专利名称：一种高灵敏度烟雾检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及火灾报警领域，尤其是一种低成本、高灵敏度的极早期火灾预警
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背景技术：
目前，在火灾报警领域，有一种极早期火灾预警装置，通过管道采样，将保护区域的空气输送到探测腔，在探测腔内，以光电检测采样空气中的颗粒散射光强度来确定烟雾颗粒浓度，由于探测灵敏度非常高，可达0.001%obs/m，基本上实现了火灾酝酿阶段的预警。这种主动、高灵敏度的探测方式，比目前广泛使用的被动探测的烟感探头(灵敏度一般达
2-5%obs/m)，效果显著提高，成本也高得很多。其中成本最高的就是探测腔内的光电检测部分，由于要实现高灵敏度的烟雾检测，其电路往往采用速度较高、分辨率较高的模拟数字转换芯片，这种芯片成本都很高。有些极早期火灾预警装置采用管路扫描方式，多区共用一个探测腔，虽然降低了成本，但也降低了探测可靠性、增加了反应时间。高成本严重影响了极早期火灾预警装置的推广使用，使之目前仅局限运用于某些特殊领域。
发明内容本实用新型的目的就是针对上述存在的问题，提供一种烟雾检测装置，该装置具有极早期烟雾探测装置的高灵敏度，同时降低成本，以便于广泛使用。本实用新型的 技术方案是:一种高灵敏度烟雾检测装置，包括腔体及探测电路，其特征在于:探测电路主要包括单片机、扰动叠加单元、光发射单元、光电转换单元、交流放大单元、采样保持单元、模/数转换单元；单片机与光发射单元连接，光电转换单元与交流放大单元连接，交流放大单元与采样保持单元连接，采样保持单元与模/数转换单元连接，模/数转换单元与单片机连接。上述腔体包括一个采样空气的入口和出口。上述模/数转换单元可以是分辨率较低的逐次比较型模拟/数字转换芯片，分辨率可以为10位、12位。上述扰动叠加单元，可以连接在单片机与光发射单元之间，也可以连接在交流放大单元与采样保持单元之间，其叠加信号可以是白噪声，也可以是三角波，在电路热噪声强度足够的情况下，可以省略。上述采样保持单元、模/数转换单元、扰动叠加单元可以集成在单片机中。上述光发射单元,包括激光或LED。上述光电转换单元，包括光电传感器及相应的电流电压转换电路。上述交流放大单元，包含集成运算放大器和隔直电容。根据奈奎斯特采样定理，当采样频率大于信号频率的2倍以上时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样，这使得量化噪声大部分分布在信号频带之外的高频区域，而分布在信号频带之内的量化噪声就会相应的减少，于是，通过低通滤波器滤掉信号频带以上的噪声分量，就可以提高系统的信噪比，同时提高模拟数字转换分辨力。相关的理论表明，在信号叠加白噪声的情况下，每增加4倍采样频率，就可以提高模拟数字转换I位分辨力；在叠加三角波的情况下，每提高2.2倍采样频率，可以提高I位模拟数字转换分辨力。在本实用新型中，就是利用过采样原理来提高烟雾检测灵敏度的。采样空气经腔体入口进入，经探测电路检测后，从腔体出口流出。探测时，单片机发出控制信号，经扰动叠加单元叠加一定幅度扰动信号(白噪声或三角波信号)后输出至光发射单元，光发射单元发出的光经烟雾离子前向散射，由光电转换单元接收，经过交流放大单元放大后输出至采样保持单元，经模/数转换单元转换成数字信号，输入单片机，完成一次数据采样。单片机关闭控制信号一定时间后，再次采样数据。最后单片机计算多次采样数据，进行低通滤波处理后，得出的数据分辨率比模/数转换单元的实际分辨率要高。这就实现了用低成本、低分辨率的模/数转换芯片，得到高灵敏度烟雾检测结果。
图1是本实用新型的技术方案结构图。图2、图3、图4是本实用新型的一个实施例。
具体实施方式
在图2中，单片式为芯片U9，型号为STM32F100R8T6，扰动叠加单元由单片机中的数字/模拟转换�？楣钩桑直媛饰�12比特；采样保持单元、模/数转换单元由单片机中的模拟/数字转换�？楣钩桑糁鸫伪冉闲停直媛饰�12比特，最高转换速率857K次。在图3中，光电传感器SENl与放大器IClA构成光电转换单元，放大器IC1B、IC2A与隔直电容C2、C5构成两级交流放大单元。在图4中，放大器U5A、U5B与PMOS管Q6以及高亮度发光二极管Dl构成光发射单
J Li ο上述�？槭钦庋ぷ鞯�:1、采样空气从腔体入口进入。2、单片机设置采样保持单元、模/数转换单元的参数，采样频率为55.5个周期，采样转换频率为68个周期，采样转换时间为5.7us。3、单片机设置扰动叠加单元的参数，数字模拟转换�？樯柚梦ㄐ尾Ｊ剑绻哦自肷瓤梢陨柚梦�5比特；如果是三角波，最大幅度可以设置为127。触发方式为软件触发。4、单片机通过数字模拟转换�？椋涑隹刂菩藕诺焦獾绶⑺偷ピ涑�650毫安电流，控制Dl发出稳定的蓝光，经烟雾粒子前向散射后，由光电传感器SENl接收，经放大器IClA处理后，光电流转换为电压信号；经放大器IC1B、IC2A两级交流放大后输入单片机的模拟数字转换�？�。5、单片机读取模拟数字转换结果，单片机发出控制信号，关闭Dl发光，延迟5us时间，完成一次米样。6、重复4一5步骤，在扰动为白噪声的情况下，采样4N次，N为欲增加的模/数转换比特数，并将上述采样结果相加，实现低通滤波，将结果右移N次，得到的结果就是分辨率为12+N的模拟数字转换结果；在扰动为三角波的情况下，采样2N+1次，采样结果相加后，结果加I右移I次即可得到结果。7、当N=6时，可以实现18比特的模拟数字转换，在扰动为白噪声的情况下，转换速率为22次。在扰动为三角波情况下，转换速率为730次。8、在上述情况下，烟雾灵敏度可达0.0001%obs/m，测量范围为O — 26%obs/m。9、由于烟雾采样频率一般为每秒I次，上述单片机具有多路模拟数字输入通道，故上述实施例中，可以同时探测多路烟雾。10、在上述实施例中，由于交流放大器中隔直电容影响，不可以在发光二极管Dl发光时，实现多次采样，只能发光一次，采样一次。
权利要求1.一种高灵敏度烟雾检测装置，包括腔体及探测电路，其特征在于:探测电路包括单片机、扰动叠加单元、光发射单元、光电转换单元、交流放大单元、采样保持单元、模/数转换单元；单片机与光发射单元连接，光电转换单元与交流放大单元连接，交流放大单元与采样保持单元连接，采样保持单元与模/数转换单元连接，模/数转换单元与单片机连接。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述腔体包括一个采样空气的入口和出口。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述模/数转换单元是分辨率较低的逐次比较型模拟/数字转换芯片，分辨率为10位、12位。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述扰动叠加单元，连接在单片机与光发射单元之间，或者连接在交流放大单元与采样保持单元之间，其叠加信号是白噪声，或者是三角波，在电路热噪声强度足够的情况下，或者是热噪声。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述采样保持单元、模/数转换单元、扰动叠加单元集成在单片机中。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述光发射单元，包括激光或LED。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述光电转换单元，包括光电传感器及相应的电流电压转换电路。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度烟雾检测装置，其特征在于:所述交流放大单元，包含集成运算放大器和隔直电容。
专利摘要一种高灵敏度烟雾检测装置，涉及火灾报警领域，尤其是一种低成本、高灵敏度的极早期火灾预警装置；包括腔体及探测电路，探测电路主要包括单片机、扰动叠加单元、光发射单元、光电转换单元、交流放大单元、采样保持单元、模/数转换单元。单片机利用过采样技术，在信号通道，叠加白噪声或三角波，以分辨率较低的模拟数字转换�？椋迪至烁吡槊舳鹊难涛硖讲猓讲饬槊舳瓤纱�0.0001%obs/m，探测范围0—26%obs/m。本实用新型的运用，降低了极早期火灾预警装置的成本，并使之拓宽了运用范围。
文档编号G01N21/53GK203037577SQ20122058942
公开日2013年7月3日 申请日期2012年11月10日 优先权日2012年11月10日
发明者乐志明 申请人:乐志明
