專利名稱：一種火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火災(zāi)探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及火災(zāi)煙顆粒光散射的斯托克斯散射矩陣的測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
英國出版的《火災(zāi)安全期刊》(Fire Safety Journal，1997，第29卷，第77-85頁)指出，煙顆粒是火災(zāi)早期的重要特征參量之一，煙顆粒光散射特征的測量與挖掘?qū)τ诠怆姼袩熁馂?zāi)探測技術(shù)的發(fā)展具有重要的作用。而《火災(zāi)安全期刊》(Fire Safety Journal，1997，第29卷，第185-194頁)提到的一種火災(zāi)煙顆粒光散射實(shí)驗(yàn)裝置，在半圓環(huán)上安裝多路光電倍增管測量煙顆粒的光散射特征，該裝置只能夠測量散射光的光強(qiáng)與線偏振度，這2項(xiàng)參量僅僅是詳細(xì)描述煙顆粒光散射信息的斯托克斯散射矩陣中的2個(gè)元素，無法對(duì)斯托克斯散射矩陣中所有16個(gè)元素進(jìn)行測量而損失了大量的煙顆粒光散射信息；此外，該裝置的圓環(huán)上安裝的光電倍增管數(shù)目有限，只能測量相應(yīng)離散角度上的散射光，粗略分析散射信號(hào)的角度分布趨勢，而無法以較小的角度步長細(xì)致地測量散射光信號(hào)的角度分布特征，即該裝置測量的散射光信號(hào)的角度分辨率較低，精度較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法及裝置，能夠以較高的精度與角度分辨率測量煙顆粒的斯托克斯散射矩陣中所有16個(gè)元素。
本發(fā)明的火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量裝置，包括在激光器1出射的激光束入射至噴煙頭7噴出的煙顆粒6而形成的散射光點(diǎn)周圍安裝接收散射光信號(hào)的第一光電倍增管16；其特征在于由激光器1出射的激光束在入射至煙顆粒6之前先經(jīng)過第一偏振片2，并經(jīng)由電光調(diào)制器3進(jìn)行調(diào)制；用于安裝光學(xué)與機(jī)械器件的光學(xué)平臺(tái)22的中心開有孔5，具有開孔的轉(zhuǎn)盤4置于光學(xué)平臺(tái)22的正中心，噴煙頭7通過三維調(diào)節(jié)部件8固定于光學(xué)平臺(tái)22的中心位置上，轉(zhuǎn)臂17固定于轉(zhuǎn)盤4上，馬達(dá)18驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂17繞煙顆粒6轉(zhuǎn)動(dòng)，在第一光電倍增管16前方的光路上依次設(shè)有第二偏振片15、1/4波片14和準(zhǔn)直小孔13，這四個(gè)器件封裝于盒子12里并通過三維調(diào)節(jié)部件11安裝于轉(zhuǎn)臂17上，在煙顆粒光散射的另一半圓周的某一固定散射角度上，沿著散射光的光路依次安裝準(zhǔn)直小孔9和第二光電倍增管10，所述第二光電倍增管10和第一光電倍增管16的信號(hào)輸出端接鎖相放大器21的信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)20的并口輸出信號(hào)端與馬達(dá)18的信號(hào)輸出端連接，計(jì)算機(jī)20的串口與鎖相放大器21的串口連接，信號(hào)發(fā)生器19的信號(hào)輸出端接光電調(diào)制器3與鎖相放大器21的信號(hào)輸入端。
本發(fā)明的火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法，包括對(duì)激光束入射至煙顆粒形成的散射光進(jìn)行光電倍增測量；其特征在于激光束經(jīng)過第一偏振片后用電光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，然后入射至煙顆粒發(fā)生光散射，光電倍增測量器件前端裝有1/4波片和第二偏振片，使第一偏振片、電光調(diào)制器、1/4波片和第二偏振片的光軸方向分別為(a)“0°，-45°，--，--”；(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符號(hào)“--”表示該器件不用，在上述8個(gè)組合條件下，分別測量散射光信號(hào)的直流、一階諧波和二階諧波分量在半圓周上的分布；在某一固定散射角度上測量散射光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，將在半圓周上測量的各階散射光信號(hào)除以該固定散射角度上測得曲線對(duì)應(yīng)時(shí)刻的光強(qiáng)值得到矯正的各階散射光信號(hào)分量；直接從第(a)和第(e)組合條件下測得的經(jīng)矯正后的直流、一階諧波和二階諧波信號(hào)，得到4個(gè)矩陣元素F11(θ)、F12(θ)、F13(θ)和F14(θ)，將第(b)、(c)和(d)組合條件下測量的經(jīng)矯正后的的各階信號(hào)減去第(a)組合條件下的相應(yīng)測量值，以及將第(f)、(g)和(h)組合條件下測量的經(jīng)矯正后的的各階信號(hào)減去第(e)組合條件下的相應(yīng)測量值，從而得到煙顆粒斯托克斯散射矩陣中其余12個(gè)元素的角度分布特征；所述測量的煙顆粒斯托克斯散射矩陣是指下式所示的4×4的矩陣F(θ)Isca(θ)Qsca(θ)Usca(θ)Vsca(θ)=1r21k2·F11(θ)F12(θ)F13(θ)F14(θ)F21(θ)F22(θ)F23(θ)F24(θ)F31(θ)F32(θ)F33(θ)F34(θ)F41(θ)F42(θ)F43(θ)F44(θ)·IincQincUincVinc.]]>現(xiàn)有裝置只能夠測出散射光的光強(qiáng)與線偏振度，而本發(fā)明由于對(duì)入射激光采用偏振片與電光調(diào)制器進(jìn)行了調(diào)制，并在接收散射光信號(hào)的第一光電倍增管前端安裝1/4波片與第二偏振片，利用鎖相放大器采集散射光的直流信號(hào)與諧波信號(hào)，通過轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可測量煙顆粒斯托克斯散射矩陣中的所有元素的角度分布曲線，因此，本發(fā)明能夠測量出豐富得多的煙顆粒光散射信息，為光電感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)挖掘出更多新判據(jù)。
現(xiàn)有裝置散射光信號(hào)測量的角度分辨率較低，該裝置在一個(gè)直徑為0.3米的半圓周上安裝了14個(gè)光電倍增管，整個(gè)裝置已相當(dāng)擁擠，此時(shí)對(duì)應(yīng)的角度分辨率僅為12°，即每隔12°測量一個(gè)角度上的散射光信號(hào)，只能由這幾個(gè)離散角度上測量值粗略分析散射信號(hào)的角度分布趨勢。而本發(fā)明通過馬達(dá)控制轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，由安裝于轉(zhuǎn)臂之上始終對(duì)準(zhǔn)散射光點(diǎn)的第一光電倍增管測量散射光的角度分布，通過馬達(dá)控制轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠達(dá)到很高的精度，例如馬達(dá)每走一步轉(zhuǎn)臂僅僅轉(zhuǎn)動(dòng)0.0045°，故本發(fā)明能夠以很小的角度步長詳細(xì)測量散射光的角度分布特征。
針對(duì)實(shí)際測量的煙顆粒濃度略有變化，而某一固定散射角度的上的散射光強(qiáng)值由煙顆粒濃度決定，本發(fā)明采取在圓周上的某一固定散射角度上采用第二光電倍增管測量散射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線，將第一倍增管測得的散射光信號(hào)除以第二倍增管測得的相應(yīng)時(shí)刻上的散射光強(qiáng)，從而消除了煙顆粒濃度變化帶來的影響，提高了測量精度。
與現(xiàn)有通過在半圓周上安裝多個(gè)光電倍增管測量煙顆粒散射光的光強(qiáng)與線偏振度的裝置相比，本發(fā)明能夠以較高的角度分辨率和精度測量煙顆粒的斯托克斯散射矩陣中所有元素的角度分布，從而為光電感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)挖掘出更多的信息。


圖1為本發(fā)明火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法及裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合

本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
實(shí)施例1本實(shí)施例煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量裝置中的各光學(xué)與機(jī)械部件安裝于一個(gè)1.4×1.6米的光學(xué)平臺(tái)22之上，該光學(xué)平臺(tái)的中心位置開有一個(gè)直徑為0.1米的圓孔5。一個(gè)橫截面尺寸為0.25×0.25米、中心具有直徑為0.08米的開孔的正方形旋轉(zhuǎn)臺(tái)4安裝于光學(xué)平臺(tái)的正中心，使旋轉(zhuǎn)臺(tái)的開孔與光學(xué)平臺(tái)的開孔彼此中心重合。噴煙頭7自下而上穿過光學(xué)平臺(tái)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的開孔，并通過一個(gè)三維調(diào)節(jié)部件8安裝于光學(xué)平臺(tái)之上，噴煙頭噴射出的煙顆粒流直接進(jìn)入位于其正上方的排煙管道，噴煙頭與排煙管之間只暴露出一段約3厘米長的豎直煙柱6進(jìn)行光散射測量，從而確保煙顆粒不會(huì)溢出彌漫于測量室。如附圖1所示，從激光器1出射激光經(jīng)過第一偏振片2并經(jīng)過電光調(diào)制器3調(diào)制之后，入射至煙顆粒流6發(fā)生光散射，一個(gè)具有滑動(dòng)導(dǎo)軌、長度為1米的轉(zhuǎn)臂17一端固定于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4之上，通過計(jì)算機(jī)20控制馬達(dá)18驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)該轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。沿著散射光路，依次將準(zhǔn)直小孔13、1/4波片14、第二偏振片15以及第一光電倍增管16封裝于一個(gè)盒子12里，該盒子通過一個(gè)三維調(diào)節(jié)部件11安裝于轉(zhuǎn)臂17上，該盒子可沿轉(zhuǎn)臂的導(dǎo)軌前后滑移，從而調(diào)整第一光電倍增管與煙顆粒散射光點(diǎn)之間的距離。以入射激光束為界，整個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)平面可分為上半周與下半周，其中轉(zhuǎn)臂17在下半周范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在上半周的某一固定散射角位置安裝準(zhǔn)直小孔9與第二光電倍增管10。光電倍增管10與16測得的散射光信號(hào)接入鎖相放大器21并通過計(jì)算機(jī)20進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，電光調(diào)制器3與鎖相放大器21之間通過信號(hào)發(fā)生器19進(jìn)行同步。
所述需測量的煙顆粒斯托克斯散射矩陣是下式(1)所示的4×4的矩陣F(θ)Isca(θ)Qsca(θ)Usca(θ)Vsca(θ)=1r21k2·F11(θ)F12(θ)F13(θ)F14(θ)F21(θ)F22(θ)F23(θ)F24(θ)F31(θ)F32(θ)F33(θ)F34(θ)F41(θ)F42(θ)F43(θ)F44(θ)·IincQincUincVinc---(1)]]>本實(shí)施例中的激光器1采用的是西安華科光電有限公司生產(chǎn)的紅光DD-635-5-型半導(dǎo)體激光器；電光調(diào)制器3采用的是美國Conoptics公司生產(chǎn)的350-50型產(chǎn)品；光電倍增管10和16采用的是日本濱松公司生產(chǎn)的H5784-20型產(chǎn)品；鎖相放大器21采用的是美國Signal Recovery公司生產(chǎn)的7265型產(chǎn)品。
所述馬達(dá)18每走200步，轉(zhuǎn)臂16相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，即馬達(dá)18走1步，裝臂17僅僅轉(zhuǎn)動(dòng)0.0045°，可見馬達(dá)可以精確控制轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)每向馬達(dá)發(fā)送一個(gè)脈沖，馬達(dá)相應(yīng)走1步。
所述準(zhǔn)直小孔9與13都具有前后兩個(gè)小孔，兩個(gè)小孔間的距離為80毫米，孔徑均為1毫米，靠近煙顆粒散射中心的小孔距離中心80厘米，即小孔直徑長度相對(duì)于散射中心的夾角為0.225°。
實(shí)驗(yàn)開始前，通過裝置中的兩個(gè)三維調(diào)節(jié)部件8和11，調(diào)整噴煙頭7的空間位置，并調(diào)節(jié)封裝準(zhǔn)直小孔13和光電倍增管16等的盒子12的空間取向，使轉(zhuǎn)盤4帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂17轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，準(zhǔn)直小孔13始終對(duì)準(zhǔn)煙顆粒散射中心。這樣，進(jìn)行煙顆粒散射光的角度分布進(jìn)行測量時(shí)，才能確保以較高的精度測量不同角度上的散射光信號(hào)。
為了測量煙顆粒光散射的整個(gè)斯托克斯散射矩陣，在本發(fā)明裝置中，入射光先經(jīng)過第一偏振片2后采用電光調(diào)制器3進(jìn)行調(diào)制，然后再入射至煙顆粒6發(fā)生光散射，而在接收散射光的第一光電倍增管16前端安裝1/4波片14與第二偏振片15。
下面對(duì)裝置中的該光路進(jìn)行光學(xué)傳遞方程分析以光學(xué)平臺(tái)所在平面為參考平面，入射光和散射光都采用相應(yīng)的斯托克斯向量描述，而裝置中的各光學(xué)器件的作用可用相應(yīng)的穆勒矩陣描述，其中各個(gè)光學(xué)器件的穆勒矩陣主要與其光軸方向相對(duì)于參考平面的夾角有關(guān)。針對(duì)散射光信號(hào)的直流分量和2階以內(nèi)的諧波分量，則光電倍增管16接收到的散射光信號(hào)為如下式(2)所示Isca(θ)＝c2[DC(θ)+2J1(φ0)S(θ)sinωt+2J2(φ0)C(θ)cos2ωt] (2)測量時(shí)，通過調(diào)節(jié)加在電光調(diào)制器3上的調(diào)制電壓幅值，使得J1(φ0)＝0，即φ0＝2.40483，因而有2J1(φ0)＝1.03830，2J2(φ0)＝0.86350。由式(2)可見，第一光電倍增管16所接收的散射光信號(hào)中包含3個(gè)分量，即直流分量DC(θ)、1階諧波分量S(θ)與2階諧波分量C(θ)。在煙顆粒散射光路中第一偏振片2、電光調(diào)制器3、1/4波片14和第二偏振片15的不同光軸取向角條件下，第一光電倍增管16所測量的散射光3個(gè)信號(hào)分量與斯托克斯散射矩陣中各元素之間具有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表1給出了第一偏振片2、電光調(diào)制器3、1/4波片14和第二偏振片15的不同光軸取向角組合時(shí)，第一光電倍增管16測量的直流、1階諧波和2階諧波分量與斯托克斯散射矩陣中各元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系表1

表1中，γ2表示裝置中第一偏振片2的光軸方向相對(duì)于參考平面的取向角度，γ3表示電光調(diào)制器3的光軸取向角度，γ9表示1/4波片14的光軸取向角度，γ10表示第二偏振片15的光軸取向角度；使第一偏振片、電光調(diào)制器、1/4波片和第二偏振片的光軸方向分別為(a)“0°，-45°，--，--”；(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符號(hào)“--”表示該器件不用，在上述這8個(gè)組合條件下，分別測量散射光信號(hào)的直流、一階諧波和二階諧波分量在半圓周上的分布；從而獲得煙顆粒光散射的斯托克斯散射矩陣中所有16個(gè)元素。
隨轉(zhuǎn)臂17一起繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的第一光電倍增管16測量的散射光信號(hào)中的諧波分量直接由鎖相放大器21采集，而其直流分量可接鎖相放大器的ADC輸入端進(jìn)行采集。此外，由于煙顆粒光散射測量過程中無法確保煙顆粒流完全恒定不變，這里采用第二光電倍增管10在某一固定散射角度上實(shí)時(shí)跟蹤采集該角度上散射光強(qiáng)，該光強(qiáng)的變化即反映了煙顆粒流的變化，因而可用該光強(qiáng)變化曲線對(duì)于第一光電倍增管16測量的信號(hào)進(jìn)行歸一，從而消除煙顆粒流不穩(wěn)定帶來的影響，提高測量的精度。對(duì)于第二光電倍增管10接收的散射光信號(hào)，只需測量其光強(qiáng)，即直流分量，因此也將該直流分量接鎖相放大器的ADC輸入端進(jìn)行同步采集。
為了實(shí)現(xiàn)表1所示的8個(gè)組合，裝置中相應(yīng)光學(xué)器件的光軸取向角度必須可以調(diào)節(jié)。其中，第一偏振片2與電光調(diào)制器3的光軸取向角度相對(duì)不變，由組合1～4切換到組合5～8時(shí)，需要將它們的光軸取向角度同時(shí)改變45°，因此，在本發(fā)明裝置中，將第一偏振片2與電光調(diào)制器3放置于一個(gè)圓筒中，該圓筒能夠以其自身的中心線為軸旋轉(zhuǎn)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)該圓筒，從而調(diào)節(jié)第一偏振片2與電光調(diào)制器3的光軸方向。由表1可見，對(duì)于1/4波片14與第二偏振片15，在某些組合必須是“空”的狀態(tài)，此時(shí)需將相應(yīng)光學(xué)器件移開。其中，1/4波片14需要在“0°”與“空”的狀態(tài)之間進(jìn)行切換。如附圖1所示，本發(fā)明裝置中，通過拉桿的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)1/4波片在這2個(gè)狀態(tài)之間切換，即將1/4波片安裝于拉桿的末端后調(diào)節(jié)其光軸方向?yàn)?°，當(dāng)通過拉桿將1/4波片移至準(zhǔn)直小孔13對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)，即對(duì)應(yīng)該1/4波片的光軸方向?yàn)?°狀態(tài)，而將1/4波片移開時(shí)，此時(shí)散射光不經(jīng)過1/4波片，即對(duì)應(yīng)1/4波片為“空”的狀態(tài)。類似地，第二偏振片15需要在“45°”、“0°”及“空”的狀態(tài)之間切換，也采用拉桿的方式實(shí)現(xiàn)，這里采用2個(gè)相同的偏振片，將其安裝于拉桿上，兩個(gè)偏振片之間具有一定間距，將它們的光軸取向角分別調(diào)至“45°”與“0°”，當(dāng)通過拉桿將某一偏振片推至準(zhǔn)直小孔13對(duì)準(zhǔn)的位置時(shí)，即對(duì)應(yīng)于該偏振片的光軸取向角度狀態(tài)，而當(dāng)準(zhǔn)直小孔13對(duì)準(zhǔn)2個(gè)偏振片中間時(shí)，光電倍增管接收的散射光不經(jīng)過任何偏振片，此時(shí)對(duì)應(yīng)偏振片為“空”的狀態(tài)。
綜上所述，整個(gè)測量步驟為在表1所示4個(gè)光學(xué)器件的每個(gè)組合條件下，由計(jì)算機(jī)20控制馬達(dá)18驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂17圍繞煙顆粒光散射點(diǎn)6轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)臂每隔一定的角度步長暫停，此時(shí)通過鎖相放大器21采集由第一光電倍增管16接收的煙顆粒散射光信號(hào)的直流、1階諧波與2階諧波分量，同時(shí)采集第二光電倍增管10接收的散射光的直流分量即光強(qiáng)。例如，若轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度步長為0.9°，即馬達(dá)每走200步停一次，從初始角度為5°開始測量，則相應(yīng)地，在5.0°、5.9°、6.8°、7.7°……這些離散角度上采集由第一光電倍增管16接收到的散射光信號(hào)的各階分量，從而得到煙顆粒散射光的角度分布趨勢，同時(shí)，利用所采集的第二光電倍增管10接收的散射光強(qiáng)相應(yīng)的隨時(shí)間變化趨勢，對(duì)由第一光電倍增管16接收到的信號(hào)分量進(jìn)行歸一，消除煙顆粒流的不穩(wěn)定性帶來的影響。通過如表1所示的8個(gè)組合條件下，在相同的離散角度上的測量，即可最終測得煙顆粒光散射的斯托克斯散射矩陣中所有16個(gè)元素隨角度分布曲線。
與現(xiàn)有在半圓周上安裝多個(gè)光電倍增管測量煙顆粒散射光信號(hào)的角度分布曲線的裝置相比，本發(fā)明裝置利用電光調(diào)制器對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，通過單路光電倍增管隨轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用鎖相放大器測量散射光信號(hào)的多階分量，從而以較高的角度分辨率測得煙顆粒的斯托克斯散射矩陣中所有元素的角度分布，大大促進(jìn)了煙顆粒光散射信息的挖掘。
現(xiàn)有裝置中采用偏振方向分別為水平與垂直的兩束入射激光進(jìn)行煙顆粒光散射的測量，沒有對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，并直接用光電倍增管測量散射光信號(hào)的直流分量，該裝置只能夠測量散射光的光強(qiáng)與線偏振度的角度分布曲線。而本發(fā)明裝置中，入射激光經(jīng)過第一偏振片2之后，采用電光調(diào)制器3將其調(diào)制成具有1KHz的頻率，并在接收散射光的第一光電倍增管16前端安裝1/4波片與偏振片，通過鎖相放大器21采集光電倍增管接收的散射光信號(hào)的直流、1階諧波與2階諧波分量；測量時(shí)，在表1所示的各個(gè)組合條件下，由馬達(dá)18驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂17圍繞煙顆粒散射中心轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測量煙顆粒散射光信號(hào)在圓周上的分布，并針對(duì)實(shí)際煙顆粒無法確保完全恒定不變，因而采用在某一固定散射角度上，由第二光電倍增管10測量該固定角度上散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化趨勢，用于對(duì)第一光電倍增管16測量信號(hào)的歸一處理，從而消除煙顆粒不穩(wěn)定的影響。這樣，通過表1所示的8個(gè)組合條件下的測量，根據(jù)表1中給出的煙顆粒散射光信號(hào)的3個(gè)分量與斯托克斯散射矩陣中各個(gè)元素之間的關(guān)系，即可得到煙顆粒光散射的斯托克斯散射矩陣中的16個(gè)元素，各元素都描述了煙顆粒光散射過程中的一項(xiàng)信息特征?，F(xiàn)有裝置所能夠測量的煙顆粒散射光的光強(qiáng)與線偏振度僅僅是16個(gè)矩陣元素中的其中2個(gè)，即F11(θ)與F21(θ)?？梢?，本發(fā)明裝置能夠測量與挖掘出煙顆粒光散射過程中更加豐富的信息特征，從而為新型光電感煙火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)提供出更多的判據(jù)，推動(dòng)光電感煙火災(zāi)探測技術(shù)的快速發(fā)展。光電感煙火災(zāi)探測的原理在于通過接收煙顆粒的散射光信息達(dá)到對(duì)火災(zāi)煙顆粒進(jìn)行早期探測的目的，然而，由于粉塵、油煙及水蒸氣等干擾源顆粒也會(huì)產(chǎn)生類似的光散射，若僅僅簡單地通過測量散射光的光強(qiáng)信息從而作出是否發(fā)生火災(zāi)的判斷，則容易發(fā)生誤報(bào)警。這些干擾源顆粒的存在，也很大程度上限制了光電感煙火災(zāi)探測器響應(yīng)靈敏度的進(jìn)一步提高。為了減少各種干擾源顆粒導(dǎo)致的光電感煙探測器的誤報(bào)警，同時(shí)提高其響應(yīng)靈敏度，必須分析出真實(shí)火災(zāi)煙顆粒區(qū)別于各種干擾源顆粒的光散射特征，而僅僅根據(jù)煙顆粒散射光的光強(qiáng)與線偏振度這2項(xiàng)信息很難準(zhǔn)確與可靠地尋找到相應(yīng)的判據(jù)，因而必須進(jìn)一步挖掘煙顆粒光散射過程中的更多信息，本發(fā)明裝置正是針對(duì)火災(zāi)煙霧探測技術(shù)攻關(guān)的迫切需求，測量煙顆粒光散射對(duì)應(yīng)的斯托克斯散射矩陣中的所有元素。
現(xiàn)有裝置中，通過在半圓周上安裝多個(gè)光電倍增管測量煙顆粒散射光的角度分布特征，盡管可以在圓周上緊湊地安裝盡可能多的光電倍增管從而測量更多角度上的散射光信號(hào)，但是這些光電器件畢竟具有一定的體積，因而只能以較大的角度間隔測量圓周上散射光信號(hào)的角度分布，即測量的角度分辨率較低。例如，現(xiàn)有裝置在直徑為0.3米的半圓周上安裝14個(gè)光電倍增管，此時(shí)裝置已經(jīng)很擁擠，在半圓周上只能測量14個(gè)離散角度對(duì)應(yīng)的散射光信號(hào)，測量的角度分辨率僅為12°，這樣只能粗略地得到散射光的角度分布特征。而本發(fā)明裝置中，通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射光點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)臂上的光電倍增管測量散射光的角度分布。這種通過單路光電倍增管圍繞煙顆粒散射中心轉(zhuǎn)動(dòng)從而測量散射光角度分布的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)很高的測量角度分辨率，轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)是由計(jì)算機(jī)程序通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的，馬達(dá)每走200步對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)0.9°，計(jì)算機(jī)對(duì)馬達(dá)發(fā)送一個(gè)脈沖，則馬達(dá)走一步，即轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)0.0045°；此外，準(zhǔn)直小孔13的直徑長度只有1毫米，相對(duì)于煙顆粒散射中心的夾角僅為0.225°?？梢姡景l(fā)明裝置能夠以很小的角度間隔、細(xì)致地測量煙顆粒散射光的角度特征，例如，該角度間隔可設(shè)為0.45°，即馬達(dá)每走100步，第一光電倍增管16測量一個(gè)散射角度上的數(shù)據(jù)，測量的角度分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有裝置。因此，通過本發(fā)明裝置能夠測量出煙顆粒光散射各參量的詳細(xì)角度分布曲線，該曲線更加具體、翔實(shí)地反映了散射參量在不同角度上的分布特征，更有利于尋找煙顆粒區(qū)別于其余干擾源顆粒的光散射特征，為降低光電感煙火災(zāi)探測器的誤報(bào)警提供判據(jù)，并進(jìn)一步提高探測器的響應(yīng)靈敏度，推動(dòng)光電感煙火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展。
對(duì)于煙顆粒散射光的角度分布特征測量，在各個(gè)角度的光電倍增管對(duì)于散射中心的準(zhǔn)直度直接影響其測量精度。現(xiàn)有裝置中，前文已提到，為了在圓周上測得盡量多的離散角度上的散射光信號(hào)，在圓周上盡量多裝光電倍增管，因而各光電倍增管之間彼此擁擠，已無法在各光電倍增管上安裝三維調(diào)節(jié)部件，這樣，各光電倍增管相對(duì)于煙顆粒散射中心的準(zhǔn)直度無法進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，該裝置測量的散射光信號(hào)角度分布曲線的精度較差。而本發(fā)明裝置中，利用剛性轉(zhuǎn)臂圍繞煙顆粒散射中心轉(zhuǎn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)臂上的單路光電倍增管測量煙顆粒散射光的角度分布特征，通過在噴煙頭7上與裝有準(zhǔn)直小孔13、第一光電倍增管16等的盒子12上各安裝一個(gè)三維調(diào)節(jié)部件8和11，從而確保轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，準(zhǔn)直小孔13始終對(duì)準(zhǔn)煙顆粒散射光點(diǎn)，這樣即保證了在不同散射角度上，光電倍增管始終以較高的精度測量煙顆粒的散射光，確保了實(shí)驗(yàn)測量的精度。
本發(fā)明裝置中，所述第一光電倍增管16前端的1/4玻片14與第二偏振片15的光軸取向角度的調(diào)節(jié)，依據(jù)表1所示的不同組合，其特征在于先將其安裝于拉桿上，并將其光軸取向角度調(diào)節(jié)到相應(yīng)值，然后通過拉桿推移的方式，從而形成表1中的各項(xiàng)組合。
本發(fā)明裝置中，在某一固定散射角度上采用準(zhǔn)直小孔9與第二光電倍增管10測量該角度上煙顆粒散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線，用于監(jiān)視煙顆粒流是否穩(wěn)定，所測量散射光強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線用于對(duì)第一光電倍增管16測量的散射光信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，從而消除煙顆粒流的不穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步提高測量精度。
權(quán)利要求
1.一種火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量裝置，包括在激光器(1)出射的激光束入射至噴煙頭(7)噴出的煙顆粒(6)而形成的散射光點(diǎn)周圍安裝接收散射光信號(hào)的第一光電倍增管(16)；其特征在于由激光器(1)出射的激光束在入射至煙顆粒(6)之前先經(jīng)過第一偏振片(2)，并經(jīng)由電光調(diào)制器(3)進(jìn)行調(diào)制；用于安裝光學(xué)與機(jī)械器件的光學(xué)平臺(tái)(22)的中心開有孔(5)，具有開孔的轉(zhuǎn)盤(4)置于光學(xué)平臺(tái)(22)的正中心，噴煙頭(7)通過三維調(diào)節(jié)部件(8)固定于光學(xué)平臺(tái)(22)的中心位置上，轉(zhuǎn)臂(17)固定于轉(zhuǎn)盤(4)上，馬達(dá)(18)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂(17)繞煙顆粒(6)轉(zhuǎn)動(dòng)，在第一光電倍增管(16)前方的光路上依次設(shè)有第二偏振片(15)、1/4波片(14)和準(zhǔn)直小孔(13)，這四個(gè)器件封裝于盒子(12)里并通過三維調(diào)節(jié)部件(11)安裝于轉(zhuǎn)臂(17)上，在煙顆粒光散射的另一半圓周的某一固定散射角度上，沿著散射光的光路依次安裝準(zhǔn)直小孔(9)和第二光電倍增管(10)，所述第二光電倍增管(10)和第一光電倍增管(16)的信號(hào)輸出端接鎖相放大器(21)的信號(hào)輸入端，計(jì)算機(jī)(20)的并口輸出信號(hào)端與馬達(dá)(18)的信號(hào)輸出端連接，計(jì)算機(jī)(20)的串口與鎖相放大器(21)的串口連接，信號(hào)發(fā)生器(19)的信號(hào)輸出端接光電調(diào)制器(3)與鎖相放大器(21)的信號(hào)輸入端。
2.一種火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法，包括對(duì)激光束入射至煙顆粒形成的散射光進(jìn)行光電倍增測量；其特征在于激光束經(jīng)過第一偏振片后用電光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，然后入射至煙顆粒發(fā)生光散射，光電倍增測量器件前端裝有1/4波片和第二偏振片，使第一偏振片、電光調(diào)制器、1/4波片和第二偏振片的光軸方向分別為(a)“0°，-45°，--，--”；(b)“0°，-45°，--，0°”；(c)“0°，-45°，--，45°”；(d)“0°，-45°，0°，45°”；(e)“45°，0°，--，--”；(f)“45°，0°，--，0°”；(g)“45°，0°，--，45°”；(h)“45°，0°，0°，45°”，其中符號(hào)“--”表示該器件不用，在上述這8個(gè)組合條件下，分別測量散射光信號(hào)的直流、一階諧波和二階諧波分量在半圓周上的分布；在某一固定散射角度上測量散射光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，將在半圓周上測量的各階散射光信號(hào)除以該固定散射角度上測得曲線對(duì)應(yīng)時(shí)刻的光強(qiáng)值得到矯正的各階散射光信號(hào)分量；直接從第(a)和第(e)組合條件下測得的經(jīng)矯正后的直流、一階諧波和二階諧波信號(hào)，得到4個(gè)矩陣元素F11(θ)、F12(θ)、F13(θ)和F14(θ)，將第(b)、(c)和(d)組合條件下測量的經(jīng)矯正后的的各階信號(hào)減去第(a)組合條件下的相應(yīng)測量值，以及將第(f)、(g)和(h)組合條件下測量的經(jīng)矯正后的的各階信號(hào)減去第(e)組合條件下的相應(yīng)測量值，從而得到煙顆粒斯托克斯散射矩陣中其余12個(gè)元素的角度分布特征；所述測量的煙顆粒斯托克斯散射矩陣是指下式所示的4×4的矩陣F(θ)Isca(θ)Qsca(θ)Usca(θ)Vsca(θ)=1r21k2·F11(θ)F12(θ)F13(θ)F14(θ)F21(θ)F22(θ)F23(θ)F24(θ)F31(θ)F32(θ)F33(θ)F34(θ)F41(θ)F42(θ)F43(θ)F44(θ)·IincQincUincVinc.]]>
全文摘要
本發(fā)明火災(zāi)煙顆粒斯托克斯散射矩陣測量方法及裝置，特征是由激光器出射的激光經(jīng)過偏振片與電光調(diào)制器后，入射至煙顆粒發(fā)生光散射，通過三維調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)，使煙顆粒位于轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的圓心，轉(zhuǎn)臂固定于轉(zhuǎn)盤上，由計(jì)算機(jī)控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂繞煙顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)臂上，依次安裝準(zhǔn)直小孔、1/4波片、偏振片和光電倍增管，在某一固定散射角度上，安裝準(zhǔn)直小孔和光電倍增管，兩個(gè)光電倍增管所測得信號(hào)通過鎖相放大器由計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集，電光調(diào)制器與鎖相放大器之間通過信號(hào)發(fā)生器同步；本發(fā)明能夠以較高的角度分辨率和精度測量火災(zāi)顆粒光散射的斯托克斯散射矩陣中所有元素的角度分布，大大推動(dòng)煙顆粒光散射信息的挖掘。
文檔編號(hào)G08B17/11GK1877293SQ200610088188
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者謝啟源, 張永明, 張和平, 喬利鋒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)