一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件，包括濾光片、硅光電池、電流轉(zhuǎn)電壓電路、濾波電路、電壓放大電路、過壓保護(hù)電路六部分。接收煙顆粒散射光采用大光敏面的硅光電池；窄帶濾光片有效增強(qiáng)對環(huán)境光的抗干擾能力；信號處理電路主要應(yīng)用兩級運(yùn)放和若干電阻、電容依次組成將硅光電池的電流轉(zhuǎn)電壓電路、一階RC高通濾波電路，電壓放大電路，以及過壓保護(hù)電路。本發(fā)明的光學(xué)接收組件，具有裝置簡單，靈敏度高，抗外界環(huán)境干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于火災(zāi)探測領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件。
【背景技術(shù)】
[0002]在火災(zāi)發(fā)生的早期階段，絕大部分情況下都會(huì)產(chǎn)生一定量的煙霧，明火產(chǎn)生不完全燃燒顆粒組成的黑煙，陰燃火產(chǎn)生可燃物熱解而成的小液滴灰色煙霧，無論黑煙還是灰煙，都會(huì)對照射在其上的光產(chǎn)生吸收或者散射作用，根據(jù)透過煙霧路徑的光強(qiáng)度或者根據(jù)煙霧散射的光強(qiáng)，可以判斷煙霧濃度的大小，以此判定火災(zāi)發(fā)生與否。根據(jù)此原理研制成的火災(zāi)煙霧報(bào)警器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場景的火災(zāi)早期探測。
[0003]市面上絕大部分的火災(zāi)報(bào)警器接收煙霧散射光強(qiáng)的元器件是紅外光電二極管。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。由于光電二極管的接收光面積很小，將光轉(zhuǎn)化為電信號的敏感度較低，一般用在較為普通的感煙火災(zāi)探測器，對高靈敏度感煙火災(zāi)探測器應(yīng)用難度較大。
[0004]隨著光電行業(yè)的長期發(fā)展，目前娃光電池的技術(shù)已經(jīng)較為成熟。娃光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過負(fù)載。由于硅光電池的光電接收面積較大，對光轉(zhuǎn)化為電信號的能力較強(qiáng)，可以直接產(chǎn)生一定的電壓，可以用于高靈敏度感煙火災(zāi)探測器的接收組件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件，包括濾光片、硅光電池、電流轉(zhuǎn)電壓電路、濾波電路、電壓放大電路、過壓保護(hù)電路六部分；其中:
[0008]濾光片為窄帶濾光片，窄帶濾光片大小、形狀和硅光電池光敏面相同，通過濾光片的光波長和所述火災(zāi)煙霧報(bào)警器的發(fā)射光波長一致，濾光片置于硅光電池光敏面前面，用少量熱熔膠在濾光片四周外圍將其與硅光電池粘合一起；
[0009]選擇敏感光和所述火災(zāi)煙霧報(bào)警器發(fā)射光波長相同或者至少相近的硅光電池，硅光電池兩腳的正負(fù)極，分別標(biāo)示為“SS+”和“SS-”;將“SS+”連接到“地”和運(yùn)算放大器的同相輸入，“SS-”連接到運(yùn)算放大器的反相輸入，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”電路特性，將Rl和C2并聯(lián)，然后接到運(yùn)算放大器輸出端和反相輸入端之間，完成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋，電流轉(zhuǎn)電壓電路輸出電壓值\ = I*R1 ;將\后端接入一階RC高通濾波電路；
[0010]濾波電路后端將接入電壓信號放大電路，放大后電壓為Vout ;經(jīng)過放大的電壓信號再經(jīng)過開關(guān)二極管組成的過壓保護(hù)電路，Vout接到開關(guān)二極管的共端，開關(guān)二極管的另外兩個(gè)腳分別一個(gè)接參考電壓，一個(gè)接地，這樣信號線上出現(xiàn)高于參考電壓的信號則被釋放到參考電源，出現(xiàn)負(fù)電壓的信號則被釋放到地線上，起到保護(hù)后端電路的目的。
[0011]與已有的火災(zāi)報(bào)警器散射光接收組件相比，本發(fā)明采用大光敏面的硅光電池，對微弱散射光探測能力大大提高，具有探測出較低火災(zāi)煙霧濃度的能力，因此可以應(yīng)用于高靈敏度的火災(zāi)感煙探測報(bào)警器；對于高靈敏度的火災(zāi)探測器，自然光、燈光等外界環(huán)境光會(huì)對探測器造成一定干擾，與散射光波長、硅光電池最敏感光波長相同的窄帶濾光片的使用，可以大大減小環(huán)境光變化對探測器的影響；使用兩級運(yùn)算放大器構(gòu)成電流轉(zhuǎn)電壓以及電壓放大電路，電路簡單，功能穩(wěn)定可靠；一階RC高通濾波電路，選擇合適的電阻和電容值，配合一定頻率的脈沖散射光信號，可以有效濾掉低通干擾信號；過壓保護(hù)電路，出現(xiàn)輸出電壓高于參考電壓的信號則被釋放到參考電源，出現(xiàn)負(fù)電壓的信號則被釋放到地線上，起到保護(hù)后端電路的目的；本發(fā)明的感煙報(bào)警器接收組件，具有裝置簡單，靈敏度高，抗外界環(huán)境干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器接收組件的整體構(gòu)成圖；
[0013]圖2為本發(fā)明的高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器接收組件的信號處理電路。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0015]實(shí)施例1:
[0016]高靈敏度感煙火災(zāi)探測器要求在比較稀疏的煙霧濃度(煙霧濃度在透光率96%/英尺以上)條件下，能夠?qū)Ρ粺燁w粒散射的微弱光線進(jìn)行探測，本發(fā)明針對此要求，選用光接收面積較大的娃光電池。根據(jù)本文的研究，娃光電池在外界負(fù)載較小時(shí)(負(fù)載小于IOk),可以作為恒流源，受到的光強(qiáng)和電流成線性增長關(guān)系。本發(fā)明選擇合適的負(fù)載和電路，將硅光電池恒流源電路轉(zhuǎn)化為電壓值，然后將電壓值進(jìn)一步放大，最后被AD采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，便于后續(xù)分析。
[0017]本實(shí)例采用的探測器光源為波長850nm，連續(xù)發(fā)射功率ImW的半導(dǎo)體激光管發(fā)出的Ims的脈沖光源，因此選擇的窄帶寬濾波片為海龍牌850-1型號，其中心波長為850nm+-10nm,厚度0.55mm,半帶寬為30nm,峰值透射率大于86% ;娃光電池選用的是深圳龍信達(dá)有限公司生產(chǎn)的LXD66CE-N，峰值波長850nm，光敏面積為5.7mm*5.7mm ;運(yùn)算放大器選用的是低失調(diào)電壓，低偏置電流的雙運(yùn)算放大器AD8552，其第一級運(yùn)放用于將電流轉(zhuǎn)電壓電路，第二級運(yùn)放用于電壓放大電路；過壓保護(hù)電路里面的開關(guān)二極管使用的是BAV99，具體電路參數(shù)如下:R1 = 100K, R2 = 1M, R3 = 10K, R4 = 1M，R5 = O Ω，電容 Cl 為 104，C2為22p，C3為103，C4為103 ;運(yùn)放電源電壓為+5V, BAV99的I腳和2腳分別接地線和+3V ；各個(gè)組件之間的相連關(guān)系如下:
[0018]窄帶濾光片大小、形狀和硅光電池光敏面相同，通過濾光片的光波長和煙霧報(bào)警器的發(fā)射光波長一致，濾光片置于硅光電池光敏面前面，用少量熱熔膠在濾光片四周外圍將其與娃光電池粘合一起；選擇敏感光和報(bào)警器發(fā)射光波長相同或者至少相近的娃光電池，將萬用表選擇直流“mV”級，測出硅光電池兩腳的正負(fù)極，分別標(biāo)示為“SS+”和“SS-”;將“SS+”連接到“地-GND”和運(yùn)算放大器的同相輸入，“SS-”連接到運(yùn)算放大器的反相輸入，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”電路特性，將Rl和C2并聯(lián)，然后接到輸出和反相輸入端，完成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋，電流轉(zhuǎn)電壓輸出電壓值Vtl = I*R1 ;將Vtl后端接入一階RC高通濾波電路；濾波電路后端將接入電壓信號放大電路，放大后電壓為Vout = V0/R3* (R3+R4)；經(jīng)過放大的電壓信號再經(jīng)過開關(guān)二極管組成的過壓保護(hù)電路，Vout接到開關(guān)二極管的共端，開關(guān)二極管的另外兩個(gè)腳分別按照使用說明的要求，一個(gè)接參考電壓一個(gè)接地，這樣信號線上出現(xiàn)高于參考電壓的信號則被釋放到參考電源，出現(xiàn)負(fù)電壓的信號則被釋放到地線上，起到保護(hù)后端電路的目的；
[0019]與已有的火災(zāi)報(bào)警器散射光接收組件相比，本發(fā)明采用大光敏面的硅光電池，對微弱散射光探測能力大大提高，具有探測出較低火災(zāi)煙霧濃度的能力，因此可以應(yīng)用于高靈敏度的火災(zāi)感煙探測報(bào)警器；對于高靈敏度的火災(zāi)探測器，自然光、燈光等外界環(huán)境光會(huì)對探測器造成一定干擾，與散射光波長、硅光電池最敏感光波長相同的窄帶濾光片的使用，可以大大減小環(huán)境光變化對探測器的影響；使用兩級運(yùn)算放大器構(gòu)成電流轉(zhuǎn)電壓以及電壓放大電路，電路簡單，功能穩(wěn)定可靠；一階RC高通濾波電路，選擇合適的電阻和電容值，配合一定頻率的脈沖散射光信號，可以有效濾掉低通干擾信號；過壓保護(hù)電路，出現(xiàn)輸出電壓高于參考電壓的信號則被釋放到參考電源，出現(xiàn)負(fù)電壓的信號則被釋放到地線上，起到保護(hù)后端電路的目的；
[0020]本實(shí)例應(yīng)用在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的高靈敏度激光感煙火災(zāi)煙霧探測器，通過在滿足國標(biāo)《GB4715-2005點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器》要求的標(biāo)準(zhǔn)燃燒室內(nèi)燃燒試驗(yàn)，無論正庚烷、聚氨酯泡沫明火還是棉繩、木材熱解陰燃火，在煙霧透光率90% /ft之上，該接收組件都能夠滿足高靈敏度探測的要求。本發(fā)明的感煙報(bào)警器接收組件，具有裝置簡單，靈敏度高，抗外界環(huán)境干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度火災(zāi)煙霧報(bào)警器的光學(xué)接收組件，其特征在于，包括濾光片、硅光電池、電流轉(zhuǎn)電壓電路、濾波電路、電壓放大電路、過壓保護(hù)電路六部分；其中: 濾光片為窄帶濾光片，窄帶濾光片大小、形狀和硅光電池光敏面相同，通過濾光片的光波長和所述火災(zāi)煙霧報(bào)警器的發(fā)射光波長一致，濾光片置于硅光電池光敏面前面，用少量熱熔膠在濾光片四周外圍將其與硅光電池粘合一起； 選擇敏感光和所述火災(zāi)煙霧報(bào)警器發(fā)射光波長相同或者至少相近的娃光電池，娃光電池兩腳的正負(fù)極，分別標(biāo)示為“SS+”和“SS-”;將“SS+”連接到“地”和運(yùn)算放大器的同相輸入，“SS-”連接到運(yùn)算放大器的反相輸入，根據(jù)運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”電路特性，將Rl和C2并聯(lián)，然后接到運(yùn)算放大器輸出端和反相輸入端之間，完成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋，電流轉(zhuǎn)電壓電路輸出電壓值Vtl = I*R1 ;將Vtl后端接入一階RC高通濾波電路； 濾波電路后端將接入電壓信號放大電路，放大后電壓為Vout ;經(jīng)過放大的電壓信號再經(jīng)過開關(guān)二極管組成的過壓保護(hù)電路，Vout接到開關(guān)二極管的共端，開關(guān)二極管的另外兩個(gè)腳分別一個(gè)接參考電壓， 一個(gè)接地，這樣信號線上出現(xiàn)高于參考電壓的信號則被釋放到參考電源，出現(xiàn)負(fù)電壓的信號則被釋放到地線上，起到保護(hù)后端電路的目的。
【文檔編號】G01N21/01GK103903383SQ201410166770
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】張和平, 楊慎林, 陸松, 付陽陽, 王潔, 劉長城, 胡洋 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)