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1. CN101836244 - Fire alarm system

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火灾警报系统


技术领域
本发明一般涉及火灾警报系统,更具体地,涉及这样的火灾警报系统,其通过使用声波来估计监测空间中的烟浓度,并基于该烟浓度确定存在还是不存在火灾。 
背景技术
日本专利申请公开2005-258747公开了一种使用声波的火灾警报系统。这个系统估计在监测空间中存在的烟的浓度和监测空间的温度,并基于在通过监测空间而接收从声源发出的声波时的声压的波动、以及直到接收到所述声波的时刻的波动,来确定存在还是不存在火灾。 
然而,由于用于接收声波的传感器的随着时间经过的变化、以及取决于温度和湿度的特性变化,所接收到的声压经历了很多变化。因此,已经不可能区分所述声压的这个变化与取决于在监测空间中存在的烟的声压的衰减,且基于接收到的声波的声压来估计烟浓度的系统存在这样的问题,即,不可能精确地检测所述衰减。 
发明内容
本发明的目地是即使声波的特性和用于接收声波的元件发生变化,也精确地检测在监测空间中的烟浓度,并传送可靠的火灾警报。 
本发明的火灾警报系统包括:发送声波的声波生成器;声波检测器,其被设置为在其自身与所述声波生成器之间夹有监测空间,所述声波检测器检测经由监测空间从所述声波生成器发送的声波;控制器,其被配置为控制所述声波生成器和所述声波检测器;以及处理电路,其被配置为处理由所述声波检测器检测的输出。所述处理电路包括基于所述输出检测声压的声压检测器、用于估计在所述监测空间内存在的烟浓度的烟浓度估计器、以及被配置为当由所述烟浓度估计器估计的烟浓度超过预定的阈值时传送火灾警报的火灾警报器件。布置所述声波生成器和所述声波检测器,以便在监测空间内形 成用于将声波从所述声波生成器传播到所述声波检测器的第一和第二传播路径。并且,所述第一和第二传播路径具有相互不同的长度。所述处理电路包括计算部件,用于计算第一声压和第二声压之间的声压比,其中,所述第一声压是经由第一传播路径传播的声波的声压,所述第二声压是经由第二传播路径传播的声波的声压。所述烟浓度估计器被配置为计算由所述计算部件计算的声压比与预定的平均声压比之间的变化率,并基于预定的关系表达式,由所述变化率确定所述烟浓度,所述关系表达式描述与所述烟浓度有关的所述变化率。 
即使由于随着时间的经过的所述声波生成元件和波接收元件的变化引起从组成所述生成器的声波生成元件发送的声波的声压的变化,以及组成声波检测器的波接收元件的敏感度的变化,这些变化也同等地影响第一和第二声波。于是,这些变化不影响由所述计算部件计算的声压比。因此,所述火灾警报系统可以计算由所述计算部件计算的声压比与预定的平均声压比之间的变化率,并可以基于描述与烟浓度有关的变化率的预定的关系表达式,由所述烟浓度估计器估计烟浓度。结果,可以防止非传送火灾警报(错误警报)和丢失警报(即,信号太小以至于不能传送火灾警报),从而获得可靠的火灾警报系统。 
在本发明的火灾警报系统中,优选地,添加了这样的功能,其用于确定在监测空间中存在的悬浮颗粒的类型,并对应于所述类型精确地估计浓度。在这种情况下,所述生成器被配置为发送一声波,所述声波具有相互不同的第一和第二频率成分。并且,所述处理电路包括用于分离所述第一和第二频率成分的分离部件。所述声压检测器被配置为分别检测关于第一和第二频率成分的声压。所述处理电路包括颗粒估计器,其基于由所述计算部件输出的声压比来估计悬浮颗粒的类型。所述颗粒估计器被配置为计算第一变化率和第二变化率之间的相对变化率,所述第一和第二变化率是分别参考所述第一和第二频率成分而被计算出的。另一方面,所述处理电路包括用于存储相对变化率表和浓度表的存储器,所述相对变化率表具有与悬浮颗粒的不同类型相对应的不同相对变化率,所述浓度表具有对应于不同的第一变化率的不同烟浓度。所述颗粒估计器被配置为估计所述相对变化率表中的与相对变化率相对应的悬浮颗粒的类型。所述烟浓度估计器被配置为:如果悬浮颗粒的类型是烟,则估计浓度表中的与所述第一变化率相对应的烟浓度。 
在这个配置中,通过利用具有多个频率成分的单个声波,可以确定悬浮颗粒的类型,并且,如果所述悬浮颗粒的类型是烟,则可以精确地估计烟浓度,于是,相比用来从生成器发送多个声波的配置,该配置的成本降低了。另外,通过从生成器同时发送的单个声波中提取多个频率成分的提取强度(声压),这个配置不会受到当每个声波被发送时的声压之间产生的扩散的影响,并可以提高悬浮颗粒的类型和浓度的估计准确性。 
优选地,所述生成器被配置用于生成单脉冲的声波。在所述单脉冲的声波中,频率成分的强度之间存在很少差异,且所述声波具有这样的功率谱,其被成形使得功率被分布在相对较宽的频率范围内,于是,在用于提取频率成分的部件中,存在很少的强度之间的差异,而且可以提取频率成分的相对较宽范围内的强度,并可以精确地估计所述悬浮颗粒的类型。 
优选地,所述分离部件包括频率滤波器,其分别使第一和第二频率成分的声波通过,并且,所述计算部件被配置为计算与通过所述频率滤波器的第一和第二频率成分的声波有关的声压比。在这种情况下,例如,相比对从波接收元件输出的时间序列数据执行快速傅立叶变换、并提取每个频率成分的强度的配置,信号处理的负载可降低。 
在本发明的火灾警报系统中,优选地,所述生成器包括波生成元件,所述波生成元件为单个,并且,所述声波检测器包括波接收元件,所述波接收元件为单个。在相关的情况下,优选地,使用第一反射器和第二反射器,且在位于所述波生成元件一侧的第一反射器和位于波接收元件一侧的第二反射器之间形成所述第一和第二传播路径。在这个情况下,所述第一传播路径被设置为所述波生成元件和所述波接收元件之间的最短直线路径,而所述第二传播路径被设置为反射路径,经由其,从所述波生成元件发送的声波被所述第二反射器和第一反射器反射,并被导向波接收元件。 
在这个配置中,在使用单个波生成元件和单个波接收元件的同时,所述声波被第一反射器和第二反射器反射,于是,将所述声波经由对应于反射次数的具有相互不同长度的传播路径传播到单个波接收元件变得可能,随后,可以计算所述声压比。另外,因为能够计算关于所述生成器同时发送出的声波的声压比,所以,计算出的声压比不受取决于驱动所述生成器的时刻的声压的扩散的影响,并可以获得精确的火灾确定。而且,通过使用所述反射器,可以在最小的尺寸内部获得具有相互不同长度的传播路径,并可减小火灾传感器的尺寸。 
在本发明的火灾警报系统中,优选地,添加了用于校正取决于气温、湿度和大气压等的环境变化的所述声压比的变化的功能。因此,所述处理电路包括:用于测量气温、湿度和大气压中的至少一个参数的参数测量部件;以及环境变化校正部件,其基于所述参数,校正取决于环境变化的所述声压比的变化,且通过基于由一个或多个这些参数表示的校正关系表达式校正所述声压比,可以消除环境变化的影响,并更大地提高所述浓度的估计精度。 
在相关的情况下,所述环境变化校正部件被配置用于基于声速,校正取决于环境变化的所述声压比的变化,所述声速显示了作为上面提到的参数之一的气温和湿度。在这种情况下,所述处理电路被配置用于通过将第一传播路径的长度除以检测到第一声压的时刻与驱动生成器的时刻之间的时间差,来测量声速。通过使用这个系统,可以在没有添加新元件的情况下测量所述声速。例如,当大气压恒定时,可基于温度测量部件获得的气温和所述声速来计算湿度。可通过利用对所述环境变化产生了相对较大的影响的气温和湿度作为所述参数,来校正声压比的变化。 
在本发明的火灾警报系统中,优选地,添加了用于校正取决于第一和第二反射器的反射性能随着时间经过的变化的所述声压比的变化的功能。因此,所述火灾警报系统被配置用于检测分别在第一和第二反射器之间形成的第一传播路径、第二传播路径和第三传播路径中的声压。经由第二传播路径传播到波接收元件的声波的反射次数多于经由第一传播路径传播到波接收元件的声波的反射次数。而经由第二传播路径传播的声波的反射次数少于经由第三传播路径传播到波接收元件的声波的反射次数。所述处理电路包括:反射变化计算部件,用于针对关于反射器中反射性能的默认值来计算相对变化率;以及反射变化校正部件,用于基于所述相对变化率校正声压比。所述反射变化计算部件被配置用于基于在反射次数方面相互不同的、通过接收经由第一传播路径传播的声波而获得的第一声压、通过接收经由第二传播路径传播的声波而获得的第二声压、以及通过接收经由第三传播路径传播的声波而获得的第三声压之间的声压比,来计算相对变化率。 
在这个配置中,测量了经由具有相互不同长度的传播路径的第一、第二和第三声波的声压。将第一和第二声压之间的比与第一和第三声压之间的比进行比较,当所述反射器的反射率变化时,反射次数相互不同,且影响程度 也不同。因此,能够针对默认值(所述声压比中包含的值)计算相对变化,且能够通过基于这个反射变化校正第一和第二声压之间的比,来精确地估计烟浓度。 
在本发明中,公开了实现估计在监测空间中存在的悬浮颗粒的类型、并精确地确定对应于所述类型的浓度的功能的其他系统。在这个系统中,所述生成器被配置用于分别发送具有相互不同的第一和第二频率的声波。所述处理电路包括颗粒估计器,其基于由所述计算部件输出的声压比估计悬浮颗粒的类型。所述颗粒估计器被配置用于计算第一变化率和第二变化率之间的相对变化率,所述第一和第二变化率是分别参考所述第一和第二频率的声波计算的。在这个系统中,所述处理电路还包括用于存储相对变化率表和浓度表的存储器,所述相对变化率表具有对应于悬浮颗粒的不同类型的不同相对变化率,所述浓度表具有对应于不同的第一变化率的不同烟浓度。所述颗粒估计器被配置用于估计所述相对变化率表中的对应于相对变化率的悬浮颗粒的类型。所述烟浓度估计器被配置用于如果悬浮颗粒的类型是烟,则估计浓度表中的对应于所述第一变化率的烟浓度。 
优选地,上面提到的系统中的所述生成器包括单个声源。所述控制器被配置用于驱动所述声源,以便从声源顺序地发送具有相互不同的第一和第二频率的声波。在这种情况下,所述计算部件使所述控制器同步,并被配置用于分别计算来自声波检测器的、与具有第一和第二频率的声波相关的声压比。因此,通过利用所述单个声源,声波的输出部件的配置变得简单,且允许减小尺寸。在本发明的火灾警报系统中,优选地,第一和第二反射器中的每一个具有关于所述波生成元件和所述波接收元件而被形成为凹面的反射面,所述波生成元件和所述波接收元件分别位于可以面向第一和第二反射器的位置。并且,优选地,所述反射器被配置用于在波生成或波接收元件中收集声波,且所述波生成元件和所述波接收元件分别位于第一和第二反射器的反射面的外露部分。在这个配置中,即使声波在反射面中重复反射,声波也很难散射,这样可以防止取决于所述生成器和波接收元件之间的声波的散射的声压减小。因此,当监测空间中没有烟颗粒时,在波接收元件中接收到的声波的声压仍可以被高度地保持。波接收元件输出的变化量与烟浓度的变化量之比变得相对较大,并且,还有一个优势是改善了信噪比。 
优选地,本发明中,所述第一和第二反射器位于一对防扩散板之间,且 在第一和第二反射器的高度方向的末端,利用所述防扩散板阻隔监测空间。所述波生成元件位于第一反射器长度方向的中间部分,且在第一反射器的中间部分,波生成元件的一个生成面被配置用于覆盖第一反射器的整个高度方向。可以防止在第一和第二反射面之间传播的声波从这些反射器之间形成的传播路径离开、且声压减小。所述信噪比可以被高度地保持,且可以实现精确地确定所述烟浓度的声压比。 
附图说明
现在,将进一步详细描述本发明的优选实施例。参考以下细节描述和附图,可以更好地理解本发明的其他特征和优势,附图中: 
图1是显示根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的示意图; 
图2是显示根据本发明的第一实施例的在火灾警报系统中使用的检测单元的透视图; 
图3A、3B和3C是显示本发明的基本原理的示意图; 
图4是说明根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的用于估计颗粒的类型的方法的图; 
图5是说明根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的用于估计每个类型的颗粒的浓度的方法的图; 
图6是说明根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的操作的流程图; 
图7是说明根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的检测单元的具有不同长度的传播路径的示意图; 
图8是显示根据本发明的第一实施例的火灾警报系统的通过具有不同长度的传播路径接收到的超声波的示意图; 
图9是显示根据本发明的第一实施例的实现在火灾警报系统中使用的声波生成器的波生成元件的示例的截面图; 
图10是显示根据本发明的第一实施例的由火灾警报系统的波生成元件生成具有多个频率的超声波的方法的示例的图示; 
图11是显示根据本发明的第一实施例的实现在火灾警报系统中使用的声波检测器的波接收元件的示例的透视图; 
图12是图11所示的波接收元件的截面图; 
图13是显示根据本发明的第一实施例的在火灾警报系统中使用的其他 波接收元件的截面图; 
图14是显示根据本发明的第一实施例的在火灾警报系统中使用的其他检测元件的示意图; 
图15是显示根据本发明的第二实施例的火灾警报系统的示意图; 
图16A和16B是说明当使用从波生成元件输出的单脉冲时操作的示意图; 
图17A和17B是说明图16A和16B所示的在波接收元件中检测到的单脉冲的频率分离的示意图; 
图18是用于图17A和17B所示的分离频率的分离部件的示意图;以及 
图19是说明根据本发明的第二实施例的由在火灾警报系统中使用的声速测量部件来测量声速的波形图。 
具体实施方式
本发明的火灾警报系统利用超声波来测量作为在监测空间中存在的悬浮颗粒的烟的浓度,并且,当烟浓度超过预定的阈值时,传送火灾警报。所述火灾警报系统被配置用于基于分别经由具有相互不同长度的传播路径传播的声波的声压之间的声压比,来估计所述烟浓度。在下面描述的实施例中,说明了被附在建筑物的室内天花板上的单个火灾传感器实现本发明的火灾警报系统的情况。但本发明不局限于这种情况,还包括火灾传感器以及经由无线或有线方式与该火灾传感器通信的主站实现所述火灾警报系统的情况。 
(第一实施例) 
如图1所示,根据本发明的第一实施例的火灾警报系统包括发送超声波的声波生成器20、声波检测器30、控制声波生成器20和声波检测器30的控制器40、以及处理电路100。所述处理电路100处理由声波检测器30检测到的输出,并且,估计烟浓度并传送火灾警报。然后,被附在建筑物的室内的火灾传感器配备有这些生成器、检测器、控制器和电路。所述生成器和声波检测器分别包括单个波生成元件20和单个波接收元件30。通过将元件20、30两者与第一和第二反射器50、60组合,而组成检测单元10。所述第一和第二反射器50、60被定位为相互分离预定距离,并在第一和第二反射器50、60之间设置监测空间。所述波生成元件20位于第一反射器50的长度方向的中间部分,并且,波接收元件30位于第二反射器60的长度方向的中间部分。 因此,在所述两个元件20、30之间设置用于传播声波的具有相互不同长度的传播路径。换言之,得到了第一传播路径L1和第二传播路径L2,其中,经由第一传播路径L1,将从波生成元件20发送的声波直接传播到波接收元件30,经由第二传播路径L2,从波生成元件20发送的声波在被第二反射器60和第一反射器50反射之后传播到波接收元件30。所述控制器40通过与从波生成元件20发送的声波的输出定时同步、并驱动波接收元件30,检测经由第一传播路径传播的声波和经由第二传播路径传播的声波。 
所述控制器40包括控制波生成元件20以便间歇地发送超声波的电路、以及进行控制以便与声波经由第一和第二传播路径到达波接收元件30的定时同步并将输出发送到所述处理电路100的电路。 
如图2所示,所述检测单元10包括一对防扩散板12、12以及位于防扩散板之间的第一和第二反射器50、60。由这些组件包围的空间被设置为监测空间。所述第一和第二反射器50、60中的每一个都具有统一的高度,且彼此面对的每个反射面被形成为凹面。所述第一和第二反射器50、60分别将声波朝向波接收元件30和波生成元件20的侧面反射。所述波生成元件20位于第一反射器50的中间部分,使得自身的高度覆盖了第一反射器50的整个高度方向。沿着所述检测单元10的高度方向扩散的声波被所述防扩散板12、12拦截。所述检测单元10在每个反射器的长度方向的两个末端打开,并且,外部大气经由这些开口被引入所述监测空间。 
所述处理电路100被配置用于基于波接收元件30检测到的输出来估计所述监测空间中存在的烟的浓度,并确定存在还是不存在火灾。在说明所述处理电路100的具体配置之前,将参考图3A、3B和3C来说明本发明的基本原理,即,基于经由具有不同长度的传播路径、在波接收元件中检测到的不同声压之间的声压比,来估计烟浓度。 
如图3A所示,如果使用所述火灾传感器的大气环境(例如,气温、湿度和大气压)处于常态,且所述波生成元件和波接收元件处于默认条件(其中,不产生随时间的经过的变化,且悬浮颗粒(包括烟颗粒)未进入所述监测空间),则分别经由具有不同长度L 1 、L 2 的传播路径而传播到波接收元件30的声波显示出不同的声压P 10 、P 20 。因为声压与传播路径的长度成比例地减小,所以,经由具有长度L 2 的传播路径传播的超声波的声压P 20 与经由长度L 1 (<L 2 )的传播路径传播的超声波的声压P 10 相比而变低,且默认的声压比R 0 变为 (R 0 =P 20 /P 10 )。 
如果由于波生成元件20和波接收元件30随着时间的经过的变化引起特性变化,且在监测空间中不存在悬浮颗粒(包括烟颗粒),则如图3B所示的经由具有长度L 1 的传播路径传播的超声波的声压P 11 和经由具有长度L 2 的传播路径传播的超声波的声压P 21 与图3A所示的声压(P 10 、P 20 )相比分别变低,但声压比R 1 (即,P 21 /P 11 )等于默认的声压比R 0 。换言之,由于波生成元件20和波接收元件30随时间的经过的变化所引起的特性变化不影响声压比R 1 。 
另一方面,如果烟颗粒(或其他悬浮颗粒)进入波生成元件20和波接收元件30之间的监测空间,则不仅如图3C所示的经由具有长度L 1 的传播路径传播的超声波的声压P 1s 和经由具有长度L 2 的传播路径传播的超声波的声压P 2s 与图3A和3B所示的值相比变低,而且声压比(R s =P 2s /P 1s )也改变。换言之,因为在波接收元件30中检测到的声压的损失取决于超声波的传播距离、以及在烟颗粒进入监测空间中的情况下的监测空间中的烟浓度,所以,所述声压比R s 对应于长度L 1 、L 2 的差(L 2 -L 1 )、以及监测空间中的烟浓度,从默认的声压比R 0 变化。这个声压比的变化量显示出监测空间中的烟浓度。 
具体地说明,如果C[%/m]是上述监测空间中的消光系统的烟浓度,α是每1[m]的超声波对烟浓度1[%/m]的损失比,则经由长度L 1 传播的超声波的声压P 1s 可以被表示为 (1-α·CL 1 ),而经由长度L 2 传播的超声波的声压P 2s 可以被表示为 (1-α·CL 2 ),并且,从默认的声压比R 0 到声压比R s (=P 2s /P 1s )的变化量(R 0 -R s )可以由如下的方程表示: 
R 0 -R s =R 0 ·α·C(L 2 -L 1 )/(1-α·L 1
这时,如果α·L 1 充分小于1,则其变为R 0 -R s =R 0 ·α·C(L 2 -L 1 )。随后,从默认的声压比R 0 到声压比R s 的变化量(R 0 -R s )由与长度的差(L 2 -L 1 )和监测空间中的烟浓度C成比例的方程表示。因此,如果知道了α、L 1 和L 2 ,则可以基于从默认的声压比R 0 到声压比R s 的变化量(R 0 -R s )来估计监测空间中的烟浓度C[%/m]。或者,可以基于将从默认的声压比R 0 到声压比R s 的变化量除以默认的声压比R 0 得到的变化值(R 0 -R s )/R 0 来估计所述烟浓度。换言之,在本发明中,这样的变化量(R 0 -R s )和变化值(R 0 -R s )/R 0 被用作变化率,且基于这个变化率来估计烟浓度。作为所述系统的特性值的默认的声压比R 0 被存储在处理电路100的存储器200中。 
在下文中,将详细说明处理电路100。如图1所示,所述处理电路100 包括:声压检测器110,用于基于波接收元件30检测到的输出来检测声压;计算部件120,用于计算经过第一传播路径(长度L 1 )传播的声波的第一声压、以及经过第二传播路径(长度L 2 )传播的声波的第二声压之间的比;声压比校正部件130,用于校正随着周围环境的空气的变化、以及第一和第二反射器50、60的反射性能的变化而产生的声压比;声压比变化率计算部件160,用于计算从默认的声压比R 0 到计算出的声压比R s 之间的变化;颗粒估计器170,用于基于声压比的变化率来估计悬浮颗粒的类型;烟浓度估计器180,用于估计所估计出的颗粒的浓度;以及火灾警报部件190,如果所估计出的烟浓度超过了预定的阈值,则确定火灾存在,并生成火灾警报信号。这个火灾警报信号被发送到控制器40。然后,所述控制器40生成驱动信号,其使得波生成元件20在接收到这个火灾警报信号时,生成具有可听区间的频率的警报声。因此,可在没有单独附加扬声器的情况下产生蜂鸣声。这个火灾警报信号也被发送到外部警报系统,随后,在除火灾地点以外的地方也发出警告。 
下面描述所述声压比校正部件130。在下文中,将说明基于校正过的声压比来确定火灾的存在性的处理。所述声压比变化率计算部件160基于存储在存储器200中的默认的声压比R 0 和当前的声压比R s 来计算变化率(V=(R 0 -R s )/R 0 ),然后,将这个变化率输出到颗粒估计器170。例如,如果第一和第二反射器50、60中的每一个被形成为半径是150mm的凹面,且所述波生成元件20与波接收元件30之间的间隔是150mm,则默认的声压比R 0 随着所使用的超声波的频率而变化,并被设置为表1所示的值。 
[表1] 
在存储器200中,也存储了显示分别对应于几种类型的悬浮颗粒(例如,蒸汽、黑烟和白烟)的相对变化率(VR)的数据。所述相对变化率(VR)是:在每种悬浮颗粒的浓度为1%/m的环境下,通过使用标准频率(例如,82kHz)的超声波计算出的标准变化率V 82 与通过使用预定频率(例如,20kHz或54kHz)的 超声波计算出的变化率V 20 之间的比。关于一些有用频率预期地计算出如以下表2所示的这样的数据,其也可以由图4的图来表示。 
[表2] 
当所述颗粒估计器170估计悬浮颗粒的类型时,需要分别计算在利用标准频率的超声波时的变化率V 82 、以及在使用不同于标准频率的特定频率(例如,20kHz)的超声波时的变化率V 20 。因此,所述波生成元件20被配置用于通过顺序地控制所述控制器来发送具有相互不同的频率的声波。 
所述颗粒估计器170计算相对变化率(VR=V 20 /V 82 ),它是通过使用标准频率的超声波测量的实际变化率、与通过使用具有不同于所述标准频率的特定频率的超声波计算的变化率之间的比。然后,所述颗粒估计器170参考相对变化率表,并将测量的颗粒的类型估计为:在特定的频率处(这里是20kHz)显示出最接近于表中实际计算出的相对变化率VR的值的悬浮颗粒的类型。 
另外,如以下表3所示,密度参考表被存储在存储器200中。所述密度参考表显示出分别与几个频率(例如,82kHz、20kHz)的悬浮颗粒的类型相对应的单位变化率(每密度1%/m的变化率)。所述烟浓度估计器180参考对应于估计出的颗粒类型的单位变化率,并估计烟浓度。 
[表3] 
存储在密度参考表中的数据由图5中示出的图来表示。所述烟浓度估计器180计算在标准频率中测量的实际变化率与从所述密度参考表获得的标准频率(这里是82kHz)的单位变化率(每密度1%/m的变化率)之间的比,且这个比被估计为所述烟浓度。 
如果烟的类型是黑烟或白烟,且所述浓度超过预定的阈值(例如,10%/m),则火灾警报部件确定火灾的存在、并输出火灾警报。上面提到的执行在图6的流程图中被显示。可以将任意频率用于上面提到的标准频率和特定频率,且在估计所述浓度时所取决的频率不局限于所述标准频率,且还可以使用特定频率中的变化率。而且,也可以基于在一个或多个频率中计算的浓度的平均值来估计所述浓度。 
在本实施例中,使用了具有上面提到的配置的颗粒估计器170。但是,本发明的火灾警报系统包括这样配置的部件并不是必不可少的条件,并且,也可以通过声压比变化率计算部件160的输出来估计所述烟浓度。换言之,如图5所示,可以指定火灾的黑烟或白烟显示了相互接近的单位变化率。并且,与火灾不相关的蒸汽的单位变化率与黑烟和白烟相比显示出相当高的值。于是,如果火灾警报系统不位于产生蒸汽多到输出火灾警报的程度的地方(例如,浴室或厨房),则可以省略所述颗粒估计器。在这种情况下,可以通过选择所述单位变化率的平均值或代表值,来估计可指定火灾的白烟和黑烟的浓度。 
所述声压比校正部件130包括环境变化校正单元140和反射率校正单元150。所述环境变化校正单元140考虑与周围环境空气的变化相关联的超声波吸收损耗的变化,来校正声压比。所述反射率校正单元150校正随着第一和第二反射器50、60的反射性能的变化而产生的声压比。 
所述环境变化校正单元140与温度测量部件142、湿度测量部件144和大气压测量部件146一起使用。所述环境变化校正单元140接收由这些部件测量的温度、湿度和大气压作为大气参数。然后,所述环境变化校正单元140通过利用这些参数中的至少一个来校正声压比。另一方面,所述反射率校正单元150基于反射变化校正部件152计算的反射率来校正声压比。本发明的 火灾警报系统包括所述声压比校正部件130并不是必不可少的条件。但是为了获得更高精度的火灾检测,这是有用的。而且,优选地,使用环境变化校正单元140和反射率校正单元150中的至少一个。 
(环境变化校正单元140的说明) 
首先,说明所述环境变化校正单元140对声压比的校正。即使不存在烟,在监测空间中,也会与大气环境(温度、湿度和大气压)的变化相关联地产生从波生成元件20发送的声波在空气中的吸收损耗、以及该声波的扩散状态的变化。因为传播路径分别具有不同的长度,所以,第一声压和第二声压分别显示了不同的变化。所述第一声压是经由第一传播路径从波生成元件20直接传播到波接收元件30的第一声波的声压。所述第二声压是被反射器50、60反射并传播到波接收元件的第二声波的声压。与空气中的吸收损耗相关联的声压变化率B由以下方程1表示,其中x表示传播路径的长度,α 0 表示标准状态下的空气的吸收损耗因子,以及α 1 表示空气状态变化之后的吸收损耗因子。 
[方程1] 
这里,经过上面提到的吸收损耗的第一和第二声波之间声压比的变化率BR可以由以下方程2表示,其中,L表示第一声波的第一传播路径的长度,3L表示由反射器的反射获得的第二声波的第二传播路径的长度。 
[方程2] 
因此,声压比变化了上面提到的声压比的变化率BR,其与空气中的吸收损耗的变化相关联。这里,已知吸收损耗因子由作为介质的气温、湿度、大气压和声波的频率的函数表示。因为声波的频率由控制器确定,所以,可以由监测空间中的气温、湿度以及大气压来计算所述吸收损耗的变化。 
这里,监测空间中的声速V由以下方程3表示,其中,T表示气温,E表示水蒸汽压力,以及P表示监测空间中的大气压。 
[方程3] 
因此,可以通过利用声速、气温和大气压的函数计算的水蒸汽压力E,来计算空气湿度H。 
然后,声压和声压比接收到方向性的影响,其显示了声波的波长和扩展状态,且所述方向性随着波长的变化而变化。声波的波长λ由频率f和声速V确定,如以下方程4所示。 
[方程4] 
因此,结果是:声波的波长取决于气温、湿度、大气压和频率。如果气温、湿度和大气压分别从标准值发生变化,则所述波长变化。因此,显示了声波的波长和扩展状态的所述方向性因子D变化,然后,声压和声压比变化。 
所述方向性因子D由以下方程5表示,其中θ表示:在所述声波是类似于正弦波的单脉冲声波的情况下的、对声波的发送方向的角度。方程5中的“a”表示:波生成元件20的生成区域所形成的正方形的边长的一半。 
[方程5] 
因此,如果声波的波长变化,即空气中的声速变化,即,气温、湿度和大气压分别从标准值发生变化,则方向性因子D变化。然后,第一和第二声波的声压也分别变化。另外,在没有被反射器反射的情况下直接在波接收元件30中接收第一声波。第二声波被反射器50、60反射。所述反射器50、60中的每一个形成为凹面,且具有集中声音的效果。因此,经由具有与第一声波的传播不同的长度的传播路径而接收所述第二声波。 
上面提到的空气中的吸收损耗和方向性的变化分别对第一和第二声波的声压具有不同的影响。然后,基于这些声压获得的所述声压比变化。因此,可以通过利用引起这些变化的气温、湿度和大气压作为参数,来校正所述声 压比。在这个校正中,可以单独基于上面提到的关系表达式来进行校正。例如,如果大气压不变化,则温度对标准值的变化被设为ΔT,湿度的变化被设为ΔH,第一和第二声波的声压之间的声压比的校正量ΔPR由以下方程6表示。通过利用以下方程6、并将校正量ΔPR加到从计算部件120输出的声压比可,以校正与大气环境的变化相关联的影响。 
[方程6] 
ΔPR=A1·ΔT2+A2·ΔT+A3·ΔH2+A4·ΔH+A5·ΔT·ΔH+A6 
另外,基于环境的变化的校正不局限于上面提到的方程,且可以使用其他合适的方程。 
并且,如果从波生成元件20发送声波的时刻与在波接收元件30接收到声波的时刻之间的时滞被计算、然后采用通过将传播路径的长度除以时滞来计算声速的声速测量部件,则可以基于上面提到的方程3计算水蒸汽压力E,并可以由水蒸汽压力E计算湿度。因此,如果所述火灾警报系统不仅包括热敏电阻、热电偶和温度传感器IC作为监测空间中的温度测量部件142,还包括声速测量部件,则火灾警报系统可以在没有包括单独的湿度检测元件作为湿度测量部件的情况下计算空气湿度,且可以基于大气环境的温度、湿度和大气压来校正声压比。 
(反射率校正单元150的说明) 
在第一和第二反射器50、60中的声波的反射率取决于反射器的材料的体积弹性模量的变化、以及附着在反射器表面的物质等而变化。换言之,因为在监测空间中引入了烟,所以,所述反射器50、60被暴露在安装场所的大气中,于是,所述反射器的体积弹性模量可能变化,或者,诸如灰尘和油的污物可能附着在反射面上。在这种情况下,反射面中的超声波的反射率可能变化,于是,由于所述反射率的变化,由计算部件120计算的声压比R s 可能从默认的声压比R 0 发生变化。因为所述反射率的变化引起的声压比的变化是与环境变化校正无关的,所以,反射率校正单元150确定所述声压比R s 的校正值,并基于所述校正值校正声压比R s ,以便移除由反射面中的反射率的变化r’/r引起的声压比R s 中的变化的部分。 
因此,根据本实施例的火灾警报系统的所述处理电路100包括反射变化校正部件152和反射率校正单元150。所述反射变化校正部件152计算与超声波在反射面中的反射率相关的值。所述反射率校正单元150基于反射变化 校正部件152计算的反射率的变化,校正声压比。 
所述反射变化校正部件152基于在监测空间中、在被反射器反射的同时经由具有不同长度的传播路径传播、且被波接收元件30接收的声波的声压比,来计算反射率的变化。换言之,如图7所示,除了第一传播路径(长度L)和第二传播路径(长度3L)之外,还设置了第三传播路径(长度5L)。所述第一传播路径是声波从所述波生成元件20直接传播到波接收元件30的路径。所述第二传播路径是声波在被第二和第一反射器60、50反射后传播到波接收元件30的路径。所述第三传播路径是声波在分别被第二和第一反射器60、50反射两次后传播到波接收元件30的路径。分别计算对应于第一、第二和第三传播路径的声压P 10 、P 20 和P 30 。如图8所示,这些声波在从声波的生成时刻(t=0)起的时间(其是通过将传播路径的长度除以声速得到的)之后,分别在波接收元件30中被接收。 
反射率r’对默认值r的相对变化率由r’/r表示,其中,r表示反射面中的超声波的反射率的默认值,而r’表示当前反射率。被反射面反射一次或多次然后到达波接收元件30的超声波的声压对应于上面提到的变化率r’/r而变化。通过将r’/r以反射次数的幂乘方,来表示这个声压的变化(即,当反射次数是n次时,利用(r’/r)n来表示它)。换言之,经由第二传播路径到达波接收元件的第二声波的声压P 20 ’由P 20 ’=P 20 (r’/r)2表示。因此,经由第一传播路径(反射次数为0次)传播的声波的声压与经由第二传播路径传播的声波的声压之间的声压比R 20 ’由以下方程7表示。 
[方程7] 
因此,如果超声波在反射面中的反射率变化,则分别经由第一和第二传播路径传播的声波之间的声压比R s 也变化,而不管烟浓度是否变化。 
相似地,经由第三传播路径(反射次数是4次)传播的声波的声压P 30 ’由P 30 ’=P 30 (r’/r)4表示,其中P 30 为默认值。因此,经由第一传播路径(反射次数是0次)传播的声波的声压与经由第三传播路径传播的声波的声压之间的声压比R 30 ’由以下方程8表示。 
[方程8] 
顺便提及,经由每个传播路径传播的声波的声压(P s )由P s =P 0 (1-α·C·L)表示,其中,C[%/m]表示通过上面提到的监测空间中的消光系统的烟浓度,α表示每1[m]的超声波对烟浓度1[%/m]的损失率,以及L[m]表示超声波的传播路径的长度。这里,P 0 是从声波生成器输出的声波的声压,而且是之前设置的已知值。损失率α是之前标准化的烟浓度检测方法中的与烟浓度C相关的值。通过使用反射次数(n),第一和第二传播路径的长度由(n+1)·L表示。换言之,反射次数为2的第二传播路径的长度由3L表示,且反射次数为4的第三传播路径的长度由5L表示。因此,所述反射变化校正部件152计算反射变化率(r’/r),将P 10 =P 0 (1-α·C·L)、P 20 =P 0 (1-α·C·3L)、P 30 =P 0 (1-α·C·5L)代入上面提到的方程7、8。所述反射率校正单元150基于计算出的反射变化率校正声压比(R 10 ’、R 20 ’),并计算声压比(R 10 、R 20 ),从其分别移除取决于所述反射变化率(r’/r)的声压比的变化部分,并将这个校正后的声压比输出到声压比变化率计算部件160中。 
因此,可以消除由于老化退化以及反射面的污物引起的反射率的变化,而且,上面提到的与此相关联的颗粒类型的估计、烟浓度的估计以及火灾的确定可以被更精确地执行。 
在所述系统中,具有如图9所示的配置的波生成元件20被用作声波生成器。这个波生成元件20包括由单晶体的p型硅构成的基板21、作为在基板21的顶面部分形成的多孔硅层做的隔热层22、作为在隔热层22的表面一侧形成的金属薄膜的加热元件层23、以及在基板21的顶面一侧上电连接到加热元件层23的一对衬垫24、24。基板21的平面形状是矩形。隔热层22和加热元件层23的平面形状也分别是矩形。在基板21的顶面一侧,在未形成隔热层22的部分的表面上形成包括二氧化硅膜的绝缘膜(未显示)。 
上面提到的控制器40通过给加热元件层23的两端的衬垫24、24提供电压,使得加热元件层23产生快速的温度变化。这使得与加热元件层23接触的空气(介质)产生快速的温度变化(热冲击)。与所述加热元件层23接触的空气随着加热元件层23温度的升高而膨胀,并随着加热元件层23温度的降低而收缩,于是,通过适当地控制加热元件层23的通电,可以产生经由空气传播的超声波。因此,经由介质传播的超声波是通过将与加热元件层23的通电 相关联的加热元件层23温度的快速变化转化为所述介质的膨胀或收缩而产生的,与通过如压电元件的机械振动产生超声波的情况相比,可发送带有很少回响的超声波。 
在上面提到的波生成元件20中,p型硅基板被用作基板21,而隔热层22由多孔度约为60%到70%的多孔硅层组成。所述多孔硅层是通过利用作为氟化氢溶液和乙醇的混合溶液的电解溶液来对硅基板的一部分进行阳极氧化而形成的。通过阳极氧化形成的多孔硅层包含大量纳米晶硅,这是晶粒尺寸为纳米量级的精细的晶硅。所述多孔硅层的热传导率和热容量随着多孔度的升高而变小,于是,可以使隔热层22的热传导率和热容量相比基板21的热传导率和热容量而较小。而且,可使所述隔热层22的热传导率和热容量的积相比基板21的热传导率和热容量的积而足够小。结果,加热元件层23的温度变化可被有效地传递到空气,并可以在加热元件层23和空气之间产生有效的热交换。同时,基板21从隔热层22有效地接收热量,并可散热,于是,它可以防止热量在隔热层12累积。 
对于通过对热传导率和热容量分别为148W/(m·k)和1.63×106J/(m3·K)的单晶体的硅基板进行阳极氧化而形成的多孔度为60%的多孔硅层,已知热传导率和热容量分别为1W/(m·k)和0.7×106J/(m3·K)。在本实施例中,所述隔热层22由多孔度约为70%的多孔硅层构成,且隔热层12的热传导率和热容量分别是0.12W/(m·k)和0.5×106J/(m3·K)。 
虽然所述加热元件层23是由作为一种高熔点金属的钨形成的,但是所述加热元件层23的材料并不局限于钨,例如,钽、钼、铱、铝等也可以被采用作为材料。基板21的厚度为300μm到700μm,隔热层22的厚度为1μm到10μm,加热元件层23的厚度为20nm到100nm,以及衬垫24的厚度为0.5μm。这些厚度只是示例,并不被特别限制。而且,虽然硅被采用作为基板21的材料,但是不仅仅是硅,还有其他半导体材料足以作为基板21的材料。例如,其他半导体材料可以是锗、碳化硅、磷化镓、砷化镓和磷化铟等等,且可以通过阳极氧化而具有多孔结构。并且,在每种情况下,通过阳极氧化基板21的一部分而形成的多孔层可以被设置为隔热层22。 
上面提到的波生成元件20由于与加热元件层23的通电相关联的加热元件层23的温度变化而产生超声波。如果来自控制器40的驱动输入波形是频率为f1的正弦波,则在加热元件层23中产生的温度振动的频率为f2,其为 f1的两倍。于是,可以产生具有接近于驱动输入波形f1的两倍的频率的超声波。因此,上面提到的配置的波生成元件20具有平坦的频率特性,且产生的超声波的频率可以在宽范围内变化。 
为了使具有几个不同频率的超声波从上面提到的波生成元件20输出,如图10A所示,控制器40关于每个频率进行操作,以便输出具有预定频率f0的连续波(例如,三个周期)的突发波。在这种情况下,如图10B所示,根据循环数目,在频率f0处存在峰值,且在其他频带强度变低,且每个频率可以被清楚地区分。另外,因为所述隔热层22由多孔层构成,所以,提高了隔热层22的隔热属性,且超声波生成效率变高,而且,相比所述隔热层22由非多孔层(例如,二氧化硅膜等)构成的情况,其功耗可降低。 
如图11和12所示,电容型的麦克风被用作波接收元件30,其为声波检测器。这个元件包括:作为以矩形形成的硅基板的框架31,其包括窗孔32;以及位于框架31表面侧以便跨越相互面对的两侧的悬臂式振动膜33。热氧化膜35、覆盖所述热氧化膜35的二氧化硅膜36、以及覆盖所述二氧化硅膜36的氮化硅膜37在框架31的表面侧被形成。振动膜33的固定端通过氮化硅膜37被框架31支撑,且振动膜33的自由端被定位为面向所述氮化硅膜37。由金属薄膜(例如,铬膜等)构成的固定电极38对应于振动膜33的自由端而被形成在氮化硅膜37中。由金属薄膜(例如,铬膜等)构成的可移动电极34在振动膜33的自由端中的面向氮化硅膜37的表面的反向侧的表面上形成。另外,氮化硅膜39在框架31的表面下形成。所述振动膜33包括氮化硅膜,它在除了形成上面提到的氮化硅膜37、39的过程之外的过程中形成。 
在具有上面提到的配置的电容型的波接收元件30中,形成了利用固定电极38和可移动电极34作为一对电极的电容,于是,当所述振动膜33接收到纵波的压力时,固定电极38和可移动电极34之间的距离变化,且两个电极之间的电容量也变化。当在所述两个电极之间提供直流偏压时,取决于超声波的声压,在所述两个电极之间产生微小的电压变化,于是超声波的声压通过取出这个电压变化而改变成电信号。因此,固定电极38和可移动电极34中的每一个都经由电阻器连接到电压源,且上面提到的声压检测器110检测这个电阻器两端的电压,以读取作为电信号的声压。 
图13显示了具有可用于本发明的系统的其他配置的波接收元件30A,且这个波接收元件被配置为结合上面提到的大气压测量部件146的功能。这个 元件被配置用于层压绝缘薄膜35A、金属薄膜的固定电极38A和硅基板31A的表面上的绝缘层36A。大气压保持恒定的标准压力室32A在绝缘层36A上形成,并且,位于标准压力室32A和监测空间之间的绝缘层36A的一部分被指定为振动膜33A。可移动电极34A在这个振动膜33A的顶端表面上形成。如果超声波被接收,则所述振动膜33A振动,且所述可移动电极34A和固定电极38A之间的距离变化,且所述两个电极之间的电容量也变化。 
在这个波接收元件30A中,在分别位于固定电极35A和可移动电极34A的两个衬垫35B、34B之间提供直流偏压。根据超声波的声压在所述两个衬垫之间产生的微小的电压变化被取出作为显示声压的输出。这个电压变化包括的直流成分对应于标准压力室32A与监测空间之间的大气压的差。因为这个原因,所述直流成分可以被用作为显示了监测空间的大气压的输出。在这个配置中,可以通过利用固定电极35A与可移动电极34A之间的电容量的变化来测量所述监测空间的大气压,且不需要新设立压力传感器等用于测量大气压,而且,可以减少火灾警报系统的组件数量。 
所述控制器40控制从波生成元件20的超声波发送操作、以及波接收元件30中的超声波接收操作。对发送操作的控制是通过向波生成元件20提供驱动输入波形并驱动所述波生成元件20的驱动电路、以及用于控制所述驱动电路的微计算机而实现的。从波生成元件间歇地发送具有预定频率的声波。对接收操作的控制是通过提供偏压以驱动波接收元件30的驱动电路、以及微计算机实现的。所述微计算机控制波接收元件,以便与所发送的声波经由空气传播、并到达波接收元件的时刻同步,并将声波信号发送给处理电路。所述声波信号被间歇地发送到处理电路100。为了接收分别经由具有不同长度的传播路径传播的超声波,对应于传播路径的长度的接收时刻前后的预定时段被设置为接收时段。 
在包括第一和第二反射器50、60的检测单元10中,除了如图7所示的包括具有统一的曲率的每个反射器的配置之外,还可使用如图14所示的包括在抛物线形状的表面中沿着其自身的长度方向弯曲的每个反射器的配置。在这种情况下,声波被反射器反射并到达波接收元件30的传播路径的长度被设置为声波从波生成元件被直接传播到波接收元件30的传播路径的长度L的整数倍。 
(第二实施例) 
图15显示了根据本发明的第二实施例的火灾警报系统。所述系统与上面提到的第一实施例的不同在于:波生成元件20生成包含多个频率成分的超声波,且用于分离多个频率成分的分离部件220在处理电路100中被形成。所述系统的其他配置和行为基本上与第一实施例的相同。在第二实施例中,使用了声速测量部件145,且系统被配置为计算监测空间的湿度。 
为了使从作为声波生成器的波生成元件20发送包含多个频率成分的超声波,第二实施例的控制器40向波生成元件20提供作为半正弦的孤立波的驱动输入波形。如图16A所示,从波生成元件20输出约为1个周期的单脉冲的超声波。如图16B所示,通过根据脉冲宽度将频率f0设置为中心频率,这个超声波的功率谱的强度(能量)分布在宽范围的频率上。于是,从所述波生成元件20输出包含多个频率成分的超声波。因为这个原因,所述分离部件220被配置用于关于如图16B的B1到B3所示的每个频带提取频率成分的强度。 
另一方面,谐振特性的Q值与压电元件相比足够小的电容型的麦克风被用作波接收元件30。于是,没有关于从波生成元件20发送的超声波所包括的多个频率成分的敏感度的很大变化。然而,所述敏感度落在高于波接收元件30的谐振频率fc的频带上,于是,优选地,所述波接收元件30具有高于通过分离部件220被提取了频率成分的强度的频带B1到B3的谐振频率。 
接下来,说明分离部件220的配置。例如,如图17A所示,假定当周期为3.33μs(300kHz)的单脉冲的超声波从波生成元件20中被发送时,在波接收元件30中接收到的超声波的功率谱在300kHz处具有峰值,如图16B所示。在这种情况下,为了提取图17B中的频带B1到B3的每个频率成分的强度,如图18所示,所述分离部件220包括使150kHz到250kHz(频带B1)的信号通过的第一滤波器221、使250kHz到350kHz(频带B2)的信号通过的第二滤波器222、以及使350kHz到450kHz(频带B3)的信号通过的第三滤波器223。所述分离部件220取出第一、第二和第三滤波器中每一个的输出作为每个频率成分的强度,并将其输出到声压检测器110。所述分离部件220还包括对接收元件30的输出进行放大的放大器224、以及将被该放大器放大的输出分发到每个滤波器的分发部件226。因此,所述分离部件220可以从自波生成元件20发送一次的超声波中提取多个频率成分的强度。 
另外,为了使波生成元件20发送包含多个频率成分的超声波,不局限于 上面提到的单脉冲的超声波,并且,可以通过控制器40控制波生成元件来生成作为周期的很少突发波的超声波、或通过将几个具有相互不同的频率的超声波叠加而形成的超声波。 
在本实施例中,所述控制器40向波生成元件20提供半正弦的孤立波作为驱动输入波形,并且,生成了具有约为1周期的单脉冲的很少回响的超声波。通过利用这样单脉冲的超声波,可以阻止反射干扰。 
在本实施例中,使用了声速测量部件145,并基于在声速测量部件145中计算的声速来估计大气中的湿度,且环境变化校正单元140被配置用于基于在温度测量部件142和声速测量部件145中计算的湿度,来校正取决于大气环境的变化的声压比。如图19所示,所述声速测量部件145被配置用于计算经由第一传播路径传播的声波SW1的接收时刻与经由第二传播路径传播的声波SW2的接收时刻之间的时间差Δt0,并通过将第一和第二传播路径的长度之间的差(L 2 -L 1 )除以时间差Δt0计算出声速V。并且,可以通过利用第一实施例中说明的方程3来计算湿度。或者,可以通过将第一传播路径的长度(L 1 )和第二传播路径的长度(L 2 )除以生成声波的时刻与接收声波的时刻之间的时间差,来计算声速。 
虽然本发明已经通过参考特定的优选实施例被描述,在不脱离本发明(即权利要求)的真正精神和范围的情况下,本领域的技术人员可以做很多修改和变动。