双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置及方法

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1.本发明涉及消防报警技术领域，具体涉及一种双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置及方法。

背景技术：

2.锂离子电池作为一种可再生能源应运而生，因其具有高能量密度、轻质量和无污染等优点被广泛应用。然而，锂离子电池在生产、运输和使用过程中容易受温度、气压以及碰撞和挤压等多种因素的影响从而发生火灾和爆炸事故。目前，民用航空飞机货舱中采用的探测器类型主要是光电式感烟探测器，其具有灵敏度高、结构简单、成本低廉等优点，能够实现在火灾发展初期提供预警信息，为人员的疏散和灭火救援提供宝贵时间的目的。在最初的光电感烟探测器中只有一个光源和一个接收器，难以区分锂离子电池火灾烟雾和其他类型气溶胶，所以飞机货舱空气中的水蒸气、粉尘等干扰气溶胶很容易引起探测器的误报。为了满足所要求的检测性能，探测器需要对锂离子电池火灾烟雾保持很高的灵敏度，然而高灵敏度往往意味着高误报率。因此，提高灵敏度同时降低误报率是设计者开发火灾烟雾探测器的主要目标。国内外的研究学者针对火灾的有效识别提出了一些改进方法和思路，使用包括不同波长、散射角度和偏振状态在内的多种光散射措施的探测器和报警器，或者利用烟雾浓度、温度、co浓度等多参数开展协同探测，这可以在很大程度上区分火灾烟雾和干扰气溶胶。但目前市场上还未有一款专用于锂离子电池火灾场景的探测器，因此利用光散射原理的火灾烟雾探测方法能否对锂离子电池火灾进行有效识别，需要进一步探究。
3.本发明采用双波长光源和双散射角技术，选取能发射405nm波长的蓝光和850nm波长的红外光的led光源，根据不同气溶胶对该波长所产生的散射光强空间分布特征，比较前向与后向散射角度收集到的光功率的比值，即不对称比，实现对锂离子电池火灾烟雾的探测以及对干扰气溶胶的识别。

技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置及方法，提高目前光电感烟探测器的探测和抗干扰性能。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置，包括双光路感烟探测器1和信号采集系统，其中，该双光路感烟探测器1含有一个光源模块2和两个接收器模块即第一接收器模块3和第二接收器模块4，其中，光源模块2包括一个led光源5、光源透镜6、光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8，光源透镜6用于汇聚led光源发出的光束，led光源5利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒7的内螺纹中，光源透镜6通过卡环安装在光源透镜安装座8的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜6用于汇聚led光源5发出的光束以提供探
测器装置所需的稳定光束，第一接收器模块3包括一个第一接收器10、第一接收器透镜12、第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16，第一接收器10利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒14的内螺纹中，第一接收器透镜12通过卡环安装在第一接收器透镜安装座16的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为45
°
，第一接收器透镜12用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器10上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块4包括一个第二接收器9、第二接收器透镜11、第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15，第一接收器10和第二接收器9分别布置在散射角为45
°
和135
°
的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器9利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒13的内螺纹中，第二接收器透镜11通过卡环安装在第二接收器透镜安装座15的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为135
°
，第二接收器透镜11用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器9上得到第二路光电流信号的散射光功率；
7.信号采集系统包括led光源驱动器17、第一信号放大器18和第二信号放大器19、数据采集仪20和计算机21，其中led光源驱动器17可以为led光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器18和第二信号放大器19可以将第一接收器、第二接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪20用于采集模拟电压信号到计算机21上。
8.led光源5采用的是405nm蓝光和850nm红外光结合的双波长led光源。
9.双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测方法，包括如下步骤：
10.第一步：发射器发射某种波长光束，两个接收器同时接收前向散射和后向散射光功率pf、pb；
11.第二步：判断该波长条件下前向散射光功率pf与背景光功率p
f0
差值是否大于常值a，是则进行下一步，否则进行第一步；
12.第三步：计算该波长条件下前向散射光功率pf与后向散射光功率pb的比值，即不对称比，结合前n-1次的不对称比，计算不对称比的标准差，判断是否小于常值b，是则进行下一步，否则进行第一步；
13.第四步：判断当前不对称比是否大于常值c小于常值d，是则进行下一步，否则进行第一步；
14.第五步：根据c、d大小判断当前气溶胶粒子类型；
15.在上述的五个步骤中，a，b，c，d的大小需要根据具体的实验测量得到，n的大小也需要根据实验结果确定。其中，a和b用于区分无气溶胶粒子或者只有极少量气溶胶粒子的情况，c、d用于区分锂离子电池火灾烟雾与干扰气溶胶。通过上述五个步骤可以确定在双波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型。
16.通过上述五个步骤可以确定在双波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型。
17.发射405nm的蓝光和850nm的红外光，可以实现锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶的准确区分。
18.本发明的原理在于：双波长、双散射角探测技术可以用于识别锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶，这是因为对于某种确定的气溶胶粒子，会产生相应的散射光强空间
分布，一般地，前半球部分的散射光强要比后半球的散射光强大得多。在本发明中，通过同时测量两个不同散射角度的散射光功率，利用这两个散射光功率的比值指示某种气溶胶粒子。一般地，一个为前向散射角度(小于90
°
)，另一个为后向散射角度(大于90
°
)。一般情况下，粒子粒径越大，前向散射光强占总散射光强的比例越大，因此得到的不对称比也较大。通过对比双波长、双散射角条件下的不对称比，可以反映出不同气溶胶的散射光强分布特征与波长的关系，以区分不同的气溶胶。
19.在本发明中提出一种散射信号测量与处理方式，使其能够应用到常规的光电感烟探测器中。在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值。
20.通过采用上面技术方案所产生的有益效果在于：本发明的一种双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置及方法，与现有光学烟雾探测器相比更能有效探测锂离子电池火灾烟雾，具体体现在：
21.(1)利用双波长光源和双散射角测量的不对称比值对锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶进行区分识别。
22.(2)在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值，可以实现对锂离子电池火灾烟雾的探测。
23.(3)本发明提出的探测方法未采用信号强度阈值来判断是否应当报警，因此该探测方法可以准确区分锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶。
附图说明
24.图1为实现本发明依托的双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器示意图。
25.图2为双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器的信号采集系统示意图。
26.图3为该双波长光源和双散射角的火灾烟雾探测装置得到的100％soc锂离子电池单一火灾烟雾在405nm波长条件下的实验测量结果。
27.图4为100％soc锂离子电池单一火灾烟雾在一系列波长(405，525，630，780，850，940nm)条件下的不对称比ar。
28.图5为不同类型气溶胶在405nm和850nm波长条件下的不对称比ar。
29.其中，1-双光路感烟探测器，2-光源模块，3-第一接收器模块，4-第二接收器模块，5-led光源，6-光源透镜，7-光源圆柱套筒，8-光源透镜安装座，9-第二接收器，10-第一接收器，11-第二接收器透镜，12-第一接收器透镜，13-第二接收器圆柱套筒，14-第一接收器圆柱套筒，15-第二接收器透镜安装座，16-第一接收器透镜安装座，17-led光源驱动器，18-第一信号放大器，19-第二信号放大器，20-数据采集仪，21-计算机。
具体实施方式
30.为了对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
31.双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置包括光源模块2，第一接收器模块3，第二接收器模块4，led光源5，光源透镜6，光源圆柱套筒7，光源透镜安装座8，第二接收器9，第一接收器10，第二接收器透镜11，第一接收器透镜12，第二接收器圆柱套筒13，第一接收器圆柱套筒14，第二接收器透镜安装座15，第一接收器透镜安装座16，led光源驱动器17，第一信号放大器18，第二信号放大器19，数据采集仪20和计算机21。
32.基于气溶胶粒子散射光强不对称比的锂离子电池火灾烟雾探测识别方法应用于图1所示的双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置的双光路感烟探测器1中，该双光路感烟探测器含有一个光源模块2和两个接收器模块即第一接收器模块3和第二接收器模块4。其中，光源模块2包括一个led光源5、光源透镜6、光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8，led光源5利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒7的内螺纹中，光源透镜6通过卡环安装在光源透镜安装座8的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒7和光源透镜安装座8利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜6用于汇聚led光源5发出的光束以提供探测器装置所需的稳定光束。光源透镜6主要用于汇聚led光源发出的光束，有利于增强气溶胶粒子的散射信号，同时也可以防止led光源被气溶胶粒子污染。第一接收器模块3包括一个第一接收器10、第一接收器透镜12、第一接收器圆柱套筒14、第一接收器透镜安装座16，第一接收器10利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒14的内螺纹中，第一接收器透镜12通过卡环安装在第一接收器透镜安装座16的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒14和第一接收器透镜安装座16利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为45
°
，第一接收器透镜12用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器10上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块4包括一个第二接收器9、第二接收器透镜11、第二接收器圆柱套筒13、第二接收器透镜安装座15，第一接收器10和第二接收器9分别布置在散射角为45
°
和135
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的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器9利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒13的内螺纹中，第二接收器透镜11通过卡环安装在第二接收器透镜安装座15的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒13和第二接收器透镜安装座15利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块2的夹角为135
°
，第二接收器透镜11用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器9上得到第二路光电流信号的散射光功率。在本实施例中第一接收器模块3和第二接收器模块4均选取索雷博公司的光电探测器产品，型号为sm05pd1a，能够对350nm-1100nm波长范围内的入射光进行响应，同时具有较高灵敏度，能够对响应非常微弱的光信号。优选地，led光源5采用的是405nm蓝光和850nm红外光结合的双波长led光源。
33.图2为双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置的信号采集系统示意图，主要包括led光源驱动器17、第一信号放大器18和第二信号放大器19、数据采集仪20和计算机21。其中led光源驱动器17可以为led光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器18和第二信号放大器19可以将第一接收器10和第二接收器9的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪20用于采集模拟电压信号到计算机21上。在本实施例中信号的采集
频率为5hz，因此每秒可以得到5个前向散射或后向散射光功率。为了平滑数据结果，将1s内采集的5个信号数据的平均值用于计算不对称比值。
34.图3为100％荷电状态(soc)锂离子电池单一火灾烟雾在405nm波长条件下的实验测量结果。由图可以看出，前后向散射信号与消光率随着烟雾的产生而发生同步变化，两者具有较好的一致性；同时，不对称比和相对标准偏差也随着烟雾浓度的上升从一个极不稳定状态缓慢地过度到一个相对稳定阶段。锂离子电池热失控过程包括初爆和燃爆2个阶段，都会释放一定量烟雾，因此其不对称比也有2个阶段；因为第1阶段反应时间很短且烟雾量很小，相应的值波动较大无法准确探测，因此研究重点在于第2阶段，即发生热失控之后烟雾的不对称比。同理，可以得到不同soc锂离子电池火灾烟雾在不同波长下的不对称比。
35.图4为100％soc锂离子电池单一火灾烟雾在一系列波长(405，525，630，780，850，940nm)条件下的不对称比ar。由图可以看出，100％soc锂离子电池单一火灾烟雾的不对称比随着波长的增大呈现出单调递减的趋势，不对称比的值从10.19-10.57(405nm)递减到3.14-3.26(940nm)。锂离子电池火灾是一个不断发展的过程，其烟雾的不对称比也表现出一定的发展趋势。利用火灾探测算法中的过程法将监测到的信号变化传输给计算机，计算机对这种信号变化与事先储存的、由模拟和实验共同得到的火灾信号变化过程作进一步地对比，判断是否有火情发生。
36.图5不同类型气溶胶在405nm和850nm波长条件下的不对称比ar。电池火灾烟雾与标准试验火烟雾：对于正庚烷明火烟雾，在405nm和850nm波长时，ar(电池烟雾)均大于ar(正庚烷明火)，因此，可以利用任一波长条件下的不对称比，将电池火灾烟雾与正庚烷明火烟雾进行区分识别；对于棉绳阴燃烟雾，在405nm波长时，ar(100％soc电池烟雾)和ar(50％soc单一电池烟雾)均大于ar(棉绳阴燃)，因此，利用405nm波长条件下的不对称比，将100％soc电池火灾烟雾和50％soc单一电池火灾烟雾与棉绳阴燃烟雾进行区分识别；在850nm波长时，ar(a1粉尘+50％soc电池烟雾)大于ar(棉绳阴燃)，因此，利用850nm波长条件下的不对称比，将粉尘环境中50％soc电池火灾烟雾与棉绳阴燃烟雾进行区分识别。电池火灾烟雾与干扰气溶胶：在405nm波长时，ar(单一电池烟雾)和ar(a1粉尘+100％soc电池烟雾)均大于ar(干扰气溶胶)，因此，利用405nm波长条件下的不对称比，将单一电池火灾烟雾和粉尘环境中100％soc电池火灾烟雾从干扰气溶胶中区分识别出来；同理，利用850nm波长条件下的不对称比，将粉尘环境中50％soc电池火灾烟雾从干扰气溶胶中区分识别出来。标准试验火与干扰气溶胶：在405nm波长时，ar(棉绳阴燃)大于ar(干扰气溶胶)，因此，利用405nm波长条件下的不对称比，将棉绳阴燃烟雾从干扰气溶胶中区分识别出来；同理，利用850nm波长条件下的不对称比，将正庚烷明火烟雾从干扰气溶胶中区分识别出来。火灾烟雾与干扰气溶胶：综上所述，在405nm波长时，若气溶胶的不对称比大于5.7，则被判别为火灾烟雾；在850nm波长时，若气溶胶的不对称比大于6.2或小于3.0，则被判别为火灾烟雾，二者互相结合，共同发挥作用。
37.本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：

1.双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置，其特征在于：包括双光路感烟探测器(1)和信号采集系统，其中，该双光路感烟探测器(1)含有一个光源模块(2)和两个接收器模块即第一接收器模块(3)和第二接收器模块(4)，其中，光源模块(2)包括一个led光源(5)、光源透镜(6)、光源圆柱套筒(7)和光源透镜安装座(8)，光源透镜(6)用于汇聚led光源发出的光束，led光源(5)利用螺纹组件安装在光源圆柱套筒(7)的内螺纹中，光源透镜(6)通过卡环安装在光源透镜安装座(8)的内螺纹中，组装好的光源圆柱套筒(7)和光源透镜安装座(8)利用各自的内、外螺纹相连接并且通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置，光源透镜(6)用于汇聚led光源(5)发出的光束以提供探测器装置所需的稳定光束，第一接收器模块(3)包括一个第一接收器(10)、第一接收器透镜(12)、第一接收器圆柱套筒(14)和第一接收器透镜安装座(16)，第一接收器(10)利用螺纹组件安装在第一接收器圆柱套筒(14)的内螺纹中，第一接收器透镜(12)通过卡环安装在第一接收器透镜安装座(16)的内螺纹中，组装好的第一接收器圆柱套筒(14)和第一接收器透镜安装座(16)利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块(2)的夹角为45
°
，第一接收器透镜(12)用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第一接收器(10)上得到第一路光电流信号的散射光功率，第二接收器模块(4)包括一个第二接收器(9)、第二接收器透镜(11)、第二接收器圆柱套筒(13)和第二接收器透镜安装座(15)，第一接收器(10)和第二接收器(9)分别布置在散射角为45
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和135
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的位置，接收相应角度的散射光功率，第二接收器(9)利用螺纹组件安装在第二接收器圆柱套筒(13)的内螺纹中，第二接收器透镜(11)通过卡环安装在第二接收器透镜安装座(15)的内螺纹中，组装好的第二接收器圆柱套筒(13)和第二接收器透镜安装座(15)利用各自的内、外螺纹相连接，然后通过螺丝固定在圆盘的半径为4cm位置且与光源模块(2)的夹角为135
°
，第二接收器透镜(11)用于汇聚从圆盘中心处散射的光信号并且传输到第二接收器(9)上得到第二路光电流信号的散射光功率；信号采集系统包括led光源驱动器(17)、第一信号放大器(18)和第二信号放大器(19)、数据采集仪(20)和计算机(21)，其中led光源驱动器(17)可以为led光源提供长期稳定的供电电压，第一信号放大器(18)和第二信号放大器(19)可以将第一接收器、第二接收器的光电流信号转换成模拟电压信号，数据采集仪(20)用于采集模拟电压信号到计算机(21)上；led光源(5)采用的是405nm蓝光和850nm红外光结合的双波长led光源。2.双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的装置，所述方法包括如下步骤：第一步：led光源(5)发射某种波长光束，两个接收器同时接收前向散射和后向散射光功率p
f
、p
b
；第二步：判断该波长条件下前向散射光功率p
f
与背景光功率p
f0
差值是否大于常值a，是则进行下一步，否则进行第一步；第三步：计算该波长条件下前向散射光功率p
f
与后向散射光功率p
b
的比值，即不对称比，结合前n-1次的不对称比，计算不对称比的标准差，判断是否小于常值b，是则进行下一步，否则进行第一步；第四步：判断当前不对称比是否大于常值c小于常值d，是则进行下一步，否则进行第一步；
第五步：根据c、d大小判断当前气溶胶粒子类型；其中，在上述的五个步骤中，a，b，c，d的大小需要根据具体的实验测量得到，n的大小也需要根据实验结果确定；其中，a和b用于区分无气溶胶粒子或者只有极少量气溶胶粒子的情况，c，d用于区分锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶。3.根据权利要求2所述的双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测方法，其特征在于：通过上述五个步骤可以确定在双波长条件下可能探测到的气溶胶粒子类型。4.根据权利要求2所述的双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测方法，其特征在于：发射405nm的蓝光和850nm的红外光，可以实现锂离子电池火灾烟雾与其他类型气溶胶的准确区分。

技术总结

本发明涉及一种双波长光源和双散射角的锂离子电池火灾烟雾探测装置及方法，在探测器中布置一个发射器和两个接收器，发射器能发射一种至多种不同波长的光，两个接收器用于收集两个不同角度的散射光功率，可以实现同时测量一定波长条件下两个不同角度的散射光功率，从而通过计算比值得到不对称比值的范围。本发明利用双波长条件的不对称比值的范围对锂离子电池火灾烟雾与干扰气溶胶进行区分识别。本发明利用基于不对称比范围的气溶胶识别方法分析锂离子电池火灾烟雾与正庚烷明火烟雾、棉绳阴燃烟雾以及干扰气溶胶的区别，为锂离子电池火灾探测器的设计提供了理论参考和数据支持。火灾探测器的设计提供了理论参考和数据支持。火灾探测器的设计提供了理论参考和数据支持。