專利名稱：一種煙霧濃度探測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于火災探測報警技術領域，特別涉及一種煙霧濃度探測裝置。
背景技術：
隨著我國經濟建設的發展，一些在國民經濟和社會生活中起著至關重要作用的特殊場所(如計算中心、圖文檔案信息中心、郵電通訊樞紐、集成電路生產車間、核電站、大型現代化調度控制中心、智能大廈控制中心、現代醫療機構等)消防安全需求日益迫切。由于其內部各種電氣設備高度集中且長期工作運行，從而存在較多的火險隱患，一旦發生火災，將會給國家造成極大的經濟損失，給社會帶來重大影響。鑒于這些場所的重要性和特殊性，這些場所的超早期火災探測報警問題，已成為消防安全的重點之一，引起人們的極大關注。
目前，這些場所廣泛應用的普通類型的感煙探測器，由于受探測靈敏度不高等因素的制約，對于火災的極早期探測能力不足，基本上屬于火災的確認探測，很難起到火災的預報和火災預防作用，不能滿足對火災超早期探測報警的要求。為了提高火災探測器的火災預報預警能力，國際上發展了吸氣型高靈敏度感煙探測技術。目前美國霍尼韋爾公司開發了一種點型高靈敏度感煙探測器，其可以在火災早期階段識別出潛在的火情，實現火災告警，這有助于及時采取措施，防火災于未然，從而把經濟損失減少到最低限度。
與點型高靈敏度感煙探測裝置類似，本實用新型裝置也采用煙霧光散射探測原理進行煙霧濃度光電探測。與其不同的是本實用新型裝置采用了半導體激光器，設計了專門的光束空間約束組件、獨特的檢測室結構和消光裝置，使得檢測室形成了極暗的背景；設計了不同于其他前向探測裝置的散射探測角度，使之對于各種煙霧均敏感；通過獨特的高性能光電信號轉換電路，實現了高靈敏度煙霧探測；本實用新型裝置還設計了激光器輸出功率的檢測電路，以監視激光功率的漂移。本裝置探測靈敏度極高，能夠有效探測到導線包皮熱分解揮發的顆粒，并輸出足夠強的探測信號。
實用新型內容針對現有技術的不足，本實用新型提供一種煙霧濃度探測裝置，該裝置為提高感煙火災探測的靈敏度而設計，包括一個空氣過濾器、一個半導體激光器、一個激光束空間校正透鏡、一組光束空間濾波光闌、一個探測室、一個探測室支架、一個煙霧散射探測器、一個激光功率探測器、一個消光機構、一個反射板、外殼。
其中，探測室支架與探測室固定為一體；半導體激光器和激光束空間校正透鏡通過螺紋連接成一體，半導體激光器通過上下左右4個螺釘固定在探測室支架上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調半導體激光器的位置；探測室靠近激光束空間校正透鏡的一側嵌入一組光束空間濾波光闌，該組光束空間濾波光闌共有4個，探測室另一側與光束空間濾波光闌對稱的位置嵌入消光機構，其中半導體激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波光闌和消光機構的中心同時位于光束軸上；在消光機構的前面設有反射板，反射板與探測室的夾角為135°；在反射板的主光束入射點的豎直方向上設有激光功率探測器；在探測室的上壁設有煙霧散射探測器安裝孔，孔內嵌入煙霧散射探測器，用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；上述部件整體裝配形成后裝入外殼中，并用螺釘固定在外殼的底部，在外殼的進氣口端插入空氣過濾器。
本結構的優越性在于實現了煙霧探測的極暗背景設計，保證了高靈敏度煙霧散射探測對背景的要求；側向散射的煙霧探測設計使得對各種煙霧探測器具有較為均衡的響應性能；并可有效抗御探測室長期運行時的污染對高靈敏探測的影響，對于通常條件下的灰塵和水霧干擾具有一定的誤報免疫力。
本實用新型裝置中，煙霧散射探測器的光電信號由煙霧散射探測電路實施光電流-電壓信號轉換和放大；激光功率探測器的光電信號由激光功率探測電路實施光電流-電壓信號轉換和放大；半導體激光器由激光驅動電路實施激光發光/不發光驅動控制和激光恒輸出功率反饋控制。
上述電路的具體連接關系如下煙霧散射探測電路原理為將煙霧散射探測器連接到雙運放U2的兩個單元的反向輸入端6，2；U2的同向輸入端5、3連接由R1、U1構成的電壓基準，U1可以并聯若干濾波電容；在U2的兩個單元的反向輸入6、2和對應的輸出7、1間分別連接一大阻值電流電壓轉換匹配電阻R2和R3，將煙霧散射探測器的光電流信號轉換成電壓信號；R2和R3可以并聯一濾波電容；U2的輸出7、1分別連接到差分放大器U3的反向輸入2和同向輸入3中，實施差分運算放大；其反大增益由連接在U3的1、8間的電阻R4和連接在U3的5和電路地的電阻R6來設置，R6并接一電容。U3的輸出6通過一RC濾波后向外輸出煙霧散射探測信號。本電路的運放的電源輸入端均設置了RC濾波。
本電路的優越性在于使用極簡單、新穎的設計實現了高信噪比的光電信號轉換和信號反放大，該電路具有共模干擾的超強抑制能力和單電源工作，軌至軌輸出的特性，在全暗背景照度的情況下電路的失調輸出小于10mV，電路的光電流探測能力為2.5pA。
激光功率探測電路為經典電路，如圖9所示，顧不詳細介紹。
激光驅動電路原理為激光器的LD單元和PD單元共陰級內部連接封裝在一起，LD陽極連接在+5V，LD并接一保護二極管D1，共陰極通過一限流電阻R3接功率驅動三極管N1的集電極，N1發射極接電路地；PD陽極通過一電容接+5V，通過電阻R2和可調電位器VR1接電路地，同時連接到反饋控制三極管P1的基極，VR1可以調節激光功率的輸出；P1的集電極接N1的基極；P1的發射極通過電阻R1接+5V。由N2和P2為主的開關控制電路連接外部發光驅動TTL電平信號，控制D2的集電極連接的P1發射極電位，對激光器實施發光與不發光的控制。
本電路的優越性是實現激光器功率輸出的設定調節和恒輸出光功率控制，通過VR1可以設定激光器的功率輸出，通過PD的功率實時檢測和電路的反饋控制作用。可以使激光功率在-15℃---+60℃的溫度范圍內，功率輸出控制在3W±0.3W的范圍內，極大地改善了激光器的溫度特性。同時本電路還實現了激光器發光和不發光的驅動控制。
與普通點型感煙探測器的煙霧監測裝置相比，本實用新型裝置提供了極高的探測靈敏度、響應的廣譜性、探測室污染和一定的灰塵和水霧干擾誤報免疫力。同時，本裝置提供了激光器功率漂移的監測能力，使得外部處理部分實施激光功率漂移補償和對激光器工作狀態的故障監視成為可能。
圖1為探測室的主視圖；圖2為探測室的俯視圖；圖3為圖2的A-A方向剖面圖；圖4為本實用新型裝置的剖面圖；圖5為激光驅動電路框圖；圖6為探測模塊的電路框圖；圖7為激光驅動電路原理圖；圖8為煙霧散射探測電路原理圖；圖9為激光功率探測電路原理圖；其中，1空氣過濾器，2半導體激光器，3激光束空間校正透鏡，4光束空間濾波光闌，5探測室，6探測室支架，7外殼，A煙霧散射探測器，B激光功率探測器，C消光機構，D反射板。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型裝置的具體實施方式
進行詳細描述如圖1-4所示，本實用新型裝置包括一個空氣過濾器1、一個半導體激光器2、一個激光束空間校正透鏡3、一組光束空間濾波光闌4、一個探測室5、一個探測室支架6、一個煙霧散射探測器A、一個激光功率探測器B、一個消光機構C、一個反射板D、外殼7。
其中，探測室支架6與探測室5固定為一體；半導體激光器2和激光束空間校正透鏡3通過螺紋連接成一體，半導體激光器2通過上下左右4個螺釘固定在探測室支架6上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調半導體激光器2的位置；探測室5靠近激光束空間校正透鏡3的一側嵌入一組光束空間濾波光闌4，該組光束空間濾波光闌共有4個，探測室5另一側與光束空間濾波光闌4對稱的位置嵌入消光機構C，其中半導體激光器2、激光束空間校正透鏡3、光束空間濾波光闌4和消光機構C的中心同時位于光束軸上；在消光機構C的前面設有反射板D，反射板D與探測室5的夾角為135°；在反射板D的主光束入射點的豎直方向上設有激光功率探測器B；在探測室5的上壁設有煙霧散射探測器安裝孔，孔內嵌入煙霧散射探測器A，用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；上述部件整體裝配形成后裝入外殼7中，并用螺釘固定在外殼7的底部，在外殼7的進氣口端插入空氣過濾器1。
煙霧散射探測電路原理如下，如圖8所示將煙霧散射探測器連接到雙運放U2的兩個單元的反向輸入端6，2；U2的同向輸入端5、3連接由R1、U1構成的電壓基準，U1可以并聯若干濾波電容；在U2的兩個單元的反向輸入6、2和對應的輸出7、1間分別連接一大阻值電流電壓轉換匹配電阻R2和R3，將煙霧散射探測器的光電流信號轉換成電壓信號；R2和R3可以并聯一濾波電容；U2的輸出7、1分別連接到差分放大器U3的反向輸入2和同向輸入3中，實施差分運算放大；其反大增益由連接在U3的1、8間的電阻R4和連接在U3的5和電路地的電阻R6來設置，R6并接一電容。U3的輸出6通過一RC濾波后向外輸出煙霧散射探測信號。本電路的運放的電源輸入端均設置了RC濾波。
煙霧探測電路可以按照以下方式實施煙霧散射探測電路采用P1313作為煙霧散射探測器，一個雙運放U2采用LN1138作光電流電壓差分轉換器，匹配電阻R2、R3采用20M歐的金屬膜電阻，分別并聯容量為101的瓷片電容；由R1、U1、E1、C1構成電壓偏置電路；R1為10K，U1為電壓基準LM285-2.5，E1為10uF/10V鉭電容、C1為103瓷片電容；由INA115構成及阻值為10K的R4和阻值為200K的R6構成差分解調放大電路；輸出的RC參數為1K電阻的R5和容量為224的獨石電容，使得信號的輸出阻抗為1K歐。每個運放的電源輸入端設置了一個電阻和一個電解電容和一個瓷片電容構成的RC濾波器件，電阻值為10歐姆，電解電容可為10uF/10V，瓷片電容容量為103。
激光驅動電路原理如下，如圖7所示激光器的LD單元和PD單元共陰級內部連接封裝在一起，LD陽極連接在+5V，LD并接一保護二極管D1，共陰極通過一限流電阻R3接功率驅動三極管N1的集電極，N1發射極接電路地；PD陽極通過一電容接+5V，通過電阻R2和可調電位器VR1接電路地，同時連接到反饋控制三極管P1的基極，VR1可以調節激光功率的輸出；P1的集電極接N1的基極；P1的發射極通過電阻R1接+5V。由N2和P2為主的開關控制電路連接外部發光驅動TTL電平信號，控制D2的集電極連接的P1發射極電位，對激光器實施發光與不發光的控制。
激光器驅動電路可以按照以下方式實施激光器為帶內部PD的RLD78MPT3，N1為S9014，P1為C9015，N2為C9013，P2為C9012，限流電阻R3為10歐，反饋電阻R2為6.2K、VR1為5K；P1的發射極電阻為15K。其他器件參數可以酌情選取。
激光功率探測電路原理如下，如圖9所示E5和C13構成電源濾波電路。激光功率探測器PD1連接到雙運放U6一個運放單元U6A的兩個輸入端2，3；U6A的同相輸入端3連接PD1的陽極，并連接R7到電路地，U6A的反相輸入端2連接PD1的陰極，并連接R8到U6A的輸出端1，R7、R8電流電壓轉換匹配電阻，將激光光電流信號轉換為電壓信號，R7、R8可以并聯一濾波電容C11、C12。U6A的輸出端1連接R9，R10、C14并聯結電路地后另一端與R9串聯構成運放級間耦合電路，連接運放U6的另一個運放單元U6B的同相輸入端5，在U6B的反相輸入端6和輸出端7間并連R11、C15、構成電壓跟隨器電路，輸出端7串聯R12和C8到電路地，構成濾波電路，信號輸出P2取自R12和C8的連接處。
激光功率探測電路可以按照以下方式實施激光功率探測電路采用PD333-3C，一個雙運放U6采用LM358，匹配電阻R7、R8采用3.3M歐電阻，可分別并聯容量為102的電容；R9為39K歐，R10為390K歐，C14為103的電容；R11為33K，C15為103電容；R12為1K，輸出電容C8為224的電容。
本電路如無特殊說明，所有電阻R均為精度為1/100的金屬膜電阻。
本實用新型裝置的工作過程為，本裝置通過外部抽氣裝置使氣樣通過空氣過濾器1，進入探測室5；在激光驅動電路的驅動下，半導體激光器2發出激光，激光束通過激光束空間校正透鏡3后，穿過光束空間濾波光闌4進入探測室5，照到氣樣上發生光散射；散射光被安裝在探測室側壁的煙霧散射探測器A接收；主光束穿過消光機構后穿出光束空間濾波光闌4被反射板D反射到激光功率探測器B接收；煙霧散射探測電路和激光功率探測電路分別輸出煙霧探測信號和激光功率監測信號，該輸出信號提供給外部設備進行信號處理。
權利要求1.一種煙霧濃度探測裝置，包括一個空氣過濾器、一個半導體激光器、一個激光束空間校正透鏡、一組光束空間濾波光闌、一個探測室、一個探測室支架、一個煙霧散射探測器、一個激光功率探測器、一個消光機構、一個反射板、外殼，其特征在于本裝置中探測室支架與探測室固定為一體；半導體激光器和激光束空間校正透鏡通過螺紋連接成一體，半導體激光器通過上下左右4個螺釘固定在探測室支架上，并可以通過4個螺釘旋入的松緊來微調半導體激光器的位置；探測室靠近激光束空間校正透鏡的一側嵌入一組光束空間濾波光闌，探測室另一側與光束空間濾波光闌對稱的位置嵌入消光機構，其中半導體激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波光闌和消光機構的中心同時位于光束軸上；在消光機構的前面設有反射板，反射板與探測室的夾角為135°；在反射板的主光束入射點的豎直方向上設有激光功率探測器；在探測室的上壁設有煙霧散射探測器安裝孔，孔內嵌入煙霧散射探測器，用于接受與光束軸向呈90°的煙霧散射光；上述部件整體裝配形成后裝入外殼中，并用螺釘固定在外殼的底部，在外殼的進氣口端插入空氣過濾器；上述裝置中煙霧散射探測器的光電信號由煙霧散射探測電路實施光電流-電壓信號轉換和放大；激光功率探測器的光電信號由激光功率探測電路實施光電流-電壓信號轉換和放大；半導體激光器由激光驅動電路實施激光發光/不發光驅動控制和激光恒輸出功率反饋控制。
2.根據權利要求1所述的一種煙霧濃度探測裝置，其特征在于所述一組光束空間濾波光闌包括4個光束空間濾波光闌。
3.根據權利要求1所述的一種煙霧濃度探測裝置，其特征在于所述煙霧散射探測電路原理為將煙霧散射探測器連接到雙運放U2的兩個單元的反向輸入端6，2；U2的同向輸入端5、3連接由R1、U1構成的電壓基準，U1可以并聯若干濾波電容；在U2的兩個單元的反向輸入6、2和對應的輸出7、1間分別連接一大阻值電流電壓轉換匹配電阻R2和R3，將煙霧散射探測器的光電流信號轉換成電壓信號；R2和R3可以并聯一濾波電容；U2的輸出7、1分別連接到差分放大器U3的反向輸入2和同向輸入3中，實施差分運算放大；其反大增益由連接在U3的1、8間的電阻R4和連接在U3的5和電路地的電阻R6來設置，R6并接一電容；U3的輸出6通過一RC濾波后向外輸出煙霧散射探測信號；本電路的運放的電源輸入端均設置了RC濾波。
4.根據權利要求1所述的一種煙霧濃度探測裝置，其特征在于所述激光驅動電路原理為激光器的LD單元和PD單元共陰級內部連接封裝在一起，LD陽極連接在+5V，LD并接一保護二極管D1，共陰極通過一限流電阻R3接功率驅動三極管N1的集電極，N1發射極接電路地；PD陽極通過一電容接+5V，通過電阻R2和可調電位器VR1接電路地，同時連接到反饋控制三極管P1的基極，VR1可以調節激光功率的輸出；P1的集電極接N1的基極；P1的發射極通過電阻R1接+5V；由N2和P2為主的開關控制電路連接外部發光驅動TTL電平信號，控制D2的集電極連接的P1發射極電位，對激光器實施發光與不發光的控制。
專利摘要一種煙霧濃度探測裝置，屬于火災探測報警技術領域，包括空氣過濾器、半導體激光器、激光束空間校正透鏡、光束空間濾波光闌、探測室、探測室支架、煙霧散射探測器、激光功率探測器、消光機構、反射板、外殼，其中半導體激光器和激光束空間校正透鏡通過螺紋連接，半導體激光器通過螺釘固定在探測室支架上，探測室靠近激光束空間校正透鏡的一側嵌入光束空間濾波光闌，探測室另一側與光束空間濾波光闌對稱的位置嵌入消光機構，在消光機構的前面設有反射板，在反射板的主光束入射點的豎直上方設有激光功率探測器，在探測室的上壁嵌入煙霧散射探測器；上述部件整體裝配形成后裝入外殼中，在外殼的進氣口端插入空氣過濾器。
文檔編號G01N21/47GK2874472SQ20052009190
公開日2007年2月28日 申請日期2005年7月22日 優先權日2005年7月22日
發明者王文青, 潘剛, 余廣智, 王勇俞, 劉玉寶, 劉景泉 申請人:公安部沈陽消防研究所