂直于散射基准平面。通过利用颗粒光散射过程中偏振特征的变化，识别灰烟颗粒、黑烟颗粒以及粉尘、水蒸汽干扰源颗粒，可降低感烟探测的误报率，提高其响应灵敏度。

Description

基于消偏率的光电感烟火灾探测方法及装置

技术领域：

本发明属于火灾探测技术领域，特别涉及基于消偏率的光电感烟火灾探测方法及装置。

背景技术：

英国出版的《火灾安全期刊》(Fire Safety Journa1，1997，第29卷，第77-85页)指出，烟颗粒是火灾早期的重要特征参量之一，基于烟颗粒光散射原理进行火灾早期探测是一种最重要的火灾探测方法。而根据麦克斯韦电磁散射理论可知，颗粒光散射过程中包含了3项重要信息，即光强、偏振与相位，其中相位信息的获取较困难，而光强与偏振信息的获取较简单。现有的光电感烟火灾探测器，如美国专利US2002084907、日本专利JP2004227452及欧洲专利DE69608363D所提到的感烟火灾探测技术，都仅采用烟颗粒的散射光强作为探测火灾的判据，没能利用更深刻反映颗粒光散射本质特征的偏振信息，不能可靠而有效地识别灰烟、黑烟以及粉尘、水蒸气干扰源颗粒，因而无法根本消除由于干扰源颗粒引起的误报，同时其对各种不同类型的烟颗粒的响应灵敏度的一致性较差，限制了灵敏度的进一步提高。

发明内容：

本发明的目的是提出一种基于消偏率的光电感烟火灾探测方法及装置，利用颗粒光散射过程中偏振特征的变化，识别灰烟颗粒、黑烟颗粒以及粉尘、水蒸汽干扰源颗粒，降低感烟探测的误报率，提高其响应灵敏度。

本发明的基于消偏率的光电感烟火灾探测装置，包括，在光源1出射的光束入射至圆柱形探测腔室7内的烟颗粒3后发生光散射的某一散射角度θ上，设有接收散射光强的第一光电接收器5；其特征在于：设所述光源1沿水平方向出射光束，在入射至烟颗粒3之前先经过起偏器2，以经过该入射光束且水平的平面为散射基准平面8，在垂直于该散射基准平面8的接收平面9上，紧挨着并对称于该散射基准平面8的上下两侧分别安装两个完全相同、具有相同的散射角度θ的第一光电接收器5和第二光电接收器6，且均对准圆柱形探测腔室7圆形底面内的圆心即颗粒散射中心；在第一光电接收器5或第二光电接收器6的前端安装一个验偏器4；所述起偏器2和验偏器4的光轴取向都垂直于散射基准平面8。

所述水平的散射基准平面8也可为经过入射光束的任一平面。

本发明的基于消偏率的光电感烟火灾探测方法，包括测量入射至烟颗粒后在散射角度θ上的光束的散射光强；其特征在于：所述光束经过起偏后成为偏振方向垂直于散射基准平面的线偏振光，再入射至烟颗粒发生光散射，通过测量散射角度为θ的散射光强I^sca(θ)，以及相同散射角度θ上偏振方向垂直于散射基准平面的散射光的光强I_ ^sca(θ)，两个散射光强I_ ^sca(θ)与I^sca(θ)的比值即为表征颗粒本质特征的消偏率δP(θ)；先根据实验测得某一散射角度θ上模拟大气尘、黄土尘与水蒸汽颗粒的消偏率中的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烟颗粒的消偏率中δP(θ)的最小值δP₄(θ)，而棉绳阴燃、木材热解生成的灰烟颗粒对应的消偏率在δP(θ)大于δP₂(θ)而小于δP₃(θ)，排列出δP₄(θ)＞δP₃(θ)＞δP₂(θ)＞δP₁(θ)；再通过实验测量确定粉尘与水蒸汽颗粒、灰烟颗粒和黑烟颗粒光散射过程中各自对应的消偏率δP(θ)值的范围，该3种类型颗粒对应的δP(θ)值在互不重合的区间，从而根据消偏率δP(θ)逆推颗粒的种类；若测得的消偏率值δP(θ)小于δP₁(θ)，则判断其为粉尘或水蒸汽干扰源颗粒，对于消偏率在δP₂(θ)～δP₃(θ)之间的灰烟颗粒与消偏率大于P₄(θ)的黑烟颗粒，根据散射光强值I^sca(θ)，依据国家标准GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》中4.22.2.1节中规定的一级、二级和三级灵敏度分别对应烟浓度为0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，设定阈值判定是否发生火灾，从而实现对于不同种类烟颗粒一致的响应灵敏度；取所述散射角度θ在30°～100°。

火灾烟颗粒光散射过程中，某一散射角度上的散射光强反映了烟颗粒的浓度，现有光电感烟火灾探测技术正是利用散射光强的大小对烟颗粒进行探测，从而判断火灾是否发生。然而，由于粉尘、水蒸气干扰源颗粒也具有类似于烟颗粒的这种散射特征，仅通过散射光强的大小无法识别发生散射的是火灾烟颗粒还是干扰源颗粒，容易产生误报。此外，对于各种真实火灾烟颗粒，其物性参数也各不相同，如阴燃火生成的灰烟与有焰火燃烧生成的黑烟，对应的光散射特征也存在较大差异，因此，现有光电感烟火灾探测器对于这些烟颗粒的响应灵敏度不一致。根据麦克斯韦电磁散射理论，颗粒光散射过程中包括3项信息：光强、偏振和相位，其中散射光强只是散射过程中各种因素的一种综合特征，无法具体反映散射颗粒的成分、形貌及大小特征，而偏振特征则体现了颗粒的这些本质特征的影响，且相对于相位信息较容易获取，只需加上偏振片即可。其中，散射光的消偏率这个参数可以有效区分火灾烟颗粒与干扰源颗粒，以及不同种类的烟颗粒。

本发明根据颗粒散射光的消偏率的大小达到识别火灾烟颗粒与干扰源颗粒的目的，从而排除粉尘、水蒸气干扰源颗粒对光电感烟火灾探测器的干扰，降低探测器的误报率，同时也可进一步降低探测器的报警阈值而提高其响应灵敏度。此外，对于不同种类的烟颗粒，根据其对应的θ角度上的消偏率，调整报警阈值，从而实现对于灰烟颗粒和黑烟颗粒都具有相同的响应灵敏度，即达到探测器响应灵敏度的一致性。

附图说明：

图1为基于消偏率的光电感烟火灾探测方法的俯视示意图；

图2为基于消偏率的光电感烟火灾探测方法的侧视示意图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1：

图1给出了本发明的基于消偏率的光电感烟火灾探测装置的俯视示意图，图2为其侧视示意图。本实施例探测装置中的各光学、电子元器件都安装于一个扁圆柱形的探测腔室7中，该探测腔室既能遮挡外界环境光，又使烟雾颗粒能够顺利进入，使腔室内部形成光学暗室，例如可采用一组“V”形薄片如“多米诺骨牌”排列而成的结构作为探测腔室的侧壁。如图1所示，在底面水平放置的探测腔室7内部，紧靠探测腔室7的左内侧安装一个光源1，光源1沿水平方向出射的光束对准圆柱形探测腔室7圆形底面内的圆心，该出射光束经过具有竖直方向光轴的起偏器2后入射至进入探测腔室7内的颗粒3发生光散射，以经过该入射光束且水平的平面为散射基准平面8，紧挨着并对称于该散射基准平面8的上下两侧分别安装两个完全相同、具有相同的散射角度θ的第一光电接收器5和第二光电接收器6，这2个光电接收器均紧靠着探测腔室7的内侧且对准圆柱形探测腔室7的圆形底面的圆心，即颗粒散射中心；如图2所示，在第一光电接收器5的前端安装一个光轴为竖直方向的验偏器4；所述水平的散射基准平面8也可为经过入射光束的任一平面；取所述散射角度θ在30°～100°。

本发明中光电接收器5所测量的散射光信号I_ ^sca(θ)与光电接收器6所测量的散射光信号I^sca(θ)的比值即为该角度上散射光的消偏率δP(θ)，该值作为区分粉尘与水蒸汽颗粒、灰烟及黑烟颗粒的判据。

光电接收器6所接收的散射光强的大小反映了进入探测腔室的颗粒浓度。因此，通过光电接收器6所接收的散射光强辅以消偏率识别不同种类的颗粒，从而给出正常、干扰源或火警的响应输出。

颗粒光散射信号随着散射角度θ的增大，其强度迅速减小，本发明中采用的散射角度θ在30～100°范围内，确保两个光电接收器所测量的信号足够大，使探测过程可靠。本实施例中，选择的散射角度θ为75°±5°。

通过实验测量，可得模拟大气尘、黄土尘与水蒸汽颗粒的消偏率δP(θ)最小，其最大值不超过δP₁(θ)，当θ为75°±5°时，δP₁(θ)值约为0.15；正庚烷明火、聚氨酯明火和柴油明火生成的黑烟颗粒对应的消偏率δP(θ)最大，最小值不小于δP₄(θ)，当θ为75°±5°时，δP₄(θ)值约为0.6；而棉绳阴燃、木材热解生成的灰烟颗粒对应的δP(θ)居中，大于δP₂(θ)且小于δP₃(θ)，当θ为75°±5°时，δP₂(θ)值约为0.25，δP₂(θ)值约为0.4。

采用本发明的基于消偏率的光电感烟火灾探测装置工作时，按如下步骤操作测试：

当有颗粒进入探测腔室发生光散射作用时，首先由第一光电接收器5与第二光电接收器6分别测出θ角度上散射光在垂直于散射平面上的分量的光强I_ ^sca(θ)与θ角度上散射光总光强I^sca(θ)，得到θ角度上的I_ ^sca(θ)/I^sca(θ)的比值即消偏率δP(θ)。通过该消偏率值，与δP₁(θ)、δP₂(θ)、δP₃(θ)及δP₄(θ)进行比较，从而判断进入探测腔室颗粒的类型，然后根据光电接收器6所测散射光信号强度I^sca(θ)的大小，做出相应判断，具体如下所述：

(1)当θ角度上的消偏率δP(θ)值小于消偏率δP₁(θ)时，则判断出进入探测腔室的是粉尘或水蒸气干扰源颗粒，并根据光电接收器6所接收散射光信号强度的大小，得到进入探测腔室的颗粒浓度，最终决定是否给出“干扰源颗粒浓度较大”的故障信号。

(2)当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)时，则判断出进入探测腔室的是由阴燃火生成的灰烟颗粒，这种灰烟颗粒在前向角度的散射光强较大，因此，根据光电接收器6所接收散射光信号强度I^sca(θ)的大小，得到进入探测腔室的烟颗粒浓度，根据国家标准GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》中的4.22.2.1节中规定的一级、二级和三级灵敏度分别对应烟浓度为0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，设定报警阈值，决定是否给出“火警”的信号以及启动消防灭火设备。

(3)当θ角度上的消偏率δP(θ)值大于消偏率δP₄(θ)时，则判断出进入探测腔室的是由有焰火生成的黑烟颗粒，这种灰烟颗粒在前向角度的散射光强相对较弱，因此，根据光电接收器6所接收散射光信号强度I^sca(θ)的大小，根据国家标准GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》中的4.22.2.1节中规定的一级、二级和三级灵敏度分别对应烟浓度为0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，设定报警阈值，判断出是否给出“火警”的信号以及启动消防灭火设备。

由以上分析可见，基于消偏率的光电感烟火灾探测技术，利用反映散射颗粒本质特征的消偏率这一重要参量，判断进入探测腔室的颗粒种类，排除干扰源颗粒，避免误报的发生。此外，通过对于不同种类烟颗粒的识别，调整相应的报警阈值，使这种光电感烟火灾探测器对于不同种类烟颗粒的响应灵敏度一致。该技术所利用的是信号较强的30°~100°范围内的散射光，避免了采用在130°以后的微弱的后向散射光信号，从而实现更加可靠而准确地火灾报警。

Claims (3)

1、一种基于消偏率的光电感烟火灾探测装置，包括，在光源(1)出射的光束入射至圆柱形探测腔室(7)内的烟颗粒(3)后发生光散射的某一散射角度(θ)上，设有接收散射光强的第一光电接收器(5)；其特征在于：设所述光源(1)沿水平方向出射光束，在入射至烟颗粒(3)之前先经过起偏器(2)，以经过该入射光束且水平的平面为散射基准平面(8)，在垂直于该散射基准平面(8)的接收平面(9)上，紧挨着并对称于该散射基准平面(8)的上下两侧分别安装两个完全相同、具有相同的散射角度(θ)的第一光电接收器(5)和第二光电接收器(6)，且均对准圆柱形探测腔室(7)圆形底面内的圆心即颗粒散射中心；在第一光电接收器(5)或第二光电接收器(6)的前端安装一个验偏器(4)；所述起偏器(2)和验偏器(4)的光轴取向都垂直于散射基准平面(8)。

2、如权利要求1所述基于消偏率的光电感烟火灾探测装置，特征在于所述散射基准平面(8)为经过入射光束的任一平面。

3、一种基于消偏率的光电感烟火灾探测方法，包括测量入射至烟颗粒后在散射角度θ上的光束的散射光强；其特征在于：所述光束经过起偏后成为偏振方向垂直于散射基准平面的线偏振光，再入射至烟颗粒发生光散射，通过测量散射角度为θ的散射光强I^sca(θ)，以及相同散射角度θ上偏振方向垂直于散射基准平面的散射光的光强I_ ^sca(θ)，两个散射光强I_ ^sca(θ)与I^sca(θ)的比值即为表征颗粒本质特征的消偏率δP(θ)；先根据实验测得某一散射角度θ上模拟大气尘、黄土尘与水蒸汽颗粒的消偏率中的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烟颗粒的消偏率中δP(θ)的最小值δP₄(θ)，而棉绳阴燃、木材热解生成的灰烟颗粒对应的消偏率在δP(θ)大于δP₂(θ)而小于δP₃(θ)，排列出δP₄(θ)＞δP₃(θ)＞δP₂(θ)＞δP₁(θ)；再通过实验测量确定粉尘与水蒸汽颗粒、灰烟颗粒和黑烟颗粒光散射过程中各自对应的消偏率δP(θ)值的范围，该3种类型颗粒对应的δP(θ)值在互不重合的区间，从而根据消偏率δP(θ)逆推颗粒的种类；若测得的消偏率值δP(θ)小于δP₁(θ)，则判断其为粉尘或水蒸汽干扰源颗粒，对于消偏率在δP₂(θ)～δP₃(θ)之间的灰烟颗粒与消偏率大于P₄(θ)的黑烟颗粒，根据散射光强值I^sca(θ)，依据国家标准GB4715-93《点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法》中4.22.2.1节中规定的一级、二级和三级灵敏度分别对应烟浓度为0.5dB/m、1.0dB/m和2.0dB/m，设定阈值判定是否发生火灾，从而实现对于不同种类烟颗粒一致的响应灵敏度；取所述散射角度θ在30°～100°。