BG112583A - Multifunctional optical fire detector - Google Patents
Multifunctional optical fire detector Download PDFInfo
- Publication number
- BG112583A BG112583A BG112583A BG11258317A BG112583A BG 112583 A BG112583 A BG 112583A BG 112583 A BG112583 A BG 112583A BG 11258317 A BG11258317 A BG 11258317A BG 112583 A BG112583 A BG 112583A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- light
- range
- spectrum
- module
- optical
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000779 smoke Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 23
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 19
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 5
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 2
- 229940088623 biologically active substance Drugs 0.000 claims 1
- KPHWPUGNDIVLNH-UHFFFAOYSA-M diclofenac sodium Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)CC1=CC=CC=C1NC1=C(Cl)C=CC=C1Cl KPHWPUGNDIVLNH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 abstract description 36
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 35
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002360 explosive Substances 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 1
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000010410 dusting Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Многофункционален оптичен противопожарен детекторMultifunctional optical fire detector
I. Област на техникатаI. Field of the Technique
Изобретението се отнася до многофункционален оптичен противопожарен детектор, който детектира едновременно и непрекъснато въглероден оксид (CO), дим и температура, като детекцията е изцяло оптическа - в детектора не се прилага електрично напрежение и не протича електричен ток. Намира приложение в пожароизвестителни системи за всички типове помещения, както и такива с взривоопасна и агресивна среда.The invention relates to a multifunctional optical fire detector that simultaneously and continuously detects carbon monoxide (CO), smoke and temperature, and the detection is entirely optical - no electrical voltage is applied in the detector and no electric current flows. It is used in fire alarm systems for all types of premises, as well as those with explosive and aggressive environments.
II. Предшестващо състояние на техникатаII. Prior art
Изобретението цели да създаде универсален и многофункционален противопожарен датчик:The invention aims to create a universal and multifunctional fire detector:
- за противопожарна охрана на обекти с разнообразно приложение;- for fire protection of objects with various applications;
- който едновременно и непрекъснато детектира въглероден оксид, дим и температура;- which simultaneously and continuously detects carbon monoxide, smoke and temperature;
- Който е изцяло оптичен, като светлината в детектора се подвежда по оптични влакна; детектирането на CO, дим и температура е базирано на оптични принципи; в детектора няма електрично напрежение и не протича електричен ток както е при конвенционалните детектори.- Which is entirely optical, as the light in the detector is guided by optical fibers; detection of CO, smoke and temperature is based on optical principles; in the detector there is no electric voltage and no electric current flows as with conventional detectors.
Детекцията на CO е задължителна при използване на отопление на твърдо гориво, според регулациите на много страни. Вграждането на сензор за CO в противопожарния датчик е най- ефективно. Всички известни до момента датчици са електрохимични - датчикът работи при електрическо напрежение и в него протича електричен ток.CO detection is mandatory when using solid fuel heating, according to the regulations of many countries. Incorporating a CO sensor into the fire detector is most effective. All sensors known to date are electrochemical - the sensor works with an electric voltage and an electric current flows through it.
Електрическото захранване на датчика се осъществява или чрез свързване с електрическата мрежа или чрез батерия. И в двата случая тези датчици са опасни за използване във взривоопасни обекти или в обекти с агресивна химична среда, тъй като е доказано, че е възможно възникване на електрична искра, която да причини взрив.The sensor is powered either by connecting to the mains or by using a battery. In both cases, these sensors are dangerous for use in potentially explosive areas or in areas with aggressive chemical environments, as it has been shown that an electrical spark that could cause an explosion is possible.
В документ DE102011088850 ВЗ се съобщава за детектор на дим в противопожарна алармена система, който е изграден на принципа на разсейване на светлината на насочен лъч светлина в посока, различна посоката му на разпространение. Недостатък на този тип сензори е възникване на фалшив сигнал - запрашване на въздуха води до същия ефект.Document DE102011088850 BZ discloses a smoke detector in a fire alarm system, which is built on the principle of scattering the light of a directed beam of light in a direction different from its propagation direction. A disadvantage of this type of sensors is the occurrence of a false signal - dusting the air leads to the same effect.
В документ ЕП0248723 А1 се съобщава за сензор за установяване критична температура в охранявано от пожар помещение. В помещението са поставени оптични влакна, чиято полимерно отразяващо покритие се разрушава при определена температура. При това, интензитета на преминалата през оптичните влакна светлина рязко намалява, което и служи за индикация на температура, причинена от пожар. Недостатък на този метод е детекцията на определена температура, която се счита за критична. Това не отговаря на съвременните изисквания към противопожарните системи, които изискват непрекъснато измерване на температурата и критерии на опасност е градиента на изменение на температурата.Document EP0248723 A1 reports a sensor for establishing a critical temperature in a fire-protected room. Optical fibers are placed in the room, whose polymeric reflective coating breaks down at a certain temperature. At the same time, the intensity of the light passed through the optical fibers sharply decreases, which serves as an indication of the temperature caused by a fire. A disadvantage of this method is the detection of a certain temperature, which is considered critical. This does not meet the modern requirements for fire protection systems, which require continuous temperature measurement and the danger criteria is the temperature gradient.
В документ RU2336573 С1 се съобщава за противопожарен сензор, който алармира за възникване на дим и газове в начален стадии на пожар. Сензорът се състой от два оптични канала. Единият е на дължина на вълната, която се поглъща от детектеруемия газ, като за наличието му се съди по намаляване на интензитета на светлината. Другият канал е на друга дължина на вълната, като намаляване на интензитета може да се дължи единствено на наличието на дим. Недостатък на сензора е детекцията по изменение на интензитета на светлината. Това изменение може да се дължи на много фактори, несвързани с явленията, подлежащи на контрол. Това определя ниска надеждност на сензора.In document RU2336573 C1, a fire sensor is reported which gives an alarm for the occurrence of smoke and gases in the initial stages of a fire. The sensor consists of two optical channels. One is at a wavelength that is absorbed by the detectable gas, its presence judged by a decrease in light intensity. The other channel is on a different wavelength, and the reduction in intensity can only be due to the presence of smoke. A disadvantage of the sensor is the detection of changes in light intensity. This variation may be due to many factors unrelated to the phenomena under control. This determines the low reliability of the sensor.
В документ US4839527 се съобщава за система, която регистрира газове и дим чрез спектрален анализ, като наличието им е критерии за пожар. Регистрацията става в сензор, поставена в охраняваното помещение. Светлина с определен спектър се подвежда към сензора и се отвежда от него с оптични влакна. Възможно е да се постави и друг сензор, който да измерва температура, но не се уточнява принципа на работа. Съществените отличия от нашия детектор са в това, че измерването на дим, CO и температура става едновременно и в едно устройство. Предложеното измерване на наличие на газове по спектъра им на поглъщане не може да се осъществи с оптични влакна, защото те имат големи загуби за онези дължини на вълните, които са информативни за газовете. Вероятно на това не е обърнато внимание към момента на подаване на заявката (1989 г.) тъй като влакнесто-оптичната оптика към онзи момент е била на начален етап на развитие. Съществено отличие на нашето изобретение е, че измервания спектрален отклик не се дължи на спектралните свойства на газа, а на резултата на взаимодействието му с разпознаващо вещество, което силно улеснява практическата реализация.Document US4839527 reports a system that registers gases and smoke by spectral analysis, their presence being fire criteria. Registration takes place in a sensor placed in the guarded room. Light of a certain spectrum is brought to the sensor and taken away from it by optical fibers. It is possible to place another sensor to measure temperature, but the principle of operation is not specified. The essential differences from our detector are that the measurement of smoke, CO and temperature takes place simultaneously and in one device. The proposed measurement of the presence of gases by their absorption spectrum cannot be carried out with optical fibers because they have high losses for those wavelengths that are informative for gases. It is likely that this was not addressed at the time of filing (1989) as fiber optic optics was at an early stage of development at that time. A significant difference of our invention is that the measured spectral response is not due to the spectral properties of the gas, but to the result of its interaction with a recognition substance, which greatly facilitates practical implementation.
Такъв подход е разкрит в JPH1096690 (А), където се съобщава за сензор за измерване на въглероден оксид, Газът се детектира по взаимодействието му с неорганични разпознаващи елементи. Отличието от нашия детектор е, че той използва органично вещество за детектиране на CO, както че измерва едновременно и дим и температура.Such an approach is disclosed in JPH1096690 (A), which reports a sensor for measuring carbon monoxide. The gas is detected by its interaction with inorganic sensing elements. The difference from our detector is that it uses an organic substance to detect CO, and it measures both smoke and temperature at the same time.
Разкритият в GB2310726(A) противопожарен сензор детектира CO на същия принцип. Отличието му от нашия детектор е, че се сензорът не е изцяло оптичен - за функционирането му е необходимо електрическо захранване.The fire sensor disclosed in GB2310726(A) detects CO on the same principle. Its difference from our detector is that the sensor is not entirely optical - it requires an electrical power supply for its operation.
Задачите, които решава настоящето изобретение са:The tasks that the present invention solves are:
Ранното предупреждение за пожар изисква ранно детектиране на дим и на газове, отделящи се в началната фаза на пожара - при непълно горене. Тези газове са различни при различните продукти на горене, но при всички са отделя въглероден оксид CO. Едновременната им детекция позволява датчикът да е универсален - да се използва за противопожарна охрана на обекти с различно предназначение и съхраняващи различни продукти, както и да се сведе практически до нула възможността за фалшиви сигнали. Настоящето изобретение се отнася за изцяло оптичен противопожарен детектор, което позволява охраната на помещения за производство на взривни материали, складове за такива материали, военни кораби, подводници, химически производства, мини и минни производства, транспортни тунели.Early warning of fire requires early detection of smoke and gases released in the initial phase of fire - during incomplete combustion. These gases are different for different products of combustion, but they all emit carbon monoxide CO. Their simultaneous detection allows the sensor to be universal - to be used for fire protection of objects with different purposes and storing different products, as well as to reduce the possibility of false signals to practically zero. The present invention relates to an all-optical fire detector, which allows the protection of premises for the production of explosive materials, warehouses for such materials, warships, submarines, chemical plants, mines and mining plants, transport tunnels.
III. Техническа същност на изобретениетоIII. Technical essence of the invention
Задачата на изобретението е да създаде универсален и многофункционален противопожарен детектор, който да детектира едновременно и непрекъснато CO, дим и температура, като детектирането се извършва изцяло на оптични принципи.The task of the invention is to create a universal and multi-functional fire detector that can simultaneously and continuously detect CO, smoke and temperature, and the detection is carried out entirely on optical principles.
Изброените недостатъци на предшестващото състояние на техниката се преодоляват чрез създаването на нов метод за измерване на CO и комбинирането му с известни методи за измерване на дим и температура в конструирано ново устройство, представляващо противопожарен детектор.The listed disadvantages of the prior art are overcome by creating a new method for measuring CO and combining it with known methods for measuring smoke and temperature in a designed new device, which is a fire detector.
Новият метод за измерване на CO се основава на регистриране на взаимодействието на молекулата на CO с вещество (разпознаващо), което има силен афинитет на взаимодействие с CO. Разпознаващото вещество може да бъде Ag-YSZ (сребро със стабилизиран итрий и цирконий), калаен двуоксид или синтетичен хемоглобин. Регистрацията на взаимодействие с CO се извършва чрез повърхнинна плазмонна вълна, възбудена на повърхността на златна дифракционна решетка, на чиято повърхност е нанесено разпознаващото вещество, както е показано на фиг.1. Повърхнинната плазмонна вълна се възбужда от лъч бяла светлина, падащ под точно определен ъгъл 0 (фиг.1). При този ъгъл на падане спектърът на отразената светлина има минимум при точно определена дължина на вълната (крива 1, фиг.2). Това явление се нарича плазмонен резонанс. Ъгълът на падане 0 и дължината на вълната λ при която се наблюдава минимум на интензивността (т.е. при която възниква резонанс), са свързани с формулата: л// \1/2 \The new method of measuring CO is based on registering the interaction of the CO molecule with a substance (detector) that has a strong affinity of interaction with CO. The recognition substance can be Ag-YSZ (silver with stabilized yttrium and zirconium), tin dioxide, or synthetic hemoglobin. The registration of interaction with CO is performed by a surface plasmon wave excited on the surface of a gold diffraction grating, on the surface of which the recognition substance is applied, as shown in Fig.1. The surface plasmon wave is excited by a beam of white light falling at a precisely defined angle 0 (Fig. 1). At this angle of incidence, the spectrum of the reflected light has a minimum at a precisely defined wavelength (curve 1, fig.2). This phenomenon is called plasmon resonance. The angle of incidence 0 and the wavelength λ at which a minimum of the intensity is observed (i.e. at which resonance occurs) are related by the formula: λ// \ 1/2 \
Л = — —-sin(0) където А е константата на решетката, £т е диелектричната проницаемост на метала, а επ е диелектричната проницаемост на разпознаващото вещество. На фиг. 1 резонансната дължина на вълната (фиг.1) е: 728.0 nm. От формулата се вижда, че тя се променя при промяна на диелектричната проницаемост на разпознаващото вещество, което става при взаимодействие дори с няколко молекули CO - регистрацията на взаимодействие с плазмонен резонанс е изключително чувствителна. Крива 2 на фиг.2 показва плазмонния резонанс при взаимодействие с CO с концентрация 100 ppm (0.01%) - плазмонният резонанс е отместен с 10.4 nm. Отместването зависи единствено от концентрацията на CO. Зависимостта - спектрално отместване на плазмонния резонанс/концентрация на CO се калибрира предварително. Измерва се спектралното отместване и оттам - концентрацията на CO. Плазмонния резонанс (т.е. спектърът на отразената от дифракционната решетка светлина) се измерва със стандартен спектрометър.Γ = — —-sin(0) where A is the lattice constant, ε t is the dielectric permittivity of the metal, and ε π is the dielectric permittivity of the sensing substance. In fig. 1 resonance wavelength (fig.1) is: 728.0 nm. It can be seen from the formula that it changes when the dielectric permittivity of the recognition substance changes, which happens when it interacts with even a few molecules of CO - the registration of interaction with plasmon resonance is extremely sensitive. Curve 2 in Fig.2 shows the plasmon resonance when interacting with CO with a concentration of 100 ppm (0.01%) - the plasmon resonance is shifted by 10.4 nm. The offset depends solely on the CO concentration. The plasmon resonance spectral shift/CO concentration dependence is calibrated in advance. The spectral shift and hence the CO concentration is measured. The plasmon resonance (ie the spectrum of light reflected from the diffraction grating) is measured with a standard spectrometer.
До разпознаващото вещество е осигурен свободен достъп на въздух от охраняваното помещение. Наличието на CO винаги е свързано с процес и на горене и при регистрирането му се подава сигнал за пожарна опасност.Free air access from the guarded room is provided to the identifying substance. The presence of CO is always associated with a combustion process and when it is detected, a fire hazard signal is issued.
Регистрирането на дим става по познат метод: следи се амплитудата на отразената от дифракционната решетка светлина. Амплитудата на светлината не зависи от концентрацията на CO, а единствено от наличието на димни частици във въздуха на охраняемото помещение. На фиг 26, крива 3 е показан сигналът на плазмонния резонанс при концентрация 100 ppm и наличието на дим. Амплитудата на сигнала намалява поради поглъщането и разсейването на светлина от димните частици, но спектралното положение на резонанса се запазва. Намаляването на амплитудата на оптичния сигнал винаги е свързано с наличието на дим. При намаляване на амплитудата на сигнала с повече от 10% се подава сигнал за пожарна опасност.Smoke is registered by a known method: the amplitude of the light reflected by the diffraction grating is monitored. The amplitude of the light does not depend on the concentration of CO, but only on the presence of smoke particles in the air of the protected room. Figure 26, curve 3 shows the plasmon resonance signal at a concentration of 100 ppm and the presence of smoke. The amplitude of the signal decreases due to the absorption and scattering of light by the smoke particles, but the spectral position of the resonance is preserved. A decrease in the amplitude of the optical signal is always associated with the presence of smoke. When the signal amplitude decreases by more than 10%, a fire hazard signal is given.
Регистрирането на CO и на дим едновременно се отразява като абсолютно сигурен признак на пожар със съответната сигнализация. Комбинирането на двете регистрации позволява да се елиминират фалшиви сигнали при наличието на прах вместо дим.The registration of CO and smoke at the same time is reflected as an absolutely sure sign of fire with the corresponding alarm system. Combining the two registrations allows to eliminate false alarms in the presence of dust instead of smoke.
Принципът на измерване на температурата се основава на температурната зависимост на ширината на забранената зона на полупроводник GaAs:The principle of temperature measurement is based on the temperature dependence of the gap width of a GaAs semiconductor:
аТ2 Ед(Г> = ЕдЮ~ — където Ед е ширината на забранената зона, Т е температурата, а Ед(0), а и β са параметри специфични за материала. За GaAs техните стойности са Ед(0)=1.519 eV, а=5.4М0'4 eV/К , β= 204 К. От уравнението можем да се получи теоретичната зависимост на ширината на забранената зона и на дължината на вълната λ(Τ), от която започва да оптическото пропускане на GaAs, от температурата.аТ 2 Е d (Г> = Е d Ю~ — where Е d is the bandgap width, Т is the temperature, and Е d (0), а and β are parameters specific to the material. For GaAs, their values are Е d ( 0)=1.519 eV, a=5.4М0' 4 eV/K, β= 204 K. From the equation we can obtain the theoretical dependence of the width of the forbidden zone and the wavelength λ(Τ), from which the optical transmission begins of GaAs, from the temp.
Експериментално измерената промяна на оптическото пропускане на преминалата през полупроводникова пластина светлина е показано на Фиг. 3 увеличението на температурата води до отместване на рамото на пропускане към по-големите дължини на вълната. Това отместване, спрямо температура 18 °C, е показано на Фиг. 4 и по него се измерва температурата на полупроводника. Той е в контакт с околната среда на охраняемото помещение и така се измерва непрекъснато температурата. Това позволява не само да се подава сигнал за пожарна опасност при достигане до определена критична температура, но и да се следи градиента на температурата с времето. При отклоняване на тази величина от обичайната за охраняваното помещение се подава предупредителен сигнал в началото на възникване на горене.The experimentally measured change in the optical transmittance of light passing through a semiconductor wafer is shown in Fig. 3 the increase in temperature causes the transmission arm to shift to longer wavelengths. This shift, relative to a temperature of 18 °C, is shown in Fig. 4 and on it the temperature of the semiconductor is measured. It is in contact with the environment of the guarded room and thus the temperature is continuously measured. This allows not only to signal a fire hazard when a certain critical temperature is reached, but also to monitor the temperature gradient over time. If this value deviates from the usual for the guarded room, a warning signal is given at the beginning of the occurrence of combustion.
IV. Описание на приложените фигуриIV. Description of attached figures
Фиг.1 - златна дифракционна решетка с покрие върху нея, което взаимодейства с CO;Fig.1 - a gold diffraction grating with a cover on it, which interacts with CO;
Фиг. 2а - графика на спектралното отместване при концентрация на CO 100 ppm;Fig. 2a - graph of the spectral shift at a CO concentration of 100 ppm;
Фиг. 2в - графика на сигнала на плазмонния резонанс при концентрация 100 ppm и наличието на дим;Fig. 2c - graph of the plasmon resonance signal at a concentration of 100 ppm and the presence of smoke;
Фиг.З - графика на изменението на спектъра на преминалата през полупроводник GaAs светлина с изменение на температурата;Fig. 3 - a graph of the change in the spectrum of the light passed through the GaAs semiconductor with a change in temperature;
Фиг.4 - графика на отместването на рамото на оптично пропускане с изменение на температурата, спрямо температура 18 °C;Fig. 4 - a graph of the shift of the optical transmission arm with temperature change, relative to a temperature of 18 °C;
Фиг. 5 - примерно изпълнение на многофункционалния детектор;Fig. 5 - exemplary implementation of the multifunctional detector;
Фиг.6 - друго изпълнение на многофункционалния детектор;Fig.6 - another implementation of the multifunctional detector;
Фиг.7 - друго изпълнение на многофункционалния детектор;Fig.7 - another implementation of the multifunctional detector;
V. Примерно изпълнениеV. Sample Performance
Детекторът се състои от три модула:The detector consists of three modules:
Модул 1: доставя светлинния сигнал до другите два модула, които работят със светлинен сигнал в различни спектрални диапазони. Ролята на модул 1 е да насочи и раздели спектрално светлината към съответните модули, като след това обедини светлинните сигнали и ги изпрати към спектрометъра. Модул 1 включва лещи, дихроични огледала и обикновени огледала.Module 1: supplies the light signal to the other two modules, which work with a light signal in different spectral ranges. The role of module 1 is to direct and spectrally split the light to the respective modules, then combine the light signals and send them to the spectrometer. Module 1 includes lenses, dichroic mirrors and ordinary mirrors.
Модул 2, измерва концентрацията на CO и наличие на дим, като работи със светлинен сигнал със спектър 700-800 nm. Модулът включва златна дифракционна решетка, покрита с разпознаващо вещество, което взаимодейства с CO (Фиг.1). Разпознаващото вещество е органично, нанесено е така, че слоят не е плътен, а наноструктуриран - на „островчета“ с големина от 70 nm до 120 nm, като средната дебелина е между 270 nm и 320 nm. При тези параметри веществото има максимална активност на взаимодействие с CO, което обезпечава висока чувствителност и точност на измерване. На повърхността на златната решетка се възбужда повърхнинна плазмоннна вълна когато светлината пада под точно определен ъгъл 6=38.4° върху нея, който се настройва от наклона на дихроичните огледала спрямо дифракционната решетка. Дифракционната решетка е с период А=1.52 pm и дълбочина на браздите 120 nm. В отсъствие на CO плазмонния резонанс се наблюдава при λ=728.0 nm. Спектралното положение на повърхнния плазмонен резонанс се мени при взаимодействие на разпознаващото вещество с CO. При концентрация на CO от 100 ppm плазмонния резонанс възниква при 717.6 nm (Фиг. 2а). При възникване на дим интензитетът на светлината намалява, но спектралното положение на плазмонния резонанс се запазва - Фиг.2б.Module 2, measures CO concentration and presence of smoke, working with a light signal with a spectrum of 700-800 nm. The module includes a gold diffraction grating coated with a recognition substance that interacts with CO (Fig.1). The recognition substance is organic, it is applied so that the layer is not dense, but nanostructured - on "islands" with a size of 70 nm to 120 nm, with an average thickness of between 270 nm and 320 nm. At these parameters, the substance has maximum activity of interaction with CO, which ensures high sensitivity and measurement accuracy. A surface plasmon wave is excited on the surface of the gold grating when light falls on it at a precisely defined angle 6=38.4°, which is adjusted by the tilt of the dichroic mirrors relative to the diffraction grating. The diffraction grating has a period A=1.52 pm and a groove depth of 120 nm. In the absence of CO, the plasmon resonance is observed at λ=728.0 nm. The spectral position of the surface plasmon resonance changes when the recognition substance interacts with CO. At a CO concentration of 100 ppm, the plasmon resonance occurs at 717.6 nm (Fig. 2a). When smoke occurs, the light intensity decreases, but the spectral position of the plasmon resonance is preserved - Fig. 2b.
Модул 3 измерва температурата и работи със светлинен сигнал със спектър 880-920 nm. Модулът включва пластинка GaAs с дебелина между 200 и 300 pm, поставена перпендикулярно на падащия лъч.Module 3 measures the temperature and works with a light signal with a spectrum of 880-920 nm. The module includes a GaAs wafer between 200 and 300 pm thick placed perpendicular to the incident beam.
Едно примерно изпълнение на многофункционалния детектор е показано на фиг. 5. Светлината, чийто спектър е в диапазона 700-800 nm и 880 - 920 nm достига до детектора по оптично влакно (1) стандарт 62.5/125 цт или 105/125 цт. Колиматорът (2) представлява леща (или система от лещи), която формира оптичен сноп, а след преминаване през модули 2 и 3 го фокусира светлината в оптично влакно (1). Дихроичното огледало (30) отклонява половината от оптичния сноп и само светлината в спектралната област 700-800 nm към модул 2. Дихроичното огледало (30) е поставено под точно определен ъгъл за да възбуди повърхнинна плазмонна вълна в златната дифракционна решетка (4), на която е поставено разпознаващото вещество (5). Дихроичното огледало (31) приема отразената от дифракционната решетка (4) светлина и я насочва за фокусиране в оптичното влакно (1). В другата половина на оптичния сноп е поставена пластината GaAs (6), която пропуска част от спектъра в диапазона 880-920 nm в зависимост от температурата си. Преминалата светлина се фокусира в оптичното влакно (1).An exemplary embodiment of the multi-function detector is shown in FIG. 5. The light whose spectrum is in the range 700-800 nm and 880 - 920 nm reaches the detector via an optical fiber (1) standard 62.5/125 µm or 105/125 µm. The collimator (2) is a lens (or a system of lenses) that forms an optical beam, and after passing through modules 2 and 3, it focuses the light into an optical fiber (1). The dichroic mirror (30) deflects half of the optical beam and only the light in the 700-800 nm spectral region to module 2. The dichroic mirror (30) is positioned at a precise angle to excite a surface plasmon wave in the gold diffraction grating (4), at which the identifying substance (5) is placed. The dichroic mirror (31) receives the light reflected from the diffraction grating (4) and directs it for focusing in the optical fiber (1). In the other half of the optical beam, the GaAs plate (6) is placed, which transmits part of the spectrum in the 880-920 nm range depending on its temperature. The transmitted light is focused in the optical fiber (1).
Преминалата през модулите 2 и 3 светлина се предава по оптичното влакно до спектрометър, който измерва отместването на плазмонния резонанс в спектралния диапазон 700-800 nm и спектъра в спектралния диапазон 880-920 nm. По първото се измерва концентрацията на CO, а по второто температурата. Като допълнителна функция спектрометърът измерва интензивността на сигнала в спектралната област 700-800 nm и следи измененията във времето. При намаляване на интензивността се алармира за наличието на дим.The light passed through modules 2 and 3 is transmitted along the optical fiber to a spectrometer that measures the plasmon resonance shift in the 700-800 nm spectral range and the spectrum in the 880-920 nm spectral range. The CO concentration is measured on the first, and the temperature on the second. As an additional function, the spectrometer measures the signal intensity in the spectral region 700-800 nm and monitors changes over time. When the intensity decreases, an alarm is given for the presence of smoke.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 са представени други възможни изпълнения на многофункционалния детектор. Основната разлика с показаното на Фиг. 5 е, че се използва едно оптично влакно за подвеждане на светлината към детектора и за приемане на светлината след преминаването й през модул 2 и 3 на детектора. Функцията на отделните елементи е същата, както на фиг. 5. Оптичните влакна 1 подвеждат светлина в спектралните диапазони 700-800 nm и 880-920 nm и приемат светлинния сигнал след преминаването му през модул 2 и модул 3 на детектора. Колимиращият модул 2 формира успореден сноп светлина за преминаването му през модули 2 и 3, както и фокусира светлината в оптичните влакна след преминаването й през модули 2 и 3. На фиг. 6 дихроичното огледало 30 отклонява половината от оптичния сноп със спектър 700-800 nm към дифракционната решетка 4 с разпознаващо вещество върху нея 5 за да възбуди плазмонен резонанс. Отразената от решетката светлина се отразява обратно от огледалото 7 и се фокусира в оптичното влакно 1. В другата половина на оптичния лъч е поставена пластинката GaAs (галиев арсенид) 6 на задната страна на която е поставено огледало 8. Преминалата светлина през пластината, със спектър, зависещ от температурата й, но в диапазона 880-920 nm, се отразява от огледалото, преминава пак през пластината и се фокусира в оптичното влакно 1. На фиг. 7 дихроичното огледало 30 е поставено в целия оптичен сноп, като пропуска светлината в диапазона 700-800 nm към модул 2 - дифракционната решетка 4 (с поставеното върху нея разпознаващо вещество 5), която е поставена под необходимия ъгъл, за да се възбуди повърхнинен плазмонен резонанс.. Огледалото 7 отразява светлината, отразена от решетката, връща я назад и тя се фокусира обратно в оптичното влакно 1. Дихроичното огледало 30 отразява светлината в спектралния диапазон 880-920 nm към модул 3 - пластината GaAs 76 на задната страна на която има огледало 8. Ходът на лъчите в модул 3 е същия както в модул 3 на фиг. 6.In Fig. 6 and Fig. 7 other possible implementations of the multifunctional detector are presented. The main difference with that shown in Fig. 5 is that an optical fiber is used to guide the light to the detector and to receive the light after passing through the detector module 2 and 3. The function of the individual elements is the same as in fig. 5. Optical fibers 1 mislead light in the spectral ranges 700-800 nm and 880-920 nm and receive the light signal after passing it through module 2 and module 3 of the detector. The collimating module 2 forms a parallel beam of light for its passage through modules 2 and 3, and focuses the light into the optical fibers after its passage through modules 2 and 3. In FIG. 6, the dichroic mirror 30 deflects half of the optical beam with a spectrum of 700-800 nm to the diffraction grating 4 with a recognition substance thereon 5 to excite plasmon resonance. The light reflected from the grating is reflected back by the mirror 7 and focused in the optical fiber 1. In the other half of the optical beam, the GaAs (gallium arsenide) plate 6 is placed on the back side of which a mirror 8 is placed. The light that passed through the plate, with a spectrum , depending on its temperature, but in the range 880-920 nm, is reflected by the mirror, passes through the plate again and is focused in the optical fiber 1. In fig. 7, the dichroic mirror 30 is placed in the entire optical beam, passing the light in the range 700-800 nm to the module 2 - the diffraction grating 4 (with the recognition substance 5 placed on it), which is placed at the necessary angle to excite surface plasmon resonance.. The mirror 7 reflects the light reflected from the grating, brings it back and it focuses back into the optical fiber 1. The dichroic mirror 30 reflects the light in the spectral range 880-920 nm to the module 3 - the GaAs plate 76 on the back side of which has mirror 8. The ray path in module 3 is the same as in module 3 in fig. 6.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112583A BG67306B1 (en) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Multifunctional optical fire detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112583A BG67306B1 (en) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Multifunctional optical fire detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112583A true BG112583A (en) | 2019-03-29 |
| BG67306B1 BG67306B1 (en) | 2021-04-15 |
Family
ID=74105608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112583A BG67306B1 (en) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | Multifunctional optical fire detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67306B1 (en) |
-
2017
- 2017-09-19 BG BG112583A patent/BG67306B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG67306B1 (en) | 2021-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3822098A (en) | Multispectral sensor means measuring depolarized radiation | |
| EP2748585B1 (en) | A laser based cavity enhanced optical absorption gas analyzer | |
| EP1005634B1 (en) | Near normal incidence optical assaying method having wavelength and angle sensitivity | |
| US4671651A (en) | Solid-state optical temperature measuring device | |
| US8218146B2 (en) | System and method for detecting a target substance | |
| US7286237B2 (en) | Fiber optic sensor | |
| US9726541B2 (en) | Electromagnetic radiation sensor for monitoring a medium | |
| US11761889B2 (en) | Gas detector | |
| EP3901597B1 (en) | Fabry-perot spectrometer-based smoke detector | |
| BG67306B1 (en) | Multifunctional optical fire detector | |
| US9188528B2 (en) | Sensor for monitoring a medium | |
| BG2908U1 (en) | MULTIFUNCTIONAL OPTICAL FIRE DETECTOR | |
| CA2468924A1 (en) | A device and method for non-contact sensing of low-concentration and trace substances | |
| WO2021048771A1 (en) | A system for in-situ gas analysis | |
| WO2023126196A1 (en) | Method and system for raman spectroscopy | |
| KR100767535B1 (en) | Fiber Optic Hydrogen Sensor for Fuel Cell | |
| US12044580B2 (en) | Method and system for measuring the temperature of a thermochromic liquid crystal | |
| RU2336573C1 (en) | Fire alarm device | |
| McIvor | On-Line Applications Of Infrared Spectroscopy In The Chemical Industry | |
| Li et al. | Near-infrared fiber optics gas sensor for remote sensing of CH4 gas in coal mines | |
| CN114062294A (en) | Spectral absorption type optical fiber-based methane sensor | |
| US20140061446A1 (en) | Sensing a selected ambient environment | |
| CN101424622A (en) | Optical fibre grating sensor | |
| Johnston et al. | Detecting the presence of a substance in a fluid | |
| Seidel et al. | Open-path diode laser spectrometer based on retro-reflective foils |