一种线型红外光束感烟火灾探测器及其探测方法

摘要

一种线型红外光束感烟火灾探测器及其探测方法，属于火灾探测技术领域。本发明的探测器包括红外接收器和红外发射器，红外接收器的发光控制信号输出端与红外发射器的信号接收端用导线相连接，使红外发射器的发光状态受控于红外接收器，以实现线型红外光束感烟火灾探测器同步发射/接收红外光束。本发明的探测器的探测方法：现场操作发射器上的4位拨码开关，设置探测器的可探测距离；由接收器向发射器传输发光通信命令，发射器发光0.1mS，接收器同步采集当前光强度综合值；采用光干扰剔除的方法得出感烟探测当前值；每间隔4小时进行初值补偿，并自动按照探测器初值的大小选择恰当的火灾报警门限判断值，进行火灾判断。

说明书

技术领域：

本发明属于火灾探测技术领域，特别是涉及一种线型红外光束感烟火灾探测器及其探测方法。

背景技术：

线型红外光束感烟火灾探测器是通过探测火灾发生时扩散到光束区域的烟雾浓度，达到火灾初期自动探测报警、保护生命和财产安全的作用，它具有保护面积大、安装位置较高等优点，适宜于保护大空间的室内、外场所。但是，现有的线型红外光束感烟火灾探测器在工程应用中仍存在着两大共性缺陷：1、抗光干扰能力较差：在白炽灯、氙灯以及太阳光等环境光干扰下易误报或丧失火灾探测能力；实际应用中为了降低探测器的误报率，通常采取使探测器工作在超饱和区或过分降低探测器灵敏度的做法，使之当保护区域内发生火灾时不能早期探测报警，甚至发生火灾漏报事故，这种为了减少误报率而牺牲可靠性的做法，给消防安全带来了很大隐患。2、当探测距离超过100m时，探测器出现报警灵敏度下降甚至漏报火警的现实问题。随着我国经济建设的飞速发展，一些在国民经济和社会生活中起着重要作用的大空间建筑场所(如大型电信设备机房、计算机机房、集成电路生产车间、银行系统、大型电站、图书馆、大型仓库、飞机库、影剧院、博物馆、体育馆、展览馆、地铁、医院、商场、共享空间大厅等)越来越多，此类建筑场所的普遍特点是空间跨度大、举架高；而且为了节能环保，建筑物内白天通常采取中厅式玻璃透光屋顶自然采光方式，夜间则用各种高亮白炽灯、氙灯、射灯、探照灯等照明方式，安装于这些建筑场所内的线型红外光束感烟火灾探测器不可避免要受到这些环境光源的干扰。因此，迫切需要具有远距离火灾探测能力、并且能够克服各种环境光干扰影响的线型红外光束感烟火灾探测器，以适用于现代高大空间等特殊建筑场所的火灾探测要求。

发明内容：

针对现有的线型红外光束感烟探测器在以往大型公共建筑场所应用中存在的易受环境光干扰、探测距离小的问题，本发明提供一种克服了环境光的干扰，并将有效探测距离拓宽为1～200m范围的线型红外光束感烟火灾探测器及其探测方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种线型红外光束感烟火灾探测器，包括红外接收器和红外发射器，红外接收器的2个电源接线端分别与DC24V电源相连接，红外接收器的状态信号输出端与信号源相连接；红外接收器的发光控制信号输出端与红外发射器的信号接收端相连接，红外发射器的1个电源接线端与DC24V电源的0V电源线相连接。

在所述红外发射器内部的发光强度调控电路中设置有4位拨码开关。

所述线型红外光束感烟火灾探测器的探测方法，包括如下步骤：

步骤一：按照探测距离与4位拨码开关状态设置对应关系表现场操作发射器上的4位拨码开关，设置探测器的可探测距离；

步骤二：进行上电初始化；

步骤三：判断间隔1秒的时间是否到了，若是，则转去执行步骤五，若否，则执行步骤四；

步骤四：由接收器采样环境光强度值，并返回执行步骤三；

步骤五：由接收器向发射器传输发光通信命令；

步骤六：发射器发光0.1mS，接收器同步采集当前光强度综合值Xn；

步骤七：采用光干扰剔除的方法得出感烟探测当前值Yn；

步骤八：判断间隔4小时初值补偿时间是否到了，若否，则转去执行步骤十一，若是，则执行步骤九；

步骤九：判断感烟探测当前值Yn与感烟探测初值Yo的差值的绝对值是否小于或等于感烟初值补偿判断值，若是，则执行步骤十，若否，则转去执行步骤十一；

步骤十：将感烟探测当前值Yn赋值给感烟探测初值Yo；

步骤十一：按照探测器初值划分方法及火灾报警门限判断值对应关系表得出当前火灾报警门限判断值Yb；

步骤十二：判断感烟探测初值Yo与感烟探测当前值Yn的差值是否大于或等于当前火灾报警门限判断值Yb，若是，则转去执行步骤十四，若否，则执行步骤十三；

步骤十三：令连续符合计数K的计数清零，转去执行步骤十六；

步骤十四：判断连续符合计数K＝K+1是否大于或等于6，若是，则执行步骤十五，若否，则转去执行步骤十六；

步骤十五：置火灾报警状态，并转去执行步骤三；

步骤十六：置正常监视状态，并转去执行步骤三。

本发明的有益效果：

1.克服了环境光的干扰：

本发明的探测器发射和接收红外光束采取同步控制甄别技术，能够有效识别外部环境光(日光和灯光)和自身红外光；使探测器在超强环境光干扰下(如日光直射探测器接收面)绝不误报和漏报，而且火灾烟雾探测灵敏度不受影响。

2.拓宽了探测距离：

本发明的探测器的探测距离为1m～200m，在1m～200m探测距离范围内的最大响应阈值Amax和最小响应阈值Amin的比值Amax/Amin≤1.4；并具有可将探测距离扩大到200m以远的潜力。

3.具有灰尘积累自动补偿功能：

本发明的探测器对感烟探测初值的漂移能够自动补偿，在使用中对发光和接收镜面上缓慢积累的灰尘或油烟污染等不会引起误报，并且使火灾烟雾探测灵敏度保持恒定不变。

4.对各种烟雾有良好的均衡灵敏响应性能：

依据已建立的本发明的探测器的应用环境及火灾信息数据库，通过数据挖掘，研究出针对该探测器的一种切实有效的信号处理技术和智能判断火灾方法，使本发明的探测器对各种烟雾有良好的均衡灵敏响应性能。

5.满足国家标准要求：

本发明的探测器满足国家标准GB14003-2005《线型光束感烟火灾探测器》的要求。

6.具有良好的性价比：

本发明的探测器仅探测电路的元器件成本即较国内同类探测器降低约35～80元，其它结构件与国内同类探测器平均成本基本持平。

本发明的探测器总体技术水平和综合性能达到了二十一世纪初国际先进水平，将为我国超大空间建筑场所消防安全提供一种急需的火灾探测报警新技术产品，对减少火灾的损失，保卫人民生命财产安全，保卫经济建设将起到重大作用。它的投产和推广应用不仅可以满足国内复杂建筑对消防安全的迫切需求，还可替代进口产品，为国家节省大量外汇，将产生显著的社会经济效益。

附图说明：

图1为本发明的探测器接线工作方式示意图；

图2为本发明的探测器同步发射与接收红外光的通信控制波形图；

图3为本发明的探测器的红外发射器发光强度调控电路的电路原理图；

图4为本发明的探测器的探测方法的程序流程图；

图1中，1-红外接收器，2-红外发射器。

具体实施方式：

如图1所示，一种线型红外光束感烟火灾探测器，包括红外接收器1和红外发射器2，红外接收器1的第2引脚、第3引脚分别与DC24V电源的24V电源线、0V电源线相连接，红外接收器1的第1引脚与同信号源相连接的信号线S相连接；红外接收器1的第4引脚与红外发射器2的第2引脚相连接，红外发射器2的第1引脚与0V电源线相连接。

如图3所示，在所述红外发射器2内部的发光强度调控电路中设置有4位拨码开关BK4。所述红外发射器的发光强度调控电路的具体连接关系如下：

单片机U2的控制输出端口RC4经第六电阻R6与第一三极管T1的基极相连接，T1的发射极与第二三极管T2的基极相连接，T1、T2的集电极与红外发光管LED1的负极相连接，LED1的正极与电源VCC相连接。T2的发射极一路依次经第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5与地相连接，另一路与4位拨码开关BK4的第一开关K1的一端相连接，K1的另一端与R1、R2的中间节点相连接；BK4的第二开关K2的一端与R1、R2的中间节点相连接，K2的另一端与R2、R3的中间节点相连接；BK4的第三开关K3的一端与R2、R3的中间节点相连接，K3的另一端与R3、R4的中间节点相连接；BK4的第四开关K4的一端与R3、R4的中间节点相连接，K4的另一端与R4、R5的中间节点相连接。

如图4所示，所述线型红外光束感烟火灾探测器的探测方法，包括如下步骤：

步骤一：按照探测距离与4位拨码开关状态设置对应关系表现场操作发射器上的4位拨码开关，设置探测器的可探测距离；

步骤二：进行上电初始化；

步骤三：判断间隔1秒的时间是否到了，若是，则转去执行步骤五，若否，则执行步骤四；

步骤四：由接收器采样环境光强度值，并返回执行步骤三；

步骤五：由接收器向发射器传输发光通信命令；

步骤六：发射器发光0.1mS，接收器同步采集当前光强度综合值Xn；

步骤七：采用光干扰剔除的方法得出感烟探测当前值Yn；

步骤八：判断间隔4小时初值补偿时间是否到了，若否，则转去执行步骤十一，若是，则执行步骤九；

步骤九：判断感烟探测当前值Yn与感烟探测初值Yo的差值的绝对值是否小于或等于感烟初值补偿判断值，若是，则执行步骤十，若否，则转去执行步骤十一；

步骤十：将感烟探测当前值Yn赋值给感烟探测初值Yo；

步骤十一：按照探测器初值划分方法及火灾报警门限判断值对应关系表得出当前火灾报警门限判断值Yb；

步骤十二：判断感烟探测初值Yo与感烟探测当前值Yn的差值是否大于或等于当前火灾报警门限判断值Yb，若是，则转去执行步骤十四，若否，则执行步骤十三；

步骤十三：令连续符合计数K的计数清零，转去执行步骤十六；

步骤十四：判断连续符合计数K＝K+1是否大于或等于6，若是，则执行步骤十五，若否，则转去执行步骤十六；

步骤十五：置火灾报警状态，并转去执行步骤三；

步骤十六：置正常监视状态，并转去执行步骤三。

所述的探测距离与4位拨码开关状态设置对应关系表，如下：

表1：探测距离与4位拔码开关状态设置对应关系表

  探测距离(m)  1≤M≤10  10＜M≤50  50＜M≤100  100＜M≤150  150＜M≤200  4位拔码开关状态设置  K1＝开，K2＝开  K3＝开，K4＝开  K1＝闭，K2＝开  K3＝开，K4＝开  K1＝闭，K2＝闭  K3＝开，K4＝开  K1＝闭，K2＝闭  K3＝闭，K4＝开  K1＝闭，K2＝闭  K3＝闭，K4＝闭  LED1限流电阻值(Ω)  3638  688  128  28  8

所述的探测器初值划分方法及火灾报警门限判断值对应关系表，如下：

表2：探测器初值划分方法及火灾报警门限判断值对应关系表

所述的光干扰剔除方法如以下算式所示：

1)若：Gn≥60，且：Xn≥(Gn-10)/2，

则：Yn＝Xn-(Gn-10)/2；

2)若：Gn≥60，且：Xn＜(Gn-10)/2，

则：Yn＝0；

3)若：Gn＜60，Xn≥220，

则：Yn＝Xn；

4)若：Gn＜60，120≤Xn＜220，

则：Yn＝Xn-Gn；

5)若：Gn＜60，Xn＜120，且：Xn≥1.5·Gn，

则：Yn＝Xn-1.5·Gn；

6)若：Gn＜60，Xn＜120，且：Xn＜1.5·Gn，

则：Yn＝0；

其中，Gn为当前每秒采样48次环境光强度的算术平均值，

Xn为当前光强度综合值(含环境光耦合成份)；

Yn为感烟探测当前值(剔除了环境光耦合成份)；

G(x)为当前第1、2、3.......48次采样的环境光强度值。

本发明的探测器利用烟粒子对红外光束具有吸收和衰减作用的原理对火灾进行早期探测，红外发射器发射的红外光束经过保护空间，到达红外接收器；当有火情时，物质燃烧产生的烟雾扩散到光束区域，使红外接收器接收到的红外光束强度信号发生衰减，当红外光束强度信号衰减到设定值时，红外接收器发出火灾报警信号。本发明的探测器有效解决了线型红外光束感烟火灾探测器抗环境光干扰和远距离火灾探测两大关键性工程应用难题。

1、抗环境光干扰：

常规的线型红外光束感烟火灾探测器无法识别外界环境光和自身红外光，是造成该探测器抗环境光干扰能力较差的原因所在。本发明的探测器采取了同步发射与接收红外光电信号的甄别技术，为有效识别外部环境光和自身红外光创造了先决条件。如图1所示，本发明的探测器用1根导线将红外接收器的第4引脚与红外发射器的第2引脚连接，由红外接收器向红外发射器提供工作电源并传输载波发光控制信号；红外发射器的发光状态受控于红外接收器，红外接收器每秒向红外发射器传输一次发光通信命令；当红外发射器收到红外接收器的发光通信命令后，即发射脉宽为0.1mS的红外光，红外接收器同步接收红外发射器发出的红外光强度信号；另外，红外接收器在0.1mS/S以外的时间连续采样48次探测器所在场所的环境光强度，并将自身红外光与外界环境光强度信号分别存贮。探测器同步发射与接收红外光通信控制波形如图2所示。

采取了上述技术方案后，虽然本发明的红外接收器能够实时采集自身红外光及外界环境光信号；但是在红外发射器发光期间，红外接收器同步采集到的光强度信号中仍不同程度的含有外界环境光的耦合成份，而且这种环境光的耦合成份呈非线性变化，并非用简单的算法即可剔除。对此，通过在线型红外光束感烟火灾探测器数据采集试验平台上进行的日光、各种灯光及其混合光干扰试验，并建立了光干扰数据库，基于对光干扰数据库的深入分析和规律挖掘，本发明的探测器运用模糊逻辑数学模型确立了光干扰剔除方法，该方法能够有效剔除环境光干扰的耦合成份，将真正源自红外发射器的红外光束感烟探测信号提纯出来。

通过采取以上两种技术方案，能够有效剔除环境光干扰耦合成份，使本发明的探测器抗环境光干扰能力极强，确保了本发明的探测器在太阳光及各种灯光强烈干扰下不误报，并使感烟探测报警灵敏度不受影响。

2、拓宽探测距离：

常规的线型红外光束感烟火灾探测器通常最大探测距离小于100m，当该类常规探测器用于被保护空间长度超过100米以上的超大空间建筑时，存在着运行不稳定、感烟灵敏度下降，甚至出现火灾不报警的缺陷，不能满足超大空间建筑对远距离火灾探测的要求。

空气介质对波长为0.800μm的红外光有一定的衰减作用，所以红外发射器发出的红外光束随着探测距离的延长被空气介质逐渐衰减，使到达红外接收器的红外光强度发生递减。由于安装在保护场所的线型红外光束感烟火灾探测器的探测距离存在着很大差异，因此，对红外发射器的发光强度有相应的改变要求。探测距离越远则要求红外发射器的发光强度越强，反之，探测距离越近则要求红外发射器的发光强度相应减弱。为了解决这一问题，本发明的探测器在红外发射器的发光强度调控电路中，用4位拨码开关的闭合/断开多种组合状态来改变红外发光管LED1的限流电阻值，起到调节红外发光管LED1发光强度的作用。红外发射器发光强度调控电路如图3所示，探测距离与4位拔码开关状态设置对应关系如表1所示，可根据现场情况灵活设置探测距离，从而满足了线型红外光束感烟火灾探测器因保护场所探测距离不同对红外发射器发光强度的不同要求，将本发明的探测器的有效探测距离拓宽为1～200m范围。

通过对常规的线型红外光束感烟火灾探测器进行光路长度相依性试验，表明：采用固定报警门限常规火灾判断方法的线型红外光束感烟火灾探测器随着探测距离的延长，感烟灵敏度呈下降趋势，特别是当探测距离超过100m时，探测器的感烟灵敏度下降尤为明显，如果火灾报警门限判断值设置不当，一是易发生误报，二是可能漏报火警，对火灾探测可靠性有很大影响。

本发明的探测器摒弃了以往采用固定报警门限的常规火灾判断方法，采取根据探测器初值的大小选择不同报警门限的火灾判断方法。探测器初值Yo划分方法及火灾报警门限判断值对应关系如表2所示，即：将探测器的初值划分为若干区段，并按照探测器的初值区段分别选择恰当的火灾报警门限判断值Yb，探测器的初值越大，则选择的火灾报警门限判断值越大；反之，探测器的初值越小，则选择的火灾报警门限判断值就越小。本发明的探测器将表2中的“探测器初值划分方法及火灾报警门限判断值对应关系”编程固化在探测器的单片机中，使本发明的探测器能够自动按照探测器初值的大小选择恰当的火灾报警门限判断值，来判断火灾，从而解决了因探测距离差异引起感烟探测灵敏度发生变化的问题。

按照表2对本发明的线型红外光束感烟火灾探测器进行的光路长度相依性试验，出现了令人满意的结果：在探测距离分别10m、50m、100m、150m、200m处进行滤光片遮挡报警试验，报警减光值A分别为2.8、2.8、2.5、2.5、2.6，其光路长度相依性试验的最大响应阈值与最小响应阈值的比值A_max∶A_min为1.12＜1.6，较好的满足了国家标准《线型光束感烟火灾探测器》GB14003-2006中规定的相关要求。

以上技术方案充分拓宽了本发明的探测器的探测距离，使探测距离较同类常规探测器增大了1倍，将有效探测距离扩大为1～200m的范围，并可根据现场情况灵活设置探测距离，使之适用于超大空间等建筑场所。

以上技术方案不仅适用于对射式线型光束感烟火灾探测器，同样也适用于反射式线型光束感烟火灾探测器。