一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，特征是采样口后通过采样管依次连接加热装置、滤湿装置、烟雾透光率探测装置、过滤装置、CO浓度探测装置、采样泵和排气装置；采样口内设有温度传感器，飞机货舱内采样口下方安装采样口防护罩；烟雾透光率探测装置采用半导体激光器与硅光电池组成的探测光路，通过测量烟雾的透光率，实现对烟雾的探测；CO探测装置选用基于红外吸收原理的传感器；探测飞机货舱温度、烟雾透光率和CO浓度。利用本实用新型可以进行飞机货舱火灾探测，具有灵敏度高，误报率低的优点。
【专利说明】一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于火灾探测【技术领域】，具体涉及基于复合探测技术的吸气式飞机火灾探测装置。
【背景技术】
[0002]目前飞机货舱内采用的火灾探测器大多为被动式火灾探测器，即火灾烟气必须运动到探测器的传感器附近，探测器才能识别火灾，进行报警。飞机货舱内货物堆积复杂多变，火灾烟气运动情况会随货物堆积情况发生变化。货物内部发生火灾后，火灾烟气可能无法快速上升到火灾探测器安装的位置，进而无法迅速实现火灾探测。
[0003]飞机货舱假火警历史数据表明，由于颠簸和振动，货舱内空气中产生灰尘颗粒、货物纤维和动物绒毛等大量火灾干扰信号，火灾探测器极其容易出现误报。根据FAA(美国联邦航空管理局)技术中心的David Blake等人的统计(David Blake.AircraftCargo Compartment Smoke Detector Alarm Incidents on U.S.Registered Aircraft，1974-1999[EB/0L].http://www.fire.tc.faa.gov/pdf/tnOO-29.pdf，2000-06-01)，平均每200次飞机货舱火警信号报告中只有I次是真火警。《中国民用航空》杂志的介绍(莫异昕.飞机货舱假火警信息产生的原因分析和预防措施.中国民用航空[J].2008, 12 (96): 60-61)，国内某航空公司1997-2002年间66次货舱火警警告记录中无一次真火警，高误报率不仅给航空公司造成巨大的经济损失，而且提高了恶性飞行事故发生的可能性。
实用新型内容
[0004]本实用新型要解决技术问题为:提供一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，检测的温度、CO浓度、火灾烟雾透光率的变化，判断是否发生火灾，提高火灾探测灵敏度，减少误报率。
[0005]本实用新型采用的技术方案为:一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，包括:采样口防护罩、带温度传感器的采样口、采样管、加热装置、滤湿装置、烟雾透光率探测装置、过滤装置、CO浓度探测装置、采样泵、排气装置、控制处理单元、报警指示器和供电单元；所述带温度传感器的采样口安装在飞机货舱顶部，采样口保护罩安装在货舱内部位于采样口下方；所述带温度传感器的采样口内部安装一温度传感器，可测量通过采样口气流的温度；采样口后通过采样管依次连接加热装置、滤湿装置、烟雾透光率探测装置、过滤装置、CO浓度探测装置、采样泵和排气装置；将温度传感器、烟雾透光率探测装置和CO浓度探测装置测量到的温度、烟雾透光率和CO浓度数据输送到控制处理单元，所述报警指示器安装在飞机驾驶舱内，为驾驶员提供火灾报警信号。
[0006]进一步的，所述烟雾透光率探测装置采用半导体激光器与硅光电池组成的探测光路，通过测量光路中的烟雾透光率，实现对烟雾的探测；主要包括激光二极管，激光准直铜管，进气管，外壳，遮光管，感光元件为硅光电池的光电接收器，排气管，接收电路，控制器和激光驱动电路组成。在外壳的上下两个面上分别靠近左侧面和右侧面位置开孔，密封连接进气管和排气管；激光二极管塞进激光准直铜管内，激光准直铜管和硅光电池分别固定于外壳左右侧面的中心位置，激光准直铜管的汇聚中心正对硅光电池正面中心，在硅光电池前面将一圆筒状遮光管固定到外壳右侧面上，遮光管内部壁面为黑色，遮光管中心线和激光发射线重合，硅光电池只可以接收到通过遮光管内部的激光，硅光电池接收面积大于遮光管外径的部分用黑漆涂黑处理；激光驱动电路在外壳外面，通过三根线连接激光二极管，接收电路上端连接硅光电池正负极，下端连接控制处理单元。
[0007]进一步的，所述CO探测装置选用基于红外吸收原理的传感器。
[0008]本实用新型与现有技术相比的优点在于:
[0009](I)、与现有飞机货舱火灾探测设备相比，本实用新型采用复合温度、烟雾透光率和CO浓度的多元探测技术，具有灵敏度高，误报率低的优点。
[0010](2)、本实用新型通过测量烟雾的透光率来完成对烟雾的探测，具有抗干扰能力强和精度高的优点。本实用新型所述烟雾透光率测量装置的结构具有容易生产，成本较低的优点。本实用新型采用基于红外吸收原理的CO探测装置，与其他原理的CO传感器相比，使用寿命更长，受环境影响较小，适合在飞机货舱环境中应用。
[0011](3)、与《飞机构造基础》(宋静波，2011，p462) —书中所述飞机货舱烟雾探测装置相比，本实用新型将加热装置移到滤湿装置之前，更有利于后续滤湿装置滤除气流中的水分，有助于烟雾透光率和CO浓度测量的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置原理图；
[0013]图2为探测系统在飞机中的安装位置示意图；其中(a)为飞机货舱，(b)为A-A剖面，(C)为货舱结构与探测系统的安装位置示意图；
[0014]图3为采样口结构示意图；
[0015]图4为滤湿装置结构示意图；
[0016]图5为烟雾透光率与CO探测装置结构示意图；
[0017]图6为贝叶斯网络火灾探测算法建立流程图；
[0018]图7为贝叶斯网络火灾探测算法工作示意图。图7(a)到图7(d)表示了从火灾未发生到发生、发展的过程中，贝叶斯网络探测算法的处理过程以及火灾发生状态的概率变化情况。
[0019]图中，I为飞机货舱壁，2为带温度传感器的采样口，3为采样口防护罩，4为采样管，5为加热装置，6为滤湿装置，7为烟雾透光率探测装置，8为CO浓度探测装置，9为气体流量计，10为采样泵，11为排气装置，12为控制处理单元，13为报警指示器，14为供电单元，15为飞机货舱,16为探测主机,17为金属过滤网，18为热电偶，19为固定螺丝,20为采样直管，21为采样弯管，22为圆形通孔，23为分子筛干燥剂，24为进气口，25为烟雾探测腔，26为遮光管，27为硅光电池接收器，28为硅光电池接收电路，29为激光准直铜管，30为半导体激光器，31为激光驱动电路，32为过滤装置，33为CO探测腔，34为红外光源，35为红外光源驱动电路，36为玻璃片，37为参比气室，38为控制与数据传输线路，39为红外光窄带滤光片，40为热释电探测器驱动电路，41为钽酸锂热释电探测器，42为流量、温度和压力测量单元，43为采样泵，44为出气口。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本实用新型。
[0021]图1给出了一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测系统的原理图。带温度传感器的采样口 2安装在飞机货舱顶部。温度传感器设置在采样口处是为了避免采样得到的气体在管路内发生冷却。过滤装置安装在采样口的前端，目的是防止大颗粒的灰尘、动物毛发、昆虫等进入采样管4内。采样口前加装采样口防护罩。防护罩3的用途是为了防止货舱内的货物碰撞、挤压或遮挡采样口。
[0022]本实用新型在采样口后增加了加热装置5，原因是货舱中的温度在不同的用途和飞机飞行过程中会有较大变化。通过加热装置5后，气流的温度基本保持在20°C附近。这样做能预防抽入气体中的水汽在管路中结冰，有利于后续滤湿装置6滤除气流中的水分，有助于烟雾透光率、CO浓度测量的稳定性。
[0023]本实用新型所述滤湿装置6的作用是为了滤除从货舱抽入气流中的水汽。水汽会引起烟雾透光率测量中的误差，引起误报。滤湿装置6设计的难点是既能满足不影响气流中烟雾粒子的输运，又能保证尽量多地滤除气流中的水分。本实用新型采用由分子筛干燥剂压缩制成的干燥管，干燥管中有多个通气孔，气流穿过通气孔流过。通气孔设置的原则是使气流与干燥剂具有较大的接触面，且烟粒子能够从通气孔中顺利通过。气流中的水分在通过干燥剂孔段时被分子筛干燥剂吸收。制作时应选择具有较强吸水性，但不会吸附通过的烟颗粒的分子筛干燥剂。
[0024]本实用新型通过测量烟雾透光率来完成对烟雾的探测。主要有以下两点优点:
(I)FAA对货舱烟雾探测的标准要求也是基于对透光率的要求，本实用新型采用透光率作为测量结果能更好地与 FAA 标准(FAA Technical Standard Order (TSO)Cld.CargoCompartment Fire Detection Instruments.)相适应；(2)现有飞机货舱火灾探测器对烟雾的探测大多采用基于散射原理的光电感烟探测器，这种探测器由于器件性能与光学结构的限制，不能对烟雾的浓度有较为精确的测量，且容易发生误报。本实用新型直接测量一束烟雾的透光率，主要测量激光线性光路上经过烟气作用之后的光功率，能取得较高的精度，具有更好的抗干扰能力。
[0025]本实用新型所述CO浓度探测装置选用基于红外吸收原理的传感器。目前CO传感器主要有:催化燃烧传感器、电化学法传感器、半导体气体传感器、红外吸收气体传感器。催化燃烧式CO传感器需要加热，不利于安全；半导体和电化学CO传感器探头存在容易中毒老化，使用寿命较短，受环境影响较大的缺点。利用红外吸收原理制作的CO气体传感器具有使用寿命长、受环境影响较小等优点，较适用于飞机中。
[0026]CO浓度探测装置后通过管路与流量计连接。流量计测量管路中的气流流量。流量计后接采样泵。采样泵抽气给采样提供动力。由于飞机在飞行过程中，货舱与环境内的压力都会改变，会带来管路中流量的变化。控制处理单元根据流量计的变化来调节采样泵的转速，保持管路中气流流量恒定。采样泵后接排气装置。排气装置一般与飞机的废气处理系统连接。
[0027]根据温度、烟雾透光率和CO浓度数据判断是否发生火灾可以采用本领域常用的算法，例如，模糊神经网络火灾探测算法，本实用新型也可以采用基于贝叶斯网络的复合火灾探测算法，复合探测技术是解决误报率高的有效途径。本实用新型所述温度探测器、烟雾透光率探测装置、CO浓度探测装置将采集到的温度、烟雾透光率和CO浓度数据输送到控制处理单元。经数据预处理后输入已经训练好的本领域常用的算法或者贝叶斯网络火灾探测算法，判断是否发生火灾。根据《贝叶斯网引论》(张连文，郭海鹏，2006) —书的介绍，贝叶斯网络是一种帮助人们将概率统计应用于复杂领域、进行不确定性推理和数据分析的工具；贝叶斯网络把复杂的联合概率分布分解成一系列相对简单的模块，从而大大降低了知识获取的难度和概率推理的复杂度，使得人们可以把概率论应用于大型问题；且贝叶斯网络可以直观地用图形和联合概率分布的方式表示各节点之间的关系，具有工程技术人员容易理解、操作的优点。
[0028]本实用新型所述贝叶斯网络火灾探测算法确定过程如下:首先对飞机货舱环境和火灾事故案例进行分析，确定飞机货舱火灾试验的方案和货舱中可能对火灾探测造成影响的干扰源，并初步确定贝叶斯网络的节点与基本结构；下一步开展飞机货舱火灾实验，实验中要考虑对火灾探测会造成影响的干扰源，比如灰尘、昆虫、水汽等；在火灾实验中使用与本实用新型所述相同的设备采集火灾实验中的烟雾透光率、烟气温度和CO浓度数据；使用采集的数据进行贝叶斯网络节点条件概率的学习；在条件概率学习完成后，将贝叶斯探测模型输入本实用新型的控制处理单元，在此基础上开展航空标准(中国民用航空规章第25部，25.858条，2011)要求的I分钟火灾探测试验；如果探测系统不满足I分钟火灾探测试验的要求，则需要修改网络结构、节点条件概率等参数；如果探测系统能够满足I分钟火灾探测试验，则火灾探测算法的确定过程结束；将得到的算法输入到本实用新型的控制处理单元中，即可进行火灾探测。
[0029]控制处理单元12与报警指示器13相连，控制处理单元12发出火灾信号后，报警指示器13可以在飞机驾驶舱内发出声光报警信号。
[0030]图2给出了本实用新型在飞机中的一种安装方式。采样管4路布置在货舱上部，采样口 2在货舱的顶部。加热装置5安装在采样管中部。探测主机16中包含滤湿装置6、烟雾透光率探测装置7、C0浓度探测装置8、采样泵10、排气装置11、控制处理单元12和供电单元14。探测主机16安装在货舱一侧，维护人员可以通过飞机外壁或者货舱内开启的检修门进行维护保养。
[0031]根据货舱的尺寸在货舱顶部布置抽气口。抽气口的数量应满足探测性能的要求。抽气口应和货舱的送风口保持一定距离，为有利于烟气的抽取，抽气口底部应尽量与货舱内表面齐平，如图3。为防止货物将抽气口堵住，或撞击抽气口，应在抽气口下方设置防护罩。防护罩应向下突出，而且有较多开孔。图3给出了抽气口与防护罩安装示意图。抽气口入口处设置金属滤网，目的是防止昆虫、粉尘颗粒等进入吸气管路。在金属滤网上方设置温度探测器。为保证温度探测器具有较好的探测效果，探测器设置在靠近弯管的位置。探测器可以采用响应速度较快的热电偶。
[0032]在靠近主机的采样管4上设置一段加热装置5。加热装置5可以是一定长度的电加热管。为了减轻系统的重量，加热装置5可只安装在采样管的主管路上，而不是在每个支管上都安装。加热装置5与采样管采用螺纹连接。
[0033]加热装置5后设置滤湿装置6。本实用新型采用由分子筛干燥剂压缩制成的管状干燥段作为滤湿装置，如图4所示。管状干燥段中有三个较大的孔，气流通过其流过。气流中的水分在通过干燥剂孔段时被吸收。分子干燥剂应具有较强的吸收水分的效果，但不会吸附通过的烟颗粒。滤湿装置通过螺纹与采样管连接。滤湿装置的干燥效果可以通过调节干燥孔的数量、干燥段的长度调节。需要说明的是，滤湿装置并不需要滤除气流中的所有水分，能够控制气流中的湿度相对较低，不会对烟雾透光率测量带来影响即可。
[0034]在滤湿装置6后，抽入的气体即进入烟雾透光率测量装置7。烟雾透光率测量装置7由进气口 24、半导体激光器30、激光驱动电路31、激光准直铜管29、烟雾探测腔25、遮光管26、硅光电池接收器27、硅光电池接收电路28、出气口 44组成。烟雾探测腔25为轻质铝合金制作的圆筒，长度20cm,外径4cm,壁厚2mm,两端封口，水平放置,在靠近两端面的圆筒壁面上下两点，分别开直径2.5cm的圆孔，分别和进气管和排气管密封连接。烟雾透光率测量装置的结构示意图可参见图5。
[0035]激光驱动电路采用恒流源驱动芯片IC-WKN，激光二极管采用N型半导体激光二极管，功率为5mw，波长为850nm，IC-WKN由9v供电，根据芯片使用说明连接电路，产生35mA的驱动电流，驱动激光二极管发光。
[0036]激光二极管固定于激光准直铜管底部，激光准直铜管顶部有准直透镜，使发出的激光光轴和铜管轴线重合，激光准直铜管固定到外壳左侧中心。
[0037]硅光电池固定于烟雾探测腔右端面中心，感光面朝向壳体内部，在硅光电池前端使用长度2cm，内径5.2_，壁厚1_的黑色塑料管制成的遮光管固定于外壳上，激光光路、遮光管轴线、硅光电池中心位于一条线上，硅光电池暴露于遮光管之外的地方使用黑色喷漆处理，目的是保证硅光电池收到的光线全部来自遮光管内部。
[0038]接收电路主要为 将硅光电池产生的电压进行放大电路，主要采用运算放大器工作于线性放大区进行信号放大，将放大的电压信号传送到控制处理单元12 ;控制处理单元12驱动IC-WKN工作和接收硅光电池电压信号，并将数据进行运算，利用下面公式，计算烟雾透光率。
[0039]每英尺透光百分比可以用下面公式计算:
[0040]
【权利要求】
1.一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，其特征在于包括:带温度传感器的采样口(2)、采样口防护罩(3)、采样管(4)、加热装置(5)、滤湿装置(6)、烟雾透光率探测装置(7)、过滤装置(32)、CO浓度探测装置(8)、气体流量计(9)、采样泵(11)、排气装置(12)、控制处理单元(12)、报警指示器(13)和供电单元(14);所述带温度传感器的采样口(2)安装在飞机货舱顶部，采样口保护罩(3)安装在货舱内部位于采样口(2)下方；所述带温度传感器的采样口(2)内部安装一温度传感器，能够测量通过采样口(2)气流的温度；采样口(2)后通过采样管(4)依次连接加热装置(5)、滤湿装置(6)、烟雾透光率探测装置(7)、过滤装置、CO浓度探测装置(8)、采样泵(11)和排气装置(12);将温度传感器、烟雾透光率探测装置(7)和CO浓度探测装置(8)测量到的温度、烟雾透光率和CO浓度数据输送到控制处理单元(12)，所述报警指示器(13)安装在飞机驾驶舱内，为驾驶员提供火灾报警信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，其特征在于:烟雾透光率探测装置采用半导体激光器与硅光电池组成的探测光路；主要包括激光二极管，激光准直铜管，进气管，外壳，遮光管，感光元件为硅光电池的光电接收器，排气管，接收电路 ，控制器和激光驱动电路组成；在外壳的上下两个面上分别靠近左侧面和右侧面位置开孔，密封连接进气管和排气管；激光二极管塞进激光准直铜管内，激光准直铜管和硅光电池分别固定于外壳左右侧面的中心位置，激光准直铜管的汇聚中心正对硅光电池正面中心,在娃光电池前面将一圆筒状遮光管固定到外壳右侧面上,遮光管内部壁面为黑色，遮光管中心线和激光发射线重合，硅光电池只可以接收到通过遮光管内部的激光，硅光电池接收面积大于遮光管外径的部分用黑漆涂黑处理；激光驱动电路在外壳外面，通过三根线连接激光二极管，接收电路上端连接硅光电池正负极，下端连接控制处理单元。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合探测技术的吸气式飞机货舱火灾探测装置，其特征在于:co探测装置采用基于红外吸收原理的CO传感器。
【文档编号】G08B17/00GK203759818SQ201320850473
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】陆松, 杨慎林, 付阳阳, 张丹, 胡洋, 王洁, 张和平 申请人:中国科学技术大学