[2017年整理]后向散射式光电烟雾探测器研究.docVIP

后向散射式光电烟雾探测器研究 王 殊 窦 征 （华中科技大学电信系 武汉430074） 摘要 根据烟粒子在光作用下的Mie散射理论，相对于前向散射，后向散射信号较弱，但对不同粒径信号的变化不象前向散射那么敏感，本文提出了后向散射光电烟雾探测器，可以有效地探测国家标准规定的4种试验火。 1、 概述 感烟火灾探测器是火灾报警系统中使用最多的探测(传感)器。以前大量使用的是离子感烟探测器，它对各种明火烟雾探测效果较好，对阴燃火烟雾也能探测，但由于它容易受环境影响，误报警率较高，特别是由于使用了放射源，容易对环境造成污染，越来越不为现代化绿色进程所接受[1]。前向散射式光电感烟探测器不存在环境污染问题，对阴燃火烟雾的探测性能优于离子探测器，但它对某些黑烟的探测效果较差[2]，这是它没有完全取代离子探测的原因之一。本文提出的后向光电烟雾探测器，利用粒子对光的后向散射原理探测烟雾散射光信号，经过适当的火灾信号处理算法，使探测器不仅对阴燃火有较高的探测灵敏度，而且能够探测到普通前向光电烟雾探测器难以响应的黑烟明火。探测器带有单片微处理器，能够补偿传感电路受环境影响产生的变化，具有对信号进行数字滤波、火灾信号处理算法、产生多级报警信号和与控制器通信等功能，可以构成新型火灾探测系统。 2、后向散射式烟雾探测器 对于不同入射光波长、不同尺寸的烟雾粒子其散射信号不同的原理，一般的烟雾粒径分布在0.001～4μm之间，变化范围为103，但是在上述范围内并不是平均分布的, 绝大多数烟雾粒子属于中等粒径粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波长范围内，只有极少量属于小粒径粒子和大粒径粒子。中等粒径粒子在光作用下的响应符合Mie散射理论[2]，其相对粒径 和反射系数m与散射光强的关系如图1所示，从图中可以看到，不论粒径大小如何 图1 粒径和反射系数与光强的关系 变化，小散射角度（前向）信号一般都大于大散射角度（后向）信号，而且前向散射结构背景信号较弱，在制造上难度低，这也正是目前在光电烟雾探测中前向散射结构大行其道的主要原因。相对于前向散射来说，后向散射信号较弱，但对不同粒径信号的变化不象前向散射那么敏感，不过后向散射结构背景信号强，灵敏度不容易做得高，正是这样的缺点，限制了后向散射结构的发展。 我们设计的光电感烟探测器的光学系统结构如图2所示，它由光室1和迷宫2组成。迷宫2上有一定数量的“V”型叶片，可以让烟雾自由进出，同时防止外界环境光线直接射入光学暗室。光室1由发射管室3、接收管室4、发射透镜12，接收透镜5、新月形叶片6~11组成。 在理想情况下发射管室3中的红外发射管发出红外光线经发射透镜聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的红外光敏二极管也主要接收入射的平行光线，通过接收透镜的聚焦作用，平行光线聚焦在红外光敏二极管的管芯上。发射管室3轴线PO和接收管室4轴线QO相交于O点。O点被称为光学中心。两轴线PO和QO的夹角称为散射角。由于该散射角小于90°，故光学暗室被称为后向散射型光学暗室。光室中以光学中心O为中心是一个菱形的敏感区。当有烟雾进入光学暗室到达该敏感区时，烟雾粒子在由发射管室3来的红外光束作用下发生散射，散射光进入接收管室4被红外光敏二极管接收，转换成电信号。该信号随烟雾浓度的增加而增强。对该信号进行运算处理后即可对火灾危险进行判断。 图2 后向散射光电烟雾探测器结构 理论上迷宫的MN区段为光学陷阱，为了只允许敏感区的烟雾散射信号进入接收管室4，而尽量减少发射管室3射出的红外光束在迷宫内壁多次反射形成的光进入接收管室4，MN区段内的V字形遮光片的内表面都做成尖角。实际上，由于多次反射的作用，光学陷阱应该是M＇MNN＇区段。在此区段内的“V”形叶片和新月形叶片6-11共同作用下，红外光束经多次反射被吸收，大大降低了在无烟雾情况下进入接收管室4的背景红外光线强度。它有一个感烟探测室1，光电传感器4，电路和微处理器在印制电路板上。该探测器的烟雾探测工作原理是利用感烟探测室1作为光学暗室，烟雾迷宫2将环境光阻挡和衰减到很低程度，无烟进入时，光敏二极管4只能收到红外发光管3发射的光脉冲在光学暗室中多次反射所形成的微弱背景光信号。当烟雾进入后，烟雾粒子对红外光产生散射，光敏管接收到散射光信号，其强度与烟雾密度(减光率)成比例，该信号经处理后，即可输出火灾报警信号。 图3显示了烟雾探测器的主要电路框图。烟雾信号放大后送到微处理器的端口，对这种火灾特征信号由微处理器进行模数转换，然后经软件数字滤波，由火灾探测算法软件进行处 图3 烟雾探测器电路框图 理，探测器运行参数和数据存放在存储器中。电源管理电路从总线取得电能，为微处理器供电，并在微处理器的控制下，对放大器