專利名稱：一種高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域，尤其是一種低成本、高靈敏度的極早期火災(zāi)預(yù)警
>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
目前，在火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域，有一種極早期火災(zāi)預(yù)警裝置，通過(guò)管道采樣，將保護(hù)區(qū)域的空氣輸送到探測(cè)腔，在探測(cè)腔內(nèi)，以光電檢測(cè)采樣空氣中的顆粒散射光強(qiáng)度來(lái)確定煙霧顆粒濃度，由于探測(cè)靈敏度非常高，可達(dá)0.001%obs/m，基本上實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)醞釀階段的預(yù)警。這種主動(dòng)、高靈敏度的探測(cè)方式，比目前廣泛使用的被動(dòng)探測(cè)的煙感探頭(靈敏度一般達(dá)
2-5%obs/m)，效果顯著提高，成本也高得很多。其中成本最高的就是探測(cè)腔內(nèi)的光電檢測(cè)部分，由于要實(shí)現(xiàn)高靈敏度的煙霧檢測(cè)，其電路往往采用速度較高、分辨率較高的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，這種芯片成本都很高。有些極早期火災(zāi)預(yù)警裝置采用管路掃描方式，多區(qū)共用一個(gè)探測(cè)腔，雖然降低了成本，但也降低了探測(cè)可靠性、增加了反應(yīng)時(shí)間。高成本嚴(yán)重影響了極早期火災(zāi)預(yù)警裝置的推廣使用，使之目前僅局限運(yùn)用于某些特殊領(lǐng)域。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種煙霧檢測(cè)裝置，該裝置具有極早期煙霧探測(cè)裝置的高靈敏度，同時(shí)降低成本，以便于廣泛使用。本實(shí)用新型的 技術(shù)方案是:一種高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，包括腔體及探測(cè)電路，其特征在于:探測(cè)電路主要包括單片機(jī)、擾動(dòng)疊加單元、光發(fā)射單元、光電轉(zhuǎn)換單元、交流放大單元、采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元；單片機(jī)與光發(fā)射單元連接，光電轉(zhuǎn)換單元與交流放大單元連接，交流放大單元與采樣保持單元連接，采樣保持單元與模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元與單片機(jī)連接。上述腔體包括一個(gè)采樣空氣的入口和出口。上述模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元可以是分辨率較低的逐次比較型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，分辨率可以為10位、12位。上述擾動(dòng)疊加單元，可以連接在單片機(jī)與光發(fā)射單元之間，也可以連接在交流放大單元與采樣保持單元之間，其疊加信號(hào)可以是白噪聲，也可以是三角波，在電路熱噪聲強(qiáng)度足夠的情況下，可以省略。上述采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、擾動(dòng)疊加單元可以集成在單片機(jī)中。上述光發(fā)射單元,包括激光或LED。上述光電轉(zhuǎn)換單元，包括光電傳感器及相應(yīng)的電流電壓轉(zhuǎn)換電路。上述交流放大單元，包含集成運(yùn)算放大器和隔直電容。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)頻率的2倍以上時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，過(guò)采樣是使用遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，這使得量化噪聲大部分分布在信號(hào)頻帶之外的高頻區(qū)域，而分布在信號(hào)頻帶之內(nèi)的量化噪聲就會(huì)相應(yīng)的減少，于是，通過(guò)低通濾波器濾掉信號(hào)頻帶以上的噪聲分量，就可以提高系統(tǒng)的信噪比，同時(shí)提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨力。相關(guān)的理論表明，在信號(hào)疊加白噪聲的情況下，每增加4倍采樣頻率，就可以提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換I位分辨力；在疊加三角波的情況下，每提高2.2倍采樣頻率，可以提高I位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨力。在本實(shí)用新型中，就是利用過(guò)采樣原理來(lái)提高煙霧檢測(cè)靈敏度的。采樣空氣經(jīng)腔體入口進(jìn)入，經(jīng)探測(cè)電路檢測(cè)后，從腔體出口流出。探測(cè)時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)擾動(dòng)疊加單元疊加一定幅度擾動(dòng)信號(hào)(白噪聲或三角波信號(hào))后輸出至光發(fā)射單元，光發(fā)射單元發(fā)出的光經(jīng)煙霧離子前向散射，由光電轉(zhuǎn)換單元接收，經(jīng)過(guò)交流放大單元放大后輸出至采樣保持單元，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入單片機(jī)，完成一次數(shù)據(jù)采樣。單片機(jī)關(guān)閉控制信號(hào)一定時(shí)間后，再次采樣數(shù)據(jù)。最后單片機(jī)計(jì)算多次采樣數(shù)據(jù)，進(jìn)行低通濾波處理后，得出的數(shù)據(jù)分辨率比模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的實(shí)際分辨率要高。這就實(shí)現(xiàn)了用低成本、低分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，得到高靈敏度煙霧檢測(cè)結(jié)果。

圖1是本實(shí)用新型的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)圖。圖2、圖3、圖4是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
在圖2中，單片式為芯片U9，型號(hào)為STM32F100R8T6，擾動(dòng)疊加單元由單片機(jī)中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，分辨率為12比特；采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元由單片機(jī)中的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成，屬逐次比較型，分辨率為12比特，最高轉(zhuǎn)換速率857K次。在圖3中，光電傳感器SENl與放大器IClA構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換單元，放大器IC1B、IC2A與隔直電容C2、C5構(gòu)成兩級(jí)交流放大單元。在圖4中，放大器U5A、U5B與PMOS管Q6以及高亮度發(fā)光二極管Dl構(gòu)成光發(fā)射單
J Li ο上述模塊是這樣工作的:1、采樣空氣從腔體入口進(jìn)入。2、單片機(jī)設(shè)置采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的參數(shù)，采樣頻率為55.5個(gè)周期，采樣轉(zhuǎn)換頻率為68個(gè)周期，采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間為5.7us。3、單片機(jī)設(shè)置擾動(dòng)疊加單元的參數(shù)，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置為波形產(chǎn)生模式，如果擾動(dòng)為白噪聲，幅度可以設(shè)置為5比特；如果是三角波，最大幅度可以設(shè)置為127。觸發(fā)方式為軟件觸發(fā)。4、單片機(jī)通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊，輸出控制信號(hào)到光電發(fā)送單元，輸出650毫安電流，控制Dl發(fā)出穩(wěn)定的藍(lán)光，經(jīng)煙霧粒子前向散射后，由光電傳感器SENl接收，經(jīng)放大器IClA處理后，光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；經(jīng)放大器IC1B、IC2A兩級(jí)交流放大后輸入單片機(jī)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。5、單片機(jī)讀取模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，關(guān)閉Dl發(fā)光，延遲5us時(shí)間，完成一次米樣。6、重復(fù)4一5步驟，在擾動(dòng)為白噪聲的情況下，采樣4N次，N為欲增加的模/數(shù)轉(zhuǎn)換比特?cái)?shù)，并將上述采樣結(jié)果相加，實(shí)現(xiàn)低通濾波，將結(jié)果右移N次，得到的結(jié)果就是分辨率為12+N的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果；在擾動(dòng)為三角波的情況下，采樣2N+1次，采樣結(jié)果相加后，結(jié)果加I右移I次即可得到結(jié)果。7、當(dāng)N=6時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)18比特的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，在擾動(dòng)為白噪聲的情況下，轉(zhuǎn)換速率為22次。在擾動(dòng)為三角波情況下，轉(zhuǎn)換速率為730次。8、在上述情況下，煙霧靈敏度可達(dá)0.0001%obs/m，測(cè)量范圍為O — 26%obs/m。9、由于煙霧采樣頻率一般為每秒I次，上述單片機(jī)具有多路模擬數(shù)字輸入通道，故上述實(shí)施例中，可以同時(shí)探測(cè)多路煙霧。10、在上述實(shí)施例中，由于交流放大器中隔直電容影響，不可以在發(fā)光二極管Dl發(fā)光時(shí)，實(shí)現(xiàn)多次采樣，只能發(fā)光一次，采樣一次。
權(quán)利要求1.一種高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，包括腔體及探測(cè)電路，其特征在于:探測(cè)電路包括單片機(jī)、擾動(dòng)疊加單元、光發(fā)射單元、光電轉(zhuǎn)換單元、交流放大單元、采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元；單片機(jī)與光發(fā)射單元連接，光電轉(zhuǎn)換單元與交流放大單元連接，交流放大單元與采樣保持單元連接，采樣保持單元與模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接，模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元與單片機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述腔體包括一個(gè)采樣空氣的入口和出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元是分辨率較低的逐次比較型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，分辨率為10位、12位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述擾動(dòng)疊加單元，連接在單片機(jī)與光發(fā)射單元之間，或者連接在交流放大單元與采樣保持單元之間，其疊加信號(hào)是白噪聲，或者是三角波，在電路熱噪聲強(qiáng)度足夠的情況下，或者是熱噪聲。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元、擾動(dòng)疊加單元集成在單片機(jī)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述光發(fā)射單元，包括激光或LED。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述光電轉(zhuǎn)換單元，包括光電傳感器及相應(yīng)的電流電壓轉(zhuǎn)換電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，其特征在于:所述交流放大單元，包含集成運(yùn)算放大器和隔直電容。
專利摘要一種高靈敏度煙霧檢測(cè)裝置，涉及火災(zāi)報(bào)警領(lǐng)域，尤其是一種低成本、高靈敏度的極早期火災(zāi)預(yù)警裝置；包括腔體及探測(cè)電路，探測(cè)電路主要包括單片機(jī)、擾動(dòng)疊加單元、光發(fā)射單元、光電轉(zhuǎn)換單元、交流放大單元、采樣保持單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元。單片機(jī)利用過(guò)采樣技術(shù)，在信號(hào)通道，疊加白噪聲或三角波，以分辨率較低的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的煙霧探測(cè)，探測(cè)靈敏度可達(dá)0.0001%obs/m，探測(cè)范圍0—26%obs/m。本實(shí)用新型的運(yùn)用，降低了極早期火災(zāi)預(yù)警裝置的成本，并使之拓寬了運(yùn)用范圍。
文檔編號(hào)G01N21/53GK203037577SQ20122058942
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2012年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月10日
發(fā)明者樂(lè)志明 申請(qǐng)人:樂(lè)志明