立體多角度激光煙霧散射測量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)新型屬于火災(zāi)探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種立體多角度激光煙霧散射測量裝置。它包括激光發(fā)射器及穩(wěn)壓電源、帶有受光元件硅光電池的激光接收器及與之相連的計(jì)算機(jī)，以及固定在燃燒室上方的密閉的球形散射室，該球形散射室上下端設(shè)有進(jìn)出管道，上出氣管道連接抽氣泵，下進(jìn)氣管與燃燒室上方的喇叭口連通，進(jìn)、出管道的中軸線重合，且與水平面垂直；激光發(fā)射器發(fā)射頭安裝在球形散射室壁的發(fā)射通孔中，該發(fā)射通孔軸線與上下進(jìn)、出管道的軸線相互垂直，并與球形散射室球心所在水平面重合；激光接收器的受光元件硅光電池安裝在球形散射室壁上的接收通孔中，每個接收通孔的軸線通過球形散射室的球心，并與球形散射室球心所在水平面相交角在0°-90°范圍內(nèi)。
【專利說明】立體多角度激光煙霧散射測量裝置
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0002]本實(shí)新型屬于火災(zāi)探測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及激光煙霧散射測量裝置。
[0003]【背景技術(shù)】:
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，對燃燒煙霧散射光測量通常的做法是，將激光發(fā)射器和激光接收器設(shè)置在一個水平面內(nèi)，使激光發(fā)射器發(fā)射的激光光線水平照射到運(yùn)動的煙顆粒上，激光被煙顆粒散射后產(chǎn)生出射激光，測量的出射激光方向通常和入射激光、煙顆粒在一個水平面上。例如ZLOl 138013.6 (三波長全散射激光感煙火災(zāi)探測方法及其裝置)中公開了一種測量裝置，該裝置由激光器發(fā)出三種不同波長的激光，射入煙霧散射室中，被煙霧衰減后，出射到光電接受管轉(zhuǎn)換為電信號，然后對電信號采集處理分析；此裝置的缺陷在于發(fā)射激光、煙顆粒、測量散射后的激光均在一條直線上，無法測量和發(fā)射激光不在一個方向，甚至不在一個水平面上的散射光強(qiáng)。
[0005]2005年I月《中國工程科學(xué)》第7卷第I期的“火災(zāi)煙霧顆粒的光學(xué)散射特性研究”文章中，以研究火災(zāi)煙霧顆粒散射常用的米氏(Mie)散射理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為對于不均勻介質(zhì)(如燃燒煙霧)，在各個方向上都會產(chǎn)生散射光，散射光強(qiáng)大小與入射光的光強(qiáng)及波長、顆粒的幾何尺寸及折射率、接收方向及距離等多個因素有關(guān)；該文實(shí)驗(yàn)裝置是，在與激光光源成60、90、120度的位置擺放上3臺CXD攝像機(jī)，三臺CXD攝像機(jī)正對探測腔中心；該裝置的最大缺陷是CCD攝像機(jī)、激光光源、探測腔室均在同一個水平面上，且僅能測量3個水平角度上的散射光強(qiáng)。
[0006]ZL01138014.4 (一種吸氣式激光圖像感煙火災(zāi)探測方法和裝置)用抽氣泵將待測煙霧或氣溶膠吸入煙霧探測室中，利用CCD攝像機(jī)拍攝煙霧粒子在激光作用下產(chǎn)生的散射圖像，采集圖像信號進(jìn)行處理分析，能夠判斷出“火災(zāi)煙霧”還是“非火災(zāi)煙霧”;采用的裝置中激光光束水平穿過探測室中心，與煙氣流動方向(自下而上)垂直，CCD攝像機(jī)安裝在煙霧探測室的底部透明觀察窗的下部，和激光相垂直；裝置的局限性在于只可以用CCD攝像機(jī)測量煙霧垂直向下方向散射的激光信息，角度唯一且不容易改變。
[0007]隨著對火災(zāi)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)火災(zāi)煙霧中的火煙粒子對于光的散射強(qiáng)度在空間上是不一樣的，燃燒煙霧的微觀形態(tài)并非球體，而是若干個微小顆粒組成的不規(guī)則的凝聚態(tài)，隨著垂直的熱羽流浮力運(yùn)動，煙霧顆粒的形態(tài)在水平和垂直方向上是不一致的。因此，對于激光散射光強(qiáng)在水平和垂直方向上也是不相同的，但現(xiàn)有的對于燃燒煙霧在激光照射下的散射光測量，大多局限于水平面方向上的散射光或者垂直角度方向上，并且不容易改變測量的散射角度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)新型的目的是提出一種立體多角度激光煙霧散射測量裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，達(dá)到同時對燃燒煙粒子三維空間方向上激光散射強(qiáng)度的測量。
[0009]本實(shí)新型的技術(shù)方案如下:
[0010]本實(shí)新型的立體多角度激光煙霧散射測量裝置，主要包括激光發(fā)射器及其穩(wěn)壓電源、帶有受光元件硅光電池的激光接收器以及與之相連的計(jì)算機(jī)，其特征在于，它還包括有一個固定在燃燒室上方的密閉的球形散射室，該球形散射室的上下端設(shè)有進(jìn)出管道，上端的出氣管道上連接有抽氣泵，下端的進(jìn)氣管與燃燒室上方的喇叭口連通，進(jìn)、出管道的中軸線重合，且與水平面垂直；所述激光發(fā)射器設(shè)置在球形散射室的周邊近處，其發(fā)射頭安裝在球形散射室壁的發(fā)射通孔中，該發(fā)射通孔的軸線與上下進(jìn)、出管道的軸線相互垂直，并與球形散射室球心所在水平面重合；所述激光接收器的受光元件硅光電池分別安裝在球形散射室壁上的接收通孔中，每個接收通孔的軸線通過球形散射室的球心，其接收通孔軸線與球形散射室球心所在的水平面相交角在0° -90°范圍內(nèi)。
[0011]為了保證能測量到激光不同方向上的散射光強(qiáng)，所述在球形散射室壁上的用以安裝硅光電池接收通孔中，至少有一個接收通孔的軸線與球形散射室球心所在的水平面的相交角大于0°。
[0012]與已有的測量燃燒煙霧的散射光強(qiáng)與角度關(guān)系的裝置相比較，已有的測量裝置大多局限于水平面方向上的散射光或者垂直的幾個角度方向上，并且不容易改變測量的散射角度；本實(shí)新型的散射室為球形，煙霧在抽氣泵的作用下，在球體散射室內(nèi)的總體運(yùn)動方向?yàn)橛上峦?，但燃燒煙霧的形態(tài)不規(guī)則性決定了煙霧對激光散射強(qiáng)度在空間角度上的不同。由于在球形散射室的球面上的任意位置可以設(shè)置用作接收散射光強(qiáng)的多個硅光電池，因此不同的硅光電池可以分別接收到和煙霧運(yùn)動方向成任意角度的散射光強(qiáng)信號。也就是說，本實(shí)新型可以在任意的空間角度測量被煙霧散射的激光強(qiáng)度，將以往的平面的測量擴(kuò)展為三維測量，從而可以根據(jù)測量的煙霧對激光立體多角度的散射強(qiáng)度矩陣，可以研究火災(zāi)煙粒子的微觀形態(tài)，分析得到更為細(xì)致的燃燒煙霧的分形凝聚特征；在對燃燒煙霧立體多角度散射強(qiáng)度的測量以及微觀形態(tài)的分析后，改進(jìn)現(xiàn)在的光電煙霧火災(zāi)探測器煙室的進(jìn)煙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更為合理的煙霧散射光的探測角度，提高現(xiàn)有的光電煙霧火災(zāi)探測器的靈敏度并且降低其誤報率。
[0013]下面通過實(shí)施例及其附圖作進(jìn)一步描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)新型所述立體多角度激光煙霧散射測量裝置的一種實(shí)施例示意圖；
[0015]【具體實(shí)施方式】。
[0016]實(shí)施例1
[0017]參見圖1，球體散射室I為左右兩個空心半球體合起來的球體，它被固定安放在支架2上，該支架上面為板狀，將球體和下面的燃燒室5分隔開。在球體散射室底部和頂部分別開有孔，用以密封連接進(jìn)氣管3和排氣管4，管道直徑均為20mm，安裝孔直徑分別為20.1mm。兩根管道同軸線且通過球體散射室的球心，并與水平面垂直。進(jìn)氣管3穿過支架隔板，其下端連接燃燒室5，排氣管4與抽氣泵6連接。用于發(fā)射激光的激光發(fā)射器及其穩(wěn)壓電源7安放在球體散射室左側(cè)支架上，其發(fā)射頭激光模組8安裝在球形散射室壁的發(fā)射通孔中，該發(fā)射通孔的軸線正好與球體散射室球心在同一個水平面上。受光元件硅光電池9安裝在球體散射室壁面上的通孔中，其位置分別是水平面和激光方向入射方向呈60度、90度、120度三個，垂直面和入射激光方向呈60度、90度、120度、負(fù)60度、負(fù)90度、負(fù)120度六個，實(shí)例中僅僅采用了 9個散射角度作為例子，實(shí)際上可以在球體散射室壁面任意位置打通孔，方便的安裝硅光電池。受光元件硅光電池采集到散射光強(qiáng)信號后產(chǎn)生光電效應(yīng)，輸出電壓值，該電壓值分別被數(shù)據(jù)采集卡10采集，在這里進(jìn)行電壓放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過串口 RS-232數(shù)據(jù)線11輸出到電腦12上。電腦12使用通用的串口調(diào)試軟件，設(shè)置好波特率、校驗(yàn)碼等基本的串口通信參數(shù)，得到被燃燒煙霧散射的激光功率大小以及相對應(yīng)的散射角度。
[0018]本實(shí)施例中，所述球體散射室I為由左右兩個空心半球體合在一起組成的鋁球體，球體外徑為600mm,壁厚2_。所述的激光發(fā)射頭激光模組8采用近紅外波長850nm,輸入電壓5V，發(fā)射激光功率10mW，直徑12mm，長度36mm ;穩(wěn)壓電源7設(shè)定輸出電壓5V，最大輸出電流500mA。所述受光元件硅光電池9敏感的光波長和激光模組8發(fā)射的激光波長一致。本例采用的激光模組8外徑為12_，在球體散射室I壁面上安裝孔直徑為12.1_，硅光電池9外徑為9mm，在球體散射室I壁面上的安裝孔的直徑為9.1mm。
[0019]為了保證球體散射室I內(nèi)腔中為光封閉狀態(tài)，本實(shí)施例在安裝進(jìn)出管道、激光模組8和硅光電池9時均使用了熱熔膠、石蠟等進(jìn)行固定和密封處理。
[0020]本實(shí)施例裝置的操作過程是:
[0021]打開電腦12和數(shù)據(jù)采集卡10，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡10中單片機(jī)程序設(shè)定的波特率9600、校驗(yàn)位N0NE、8位數(shù)據(jù)位和停止位，設(shè)置串口調(diào)試助手軟件中響應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)電腦12連接串口線11的端口設(shè)置串口號，采集到硅光電池9測量的電壓值數(shù)字量(沒有激光的時候，硅光電池也會產(chǎn)生一定的背景電壓值)；打開穩(wěn)壓電源7，給激光模組8供電，發(fā)射穿過球體散射室I球心的激光；在燃燒室5內(nèi)點(diǎn)燃棉繩標(biāo)準(zhǔn)火，燃燒至煙霧充滿燃燒室5 ;打開抽氣泵6，煙霧由燃燒室5抽進(jìn)球體散射室1，至球體散射室I內(nèi)充滿燃燒煙霧；操作串口調(diào)試助手軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄，I分鐘后，保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉串口調(diào)試助手軟件；滅火、關(guān)閉電源、抽氣泵、清潔裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種立體多角度激光煙霧散射測量裝置，主要包括激光發(fā)射器及其穩(wěn)壓電源、帶有受光元件硅光電池的激光接收器以及與之相連的計(jì)算機(jī)，其特征在于，它還包括有一個固定在燃燒室上方的密閉的球形散射室，該球形散射室的上下端設(shè)有進(jìn)出管道，上端的出氣管道上連接有抽氣泵，下端的進(jìn)氣管與燃燒室上方的喇叭口連通，進(jìn)、出管道的中軸線重合，且與水平面垂直；所述激光發(fā)射器設(shè)置在球形散射室的周邊近處，其發(fā)射頭安裝在球形散射室壁的發(fā)射通孔中，該發(fā)射通孔的軸線與上下進(jìn)、出管道的軸線相互垂直，并與球形散射室球心所在水平面重合；所述激光接收器的受光元件硅光電池分別安裝在球形散射室壁上的接收通孔中，每個接收通孔的軸線通過球形散射室的球心，其接收通孔軸線與球形散射室球心所在的水平面相交角在0° -90°范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的立體多角度激光煙霧散射測量裝置，其特征在于，所述在球形散射室壁上的用以安裝硅光電池接收通孔中，至少有一個接收通孔的軸線與球形散射室球心所在的水平面的相交角大于0°。
【文檔編號】G08B17/107GK203596075SQ201320736542
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】張和平, 楊慎林, 陸松, 王潔, 張丹, 胡洋 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)