CN2831098Y

CN2831098Y - 一种粒子计式烟雾探测装置

Info

Publication number: CN2831098Y
Application number: CN 200520092733
Authority: CN
Inventors: 王文青; 余广智; 梅志斌; 王勇俞; 刘玉宝
Original assignee: Shenyang Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: Shenyang Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2015-09-29

Abstract

一种粒子计式烟雾探测装置，包括激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波管、探测室、激光器支架、烟雾探测透镜组件、烟雾探测器托架组件、烟雾散射探测器、烟雾探测器故障检测发光管、导光孔、反射板。本实用新型实现了烟雾粒子计数探测的极暗背景设计、单个粒子散射脉冲计数探测的极小散射作用区和极小探测视场的设计，保证了极高灵敏度的单个烟雾粒子脉冲散射信号提起的结构需求；侧向散射的烟雾探测设计使得对各种烟雾探测器具有较为均衡的响应性能；并且由于光束与探测室内腔不发生任何反射作用，且烟雾探测器的视场被设计限制在极小的粒子散射区，避免探测室长期运行时的污染对烟雾粒子计数探测的影响。

Description

一种粒子计式烟雾探测装置

技术领域

本实用新型属于火灾探测报警技术领域，还可以应用在洁净技术领域，特别涉及一种粒子计式烟雾探测装置。

背景技术

随着我国经济建设的发展，一些在国民经济和社会生活中起着至关重要作用的特殊场所，如计算中心、图文档案信息中心、邮电通讯枢纽、集成电路生产车间、核电站、大型现代化调度控制中心、智能大厦控制中心、现代医疗机构等，消防安全需求日益迫切。由于其内部各种电气设备高度集中且长期工作运行，从而存在较多的火险隐患，一旦发生火灾，将会给国家造成极大的经济损失，给社会带来重大影响。鉴于这些场所的重要性和特殊性，这些场所的超早期火灾探测报警问题，已成为消防安全的重点之一，引起人们的极大关注。

目前，这些场所广泛应用的普通类型的感烟探测器，由于受探测灵敏度不高等因素的制约，对于火灾的极早期探测能力不足，基本上属于火灾的确认探测，很难起到火灾的预报和火灾预防作用，不能满足对火灾超早期探测报警的要求。为了提高火灾探测器的火灾预报预警能力，国际上发展了吸气型高灵敏度感烟探测技术。目前澳大利亚VISION公司、英国AIRSENSE公司等国外公司均采用烟雾群散射的高灵敏度感烟探测技术，通过探测多个烟雾粒子的光散射信号进行烟雾探测与报警，其可以在火灾早期阶段识别出潜在的火情，实现火灾告警，这有助于及时采取措施，防火灾于未然，从而把经济损失减少到最低限度。

实用新型内容

针对特殊场所现有火灾预报、预防技术的不足，为了提高感烟火灾探测的灵敏度，本实用新型提供一种粒子计式烟雾探测装置。与其他吸气型高灵敏度感烟探测装置类似，本实用新型装置也采用烟雾光散射探测原理进行烟雾探测。与其他装置不同的是本实用新型装置采用了烟雾粒子计数技术，能够捕获每个烟雾粒子的光散射信号，通过对每个光散射脉冲的处理和计数，来探测气样中烟雾的浓度大小，实现超高灵敏度烟雾探测。为此本实用新型装置设计采用了中功率的半导体激光器，设计了专门的光束空间约束组件、独特的检测室结构和消光装置，使得检测室形成了极暗的背景；设计了独特的高性能光电信号转换电路和信号处理电路，实现了粒子计数烟雾探测；本装置还设计了烟雾光电探测器故障检测LED及其控制电路，以监视烟雾光电探测器的工作状况。本装置探测灵敏度极高，能够有效探测到空气中微量的悬浮粒子，并输出足够强的脉冲计数信号，所以本装置还可用于空气洁净度的检测。

本实用新型装置包括激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波管、探测室、激光器支架、烟雾探测透镜组件、烟雾探测器托架组件、烟雾散射探测器、烟雾探测器故障检测发光管、导光孔、反射板，其中烟雾探测透镜组件包括物镜、物镜螺纹压环、外螺纹透镜管和管外的锁紧环，烟雾探测器托架组件包括上托架、下托架、目镜、目镜螺纹压环。

其中，激光器支架与探测室固定为一体；激光器和激光束空间校正透镜通过螺纹连接成一体，激光器通过上下左右4个螺钉固定在激光器支架上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调激光器的位置；探测室靠近激光束空间校正透镜的一侧嵌入一个光束空间滤波管，另一侧与光束空间滤波管对称的位置设有导光孔，其中激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波管和导光孔的中心同时位于光束轴上；在导光孔的前面设有反射板，反射板与探测室光轴线的夹角为135°；在探测室的上壁设有螺纹安装孔，孔内安装可进出双向调节的烟雾探测透镜组件，该组件由物镜、物镜螺纹压环、外螺纹透镜管和管外的锁紧环组成，物镜安装在外螺纹透镜管内部前端，通过物镜螺纹压环压紧，烟雾探测透镜组件组装后通过螺纹安装在探测室壁上的安装孔，通过锁紧环将烟雾探测透镜组件和探测室锁紧；烟雾探测器托架组件的下托架与烟雾探测透镜组件同轴，并通过螺钉安装在探测室上，上托架由目镜通过目镜压环压装在上托架的镜筒顶端；烟雾散射探测器安装在上托架内，上托架与下托架通过螺钉连接，并与烟雾探测透镜组件同轴滑合；烟雾散射探测器用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；在探测室壁上烟雾探测透镜组件安装孔的下方设有烟雾探测器故障检测发光管的安装孔，烟雾探测器故障检测发光管嵌入该孔中，并用螺纹压环压紧。

本结构的优越性在于实现了烟雾粒子计数探测的极暗背景设计、单个粒子散射脉冲计数探测的极小散射作用区和极小探测视场的设计，保证了极高灵敏度的单个烟雾粒子脉冲散射信号提起的结构需求；侧向散射的烟雾探测设计使得对各种烟雾探测器具有较为均衡的响应性能；并且由于光束与探测室内腔不发生任何反射作用，且烟雾探测器的视场被设计限制在极小的粒子散射区，避免探测室长期运行时的污染对烟雾粒子计数探测的影响。

电路信号转换及连接关系：

本装置的电路包括烟雾探测器偏压自动温度补偿伺服电路模块，该电路模块包括电压基准电路、高压反馈调整电路、高压功率输出电路、高压滤波稳压电路、高压与电源输入端子，本实用新型中所采用的烟雾探测器为内部带测温二极管的雪崩光电探测器APD；高压电源通过高压与电源输入端子为所有电路供电，其中高原功率输出电路和高压反馈调整电路的电源通过高压滤波稳压电路滤除高压的尖峰干扰后提供；电压基准电路和烟雾探测器内部的测温二极管输出的信号共同输入到高压反馈调整电路，设置调整率和高压工作点，并通过高压功率输出电路，施加到烟雾探测器上，最后烟雾探测器输出脉冲信号。

本电路的优越性在于采用成本极低、功耗极小的偏压调整的方式解决了雪崩光电探测器灵敏度温度漂移的应用技术关键，避免了通常采用制冷组件带来的价格高、功耗大、体积大等弊端；偏压能够随着APD探测器环境温度的变化进行上升和下降双向自动调整；电路设置调节简单方便，能够根据每一个APD探测器的具体工作参数进行设置调整，适应了APD探测器控制参数离散大的实际需求。

附图说明

图1为本实用新型装置俯视示意图；

图2为图1的A-A向剖面图；

图3为烟雾探测透镜组件和烟雾探测器托架组件下托架剖面图；

图4为烟雾探测器托架组件上托架剖面图

图5烟雾探测器偏压自动温度补偿伺服电路原理框图；

图6为烟雾探测器偏压自动温度补偿伺服电路原理图；

其中，1激光器，2激光束空间校正透镜，3光束空间滤波管，4探测室，5激光器支架，6烟雾探测透镜组件，6A物镜、6B物镜螺纹压环、6C外螺纹透镜管、6D锁紧环，7烟雾探测器托架组件，7A上托架、7B下托架、7C目镜、7D目镜螺纹压环，A烟雾散射探测器，B烟雾探测器故障检测发光管，C导光孔，D反射板。

具体实施方式

如图1-4所示，本实用新型装置包括激光器1、激光束空间校正透镜2、光束空间滤波管3、探测室4、激光器支架5、烟雾探测透镜组件6、烟雾探测器托架组件7、烟雾散射探测器A、烟雾探测器故障检测发光管B、导光孔C、反射板D，其中烟雾探测透镜组件6包括物镜6A、物镜螺纹压环6B、外螺纹透镜管6C和管外的锁紧环6D，烟雾探测器托架组件7包括上托架7A、下托架7B、目镜7C、目镜螺纹压环7D。

其中，激光器支架5与探测室4固定为一体；激光器1和激光束空间校正透镜2通过螺纹连接成一体，激光器1通过上下左右4个螺钉固定在激光器支架5上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调激光器1的位置；探测室4靠近激光束空间校正透镜2的一侧嵌入一个光束空间滤波管3，另一侧与光束空间滤波管3对称的位置设有导光孔C，其中激光器1、激光束空间校正透镜2、光束空间滤波管3和导光孔C的中心同时位于光束轴上；在导光孔C的前面设有反射板D，反射板D与探测室光轴线的夹角为135°；在探测室4的上壁设有螺纹安装孔，孔内安装可进出双向调节的烟雾探测透镜组件6，该组件由物镜6A、物镜螺纹压环6B、外螺纹透镜管6C和管外的锁紧环6D组成，物镜6A安装在外螺纹透镜管6C内部前端，通过物镜螺纹压环6B压紧，烟雾探测透镜组件6组装后通过螺纹安装在探测室4壁上的安装孔，通过锁紧环6D将烟雾探测透镜组件6和探测室4锁紧；烟雾探测器托架组件7的下托架7B与烟雾探测透镜组件6同轴，并通过螺钉安装在探测室4上，上托架7A由目镜7C通过目镜压环7压装在上托架7A的镜筒顶端；烟雾散射探测器A安装在上托架7A内，上托架7A与下托架7B通过螺钉连接，并与烟雾探测透镜组件6同轴滑合；烟雾散射探测器A用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；在探测室4壁上烟雾探测透镜组件6安装孔的下方设有烟雾探测器故障检测发光管C的安装孔，烟雾探测器故障检测发光管C嵌入该孔中，并用螺纹压环压紧。

结合图5、图6，本装置电路的具体描述如下：

本装置的烟雾散射探测器采用高灵敏、高增益的雪崩光电探测器APD，其探测灵敏度是普通的PIN光电探测器的100倍，但是需反加高偏压才能激发雪崩效应而获得高灵敏度，并且其恒响应度偏压的温度系数是+2V℃。为了保证雪崩光电探测器具有恒定的探测灵敏度，一般的方法是采用探测器恒温控制和恒压偏置方式；探测器恒温控制需要恒温器、热绝缘设计的恒温室和恒温控制伺服电路，体积大，功耗大，结构复杂，而温控集成的雪崩光电探测器仅有日本和美国的若干家公司可提供，价格昂贵，且属于出口控制技术产品，可获得性差，不适合本探测装置的使用；为此本装置利用雪崩光电探测器恒响应度偏压的温度特性，自行设计了宽幅偏压自动温度补偿调整伺服电路，该电路模块包括一内部带测温二极管的APD烟雾探测器、电压基准电路、高压反馈调整电路、高压功率输出电路、高压滤波稳压电路、高压与电源输入端子；高压电源通过高压与电源输入端子为所有电路供电，其中高原功率输出电路和高压反馈调整电路的电源通过高压滤波稳压电路滤除高压的尖峰干扰后提供；电压基准电路和APD内部的测温二极管输出的信号共同输入到高压反馈调整电路，设置调整率和高压工作点，并通过高压功率输出电路，施加到APD上，最后烟雾探测器输出脉冲信号。本电路能够在-10℃——+55℃的范围内，实现平均偏压调整率为+2V/℃，调整率偏差小于±5％，偏压温度调谐范围为+140V——+425V，以低成本和简洁的方式解决了雪崩光电探测器灵敏度漂移的应用难题，满足了本装置的设计要求。烟雾探测器焊接在烟雾探测器偏压伺服电路模块的电路板上，本电路模块与外部连接有±8V、地线和高压输入+450V、地线，输出有探测信号线和信号地线。

本电路采用正负±8V电源设计，高压输入+450V，以保证烟雾探测器最佳偏压工作点在低于室温和高于室温(-10℃——+55℃)范围内双向调节的需求。高压输入通过由电容C1(103/2KV)、电容C2(103/2KV)和线圈I1(铁氧体磁环)构成的高压滤波电路提供给其他电路部分。其中电容C1、C2并接在高压+450V和电路地之间，双线并绕的线圈I1的两通道分别串接在+450V通道和电路地通道上。

由电阻R7(10K)、R10(10K)、R11(5.6K)、电容C10(104)、电解电容E4(10u/16V)和集成稳压电路Z1(LM385-2.5/LM285-2.5或其他可以代换的器件)与运放U3(LM358/LM258等其他可以代换的器件)的一个单元U3B共同构成可调电压基准电路，与一般电路不同的是相对于电路地，本电压基准为可调负电压基准，输出调谐范围为0V——-2.5V；烟雾探测器APD采用SPD-052(C30919E/C30724P或其他可以代换的型号)型，内置一个测温硅二极管，利用二极管PN节正向压降的温度系数为-2mV/℃的特性，来感知探测器的温度，该内置二极管与电容C6(103)和电解电容E3*(10u/16V)并联后，串联电阻R6(36K)、并跨接在电路地和-8V电源之间，共同构成测温电路，与一般电路不同的是相对于电路地，本测温电压为负电压信号，输出调谐范围为-0.4V——-0.7V；测温信号和电压基准信号均为负信号的设计是保证测温信号的变化极性和延误探测器最佳偏压随温度的变化极性保持一致的关键。

测温信号连接在运放U3的另一个单元U3A的同相输入端，电压基准信号通过串联可调电阻VR2(10K)、电阻R5(12K)连接在U3A的反向输入端，该反向输入端通过串接电阻R1(20M)、高压稳压管WY1(MR2/125V)和高压NPN型三极管N1(C2752)、电阻R4(39K)和U3A的输出端1相连构成负反馈回路，并在测试点VH处通过串接可调电阻VR1(1M)和电阻R3(430K)连接高压输入，其中高压NPN型三极管N1的基极接电源地，电阻R1可并接一滤波电容C3(102/630V，可酌情选取或不选)，该电路设计不同于常规的反馈放大电路设计，可以使测试点VH处的电压远远高于运放允许的极限电压，并保证该点电压能够随温度的升高而上升，随温度的下降而下降，达到自动调压的目点。调压倍率由VR2设定，基准倍率为1000，由可调电阻VR3设定室温时基准电压工作点，该工作电压由APD1的参数决定，由电阻VR1来调节运放U3A输出的工作点，保证高压调谐的动态范围可达+140V——+425V。

由三极管N2(C3632)、N3(C3632)和二极管D1(R2000)构成受保护的扩流达林顿结构，并且三极管N2的基极与高压反馈调整电路在测试点VH处连接，三极管N2、N3的基极均分别通过高压滤波电容C4(103/630V)、C5(103/630V)与电路地连接，三极管N3的发射极输出通过由电阻R11(100K)、电容C11(103/630V)和电容C21(103/630V)构成的П型滤波器施加到烟雾探测器APD1的4脚上，以上器件构成高压功率输出电路。烟雾粒子探测脉冲信号由APD1的1脚输出到外部的放大电路。

本电路中U3和APD1的工作电源端均设置有RC滤波环节，其参数可酌情选取，其原理不再赘述。

Claims

1、一种粒子计式烟雾探测装置，包括激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波管、探测室、激光器支架、烟雾探测透镜组件、烟雾探测器托架组件、烟雾散射探测器、烟雾探测器故障检测发光管、导光孔、反射板，其中，烟雾探测透镜组件包括物镜、物镜螺纹压环、外螺纹透镜管和管外的锁紧环，烟雾探测器托架组件包括上托架、下托架、目镜、目镜螺纹压环，其特征在于激光器支架与探测室固定为一体；激光器和激光束空间校正透镜通过螺纹连接成一体，激光器通过上下左右4个螺钉固定在激光器支架上，并可以通过4个螺钉旋入的松紧来微调激光器的位置；探测室靠近激光束空间校正透镜的一侧嵌入一个光束空间滤波管，另一侧与光束空间滤波管对称的位置设有导光孔，其中激光器、激光束空间校正透镜、光束空间滤波管和导光孔的中心同时位于光束轴上；在导光孔的前面设有反射板，反射板与探测室光轴线的夹角为135°；在探测室的上壁设有螺纹安装孔，孔内安装可进出双向调节的烟雾探测透镜组件，该组件由物镜、物镜螺纹压环、外螺纹透镜管和管外的锁紧环组成，物镜安装在外螺纹透镜管内部前端，通过物镜螺纹压环压紧，烟雾探测透镜组件组装后通过螺纹安装在探测室壁上的安装孔，通过锁紧环将烟雾探测透镜组件和探测室锁紧；烟雾探测器托架组件的下托架与烟雾探测透镜组件同轴，并通过螺钉安装在探测室上，上托架由目镜通过目镜压环压装在上托架的镜筒顶端；烟雾散射探测器安装在上托架内，上托架与下托架通过螺钉连接，并与烟雾探测透镜组件同轴滑合；烟雾散射探测器用于接受与光束轴向呈90°的烟雾散射光；在探测室壁上烟雾探测透镜组件安装孔的下方设有烟雾探测器故障检测发光管的安装孔，烟雾探测器故障检测发光管嵌入该孔中，并用螺纹压环压紧；

所述烟雾散射探测器由烟雾探测器偏压自动温度补偿伺服电路实现控制。

2、如权利要求1所述的一种粒子计式烟雾探测装置，其特征在于烟雾探测器偏压自动温度补偿伺服电路包括烟雾探测器、电压基准电路、高压反馈调整电路、高压功率输出电路、高压滤波稳压电路、高压与电源输入端子，高压电源通过高压与电源输入端子为所有电路供电，其中高原功率输出电路和高压反馈调整电路的电源通过高压滤波稳压电路滤除高压的尖峰干扰后提供；电压基准电路和烟雾探测器内部的测温二极管输出的信号共同输入到高压反馈调整电路，设置调整率和高压工作点，并通过高压功率输出电路，施加到烟雾探测器上，最后烟雾探测器输出脉冲信号。

3、如权利要求1所述的一种粒子计式烟雾探测装置，其特征在于所述烟雾探测器为内部带测温二极管的雪崩光电探测器。