双向散射及双波段光电感烟火灾探测器特性研究与设计.pdf

双向散射及双波段光电感烟火灾探测器特性研究与设计摘要本文介绍了点型光电感烟火灾探测器的种类、产品检验标准，分析说明了 其对黑烟响应迟钝、对固体/液体明火产生的小粒径粒子响应不灵敏，对一些非 火灾气溶胶（如水蒸汽、雾、浮尘等）容易产生误报，同时介绍了国内外为解 决这些问题进行研究取得的进展及实际应用的现状.本文重点介绍了散射理论中的瑞利散射、米散射、布里卡尔散射、散射角 中的概念及与双向敌射探测器设计有关推导结论，根据散射理论研究了散射型 及减光型光电感烟探测器的原理与特性。从火灾探测能量模型出发研究、介绍 了对非火灾因素进行辨识的各种方法.从Mie散射理论及实验两方面，比较了前向散射探测器与后向散射探测器 的优缺点，改进设计了双向散射探测器及相对光强比算法，实现了对 GB4715-2005规定的四种火的均衡响应。同时研究了双波段光电感烟探测器的设计，以进一步提高探测器对不同气 溶胶粒子的响应性能。对于双向散射探测器电路各部分原理、与控制器的通讯协议、软件设计、低功耗设计及双向散射光学探测室的结构设计等关键技术的实现进行了详细的 分析、说明。给出了双向散射探测器及双波段探测器研制过程中各种试验的数据，并进 行了详细的分析，对理论推导及设计实际效果提供验证。关键词：Mie散射双向散射相对光强比双波段 低功耗The Research and Design of Photoelectric Smoke Detecors using Forward/Backward Scattered Light or Double Wavelengths LightA BSTRA CTThis article introduce the kind of point photoelectric smoke detectors and standards for testing production,analyse and show that this detector ist sensitive to black smoke and little diameter particle produced from the solid or liquid fire,and send out false alarm after detecting some aerosol such as steam、fbg、fly ash.This article introduce fruits of research made for solving this problems in CHINA and other country.This article introduce the conception of Rayleight scattering、Mie scattering、Optical scattering、scattering angle of scattering theory,and introduce deduction relate to the design of fbrward/backward scattering smoke detector,research the principle and characteristic of point smoke detectors using scattered light or transmitted light,research and introduce means for distinguish factors that are not fire from the model of fire energy detect.This article compare the forward scattering detector and backward scattering detector based on Mie Scattering Theroy and experimentation,design the fbrward/backward scattering smoke detector that can detect four kinds of test fire in GB4715-2005 and the algorithm about relative ratio of photo intensity.For enhancing to.this article study the design of photoelectric smoke detecors using double wavelengths lightThis article analyse and show the principle of circuit、the protocol communicating to the fire alarm unit、the design of software and realization of pivotal technique such as low power、optical chamber of fbrward/backward scattering smoke detector.This article supply data of experimentation in designing the photoelectric smoke eetecor using fbrward/backward scattered light or double wavelengths light to validate the deduction and actual effect,KeywordszMie scattering,Forward/backward scattering、relative ratio of photo intensity.、Double wavelengths Low power插图清单图1.1 一种减光型与散射型结合的光学探测室.3图L2 一种典型卧式后向放射迷宫.5图L3 一种立式后向散射迷宫.6图1.4 一种卧式双向放射迷宫.7图1.5 一种立式双向散射迷宫.7图1.6一种立式双光谱迷宫.7图2.1散射光型光电感烟探测器基本光路示意图.9图2.2减光型光电感烟探测器基本光路示意图.9图2.3位于坐标原点的单个粒子散射图.11图2.4相对散射率与粒子尺度参数的关系图.13图2.5 n=L33粒子减光曲线.15图2.6吸收性粒子减光曲线.15图2.7瑞利散射图.16图2.8粒子散射图与dr值关系.16图2.9立式光学探测室.18图3.1双向散射探测器外形示意图.23图3,2双向散射光电感烟探测器原理框图.24图3.3HT7150典型应用电路图.25图3.4总线信号波形图.26图3.5探测器返回信号波形图.26图3.6程序框图.28图3.7报警广播时总线波形图.29图3.8 PIC16c712管脚图.30图3.9 24LC01管脚图.30图3.10 BZX84c系列稳压管特性曲线.32图3.11立式双向散射迷宫结构示意图.34图3.12立式双向散射迷宫A-A剖视图.35图3.13散射光路平面与水平面的位置关系图.36图3.14发射、接收管光轴在水平面上的投影示意图.37图3.15前向散射光路剖面图.37图3.16后向散射光路剖面图.37图3.17 TF1TF5试验火的BL/IR比例.39图3.18 TF1TF5试验火的BL/IR三级散射光量.40图3.19 BL/IR比例的改进算法.40表格清单表L1标准试验火对照表.2表1.2EN54标准各种试验火产生的CO浓度.4表31脉冲宽度与代表信息对照表.26表4.1卧式后向散射迷宫对黑烟的响应数据.42表4.2卧式后向散射迷宫对灰白烟的响应数据.42表4.3双向散射迷宫前向散射光路对灰白烟的响应测试数据.43表4.4双向散射迷宫后向散射光路对灰白烟的响应测试数据.43表4.5双向散射迷宫对脱脂棉绳的响应测试数据1.44表4.6双向散射迷宫对脱脂棉绳的响应测试数据2.44表4.7双向散射迷宫对卫生香的响应测试数据.44表4,8双向散射迷宫对黑烟的响应测试数据1.45表4.9双向散射迷宫对黑烟的响应测试数据2.45表4.10双向散射迷宫对煤油黑烟响应周期间隔采样测试数据1.45表4.11双向散射迷宫对煤油黑烟响应周期间隔采样测试数据2.46表4.12双向散射迷宫对柴油黑烟响应周期间隔采样测试数据1.46表4.13双向散射迷宫对煤油黑烟响应周期间隔采样测试数据2.46表4.14双向散射迷宫方位响应测试数据.47表4.15蓝光管对灰白烟的响应测试数据.47表416蓝光管对黑烟的响应测试数据.48表4.17红光管对灰白烟的响应测试数据.48表4.18红光管对黑烟的响应测试数据.48独创性声明本人声明所也交的学位论文姑本人在导师指导下进行的研究作及取得的研究成果.据我所 知，除了文中特别加以标卷和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得合肥业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料.写我一同r作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意.学位论文作者签字:於%盘签字日期：7年=月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 合肥:业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有美部门或机构送交论文的品印件和磁盘，允许论文被行阅或借阅.本人授权合肥业大 至_可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等且制手段保存、汇编学位论文.（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文者签名：八导师签名:签字日期：T年，月7日 签字日期:月日学位论文作者毕业后去向，中国名a科技4团2可名H荏支口 作单位：中山电4科技我国幺可号叼有打】电话：otn-%。85店 通讯地址；金仔培坤4彳问4络 邮编：小86致谢本文是在张辉导师的悉心指导下完成的，在研究生课程学习和撰写论文过 程中，始终得到张老师的关心、帮助和指导，从课程学习、论文选题到收集资 料、论文修订成稿都倾注了张老师大量的心血，老师渊博的学识、严谨的治学 作风、诲人不倦的教育情怀，使我终身受益，并激励我勇往直前、努力拼搏！在此表示麦心的感谢！在学习和课题研究阶段，还得到了合肥工业大学其他老师的支持和帮助，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，在此向他们表示由衷的感谢！国内一些长期从事火灾探测领域理论研究的科研机构、院校的专家论著对 本文的完成起了理论指导作用，在此对华中科技大学的窦征、王殊教授，中国 科技大学火灾科学国家重点实验室，公安部沈阳消防科研所等表示由衷的感谢。我还要感谢中国电子科技集团公司第四十一研究所领导给我这次学习、深 造的机会！感谢四十一研究所刘祖深研究员在百忙中对论文的审阅！感谢依爱 消防公司石险峰总经理在我的工作、学习中给予的支持！本项目的顺利完成是课题组李鹏高级工程师、艾红斌高级工程师及技术部 冯勇高级工程师等全体同仁团结协作、共同努力的结果，在此，我要对他们及 他们家人的大力支持表示衷心的感谢！感谢所有同学给予的关心和帮助！作者：孙竣岭2007 年 5 月 7 H第一章引言物质燃烧是一种伴随有烟、光、热、气等产生的化学和物理过程。火灾探 测就是以该过程中产生的各种现象为依据，获取火灾发生初期的信息，并转化 为电信号进行处理。目前火灾探测器从检测的物理化学过程分主要有感烟式、感温式和感光式（火焰探测式）、感气体式（CO等）四大类；为了提高报警准确性，减少误报，在 此基础上出现了感烟感温、感光感气体相组合的复合式探测器。从火灾探测器 的探测的范围分主要有点型与线型两种。对于受限空间内固体物质火灾点火源，通常需要经过早期、阴燃、火焰和 放热三个阶段。早期阶段产生粒径为0.0017）.05r111的不可见粒子和CO、CO2.用等气体，无可见烟和火焰，热量释放很低。阴燃阶段释放出更多的的气体，产生可见烟雾，未出现火焰，温度上升缓慢，是火灾的初级阶段。故烟雾是火 灾早期产生的一个极其重要的火灾信号，所以感烟探测器是实现火灾早期报警 的一种理想的手段.点型感烟火灾探测器是应用范围及数量最为广泛的一种探 测器.1.1点型感烟火灾探测器的类别点型感烟火灾探测器是使用一个小型传感器响应悬浮在其周围附近大气中 的燃烧和/或热解产生的固体或液体微粒的一种火灾探测装置|上这些微粒可称 为烟雾粒子，有时也可称烟雾气溶胶。应用较广泛的感烟火灾探测器有离子感烟火灾探测器与光电感烟火灾探测 器两种，离子感烟探测器利用低能量的放射源2MA m放射出的a射线将电离室 中空气电离，在电场的作用下产生电离电流。烟雾粒子进入电离室后，吸附正 负离子降低其运动速度、增加其复合几率，同时阻挡a射线降低电离能力闭，从 而减小电离电流，达到预定的程度时可输出报警信号.光电感烟探测器是利用烟雾粒子对光的敌射和吸收的原理发展起来的一种 火灾探测器，是能够对影响红外、可见和/或紫外电磁波谱区辐射的吸收或敌射 的燃烧产物敏感的探测器。从作用原理上分为散射光型光电感烟探测器与减光 型光电感烟探测器两种。E2离子感烟与光电感烟探测器的优缺点从理论上说，离子感烟火灾探测器对各种颜色的烟雾响应均衡，对快速燃 烧的火焰火产生的小粒子的淡白色或黑色烟都有较稳定的响应性能，在整个气 溶胶粒子谱线上具有较宽的响应灵敏度，尤其对产生的小粒子或不可见粒子烟 有很高的响应灵敏度，是早期报警较理想的探测器，因此曾获得了广泛的应用。但离子感烟火灾探测器由于电离电流非常弱，对电路和工艺要求非常高，且受湿度、气流等因素影响较大，误报率较高、生产工艺较复杂。另外241A m 属于极高放射毒性核素组，需由生产厂家处理回收，进行清洗时产生的废水易 对环境污染。因此无法适应目前对产品绿色环保的越来越高的要求，在重视环 保的国家如欧洲、美国、FI本等发达国家，基本已不再生产此类探测器。相反光电感烟探测器抗气流性能好，受环境温度、湿度等因素影响较小，对灰白色、粒径较大的阴燃烟粒子的响应性能好，工艺和成本较离子感烟探测 器有优势，不存在放射物质等明显优点。随着光电技术的飞速发展和阴燃火灾 类型的不断增多，其生产和使用在不断增多，已逐渐取代离子感烟火灾探测器。但由于点型光电感烟探测器存在对黑烟和粒径小于0.4um的粒子探测灵敏 度低的问题，应用最广泛的散射光型光电感烟探测器对黑烟响应迟钝，因此限 制了其适用场所，在国标GB501168火灾自动报警系统设计规范中就明确 列出“可能产生黑烟；可能产生蒸气和油雾”的场所不宜选择光电感烟探测 器叫1.3 点型感烟火灾探能器的检验标准各国对火灾探测器性能检测标准不同，欧洲国家主要采用的是EN标准，美国采用的是UL标准，我国也有相应的标准网闭国家标准GB4715点型 感烟火灾探测器中规定点型感烟火灾探测器须进行SH1SH4四种有代表性的 试验火试验，目的是检验点型感烟火灾探测器对火灾的响应灵敏度，与EN标准 对照见表LL在四种试验火中，木材热解阴燃火和棉绳阴燃火产生白烟；聚氨 酯塑料火和正庚烷火则产生黑烟。表1.1标准试验火对照表试验火类型EN54标准GB4715标准木材明火TF1木材热解阴燃火TF2SH1棉绳阴燃火TF3SH2聚氨酯塑料火TF4SH3正庚烷火TF5SH4甲基化酒精火TF6低温黑烟液体蔡烷火TF8根据实际测试结果，前向散射型光甩感烟探测器对不同物质燃烧产生烟雾 的响应灵敏度有很大的不均匀性。在GB4715-93标准制定时，点型光电感烟 探测器安装使用的环境多为民用场所，所使用的日用品、装饰材料多为棉毛制 品，在发生火灾时产生的烟以灰白色为主.考虑使用情况和产品的技术局限性,故GB4715-93放宽了对点型光电感烟火灾探测器的要求，允许其仅响应木材阴-2-燃火和棉绳阴燃火，并采取在检验报告中注明“该探测器不宜在发生火灾时会 产生黑烟的场所使用”网.近些年建筑室内装修及用品中大量使用化纤、塑料制品，在燃烧时会产生 大量黑烟，可在极短的时间内使人窒息而死。由此可见，点型光电感烟火灾探 测器对黑烟不报警，不仅会减少其使用范围，而且在某些火灾产生的烟色难以 预料的环境情况下，一旦安装使用不当，则会造成不堪设想的严重后果,因此 从2006年6月1 H实施的国家标准GB4715-2005中明确规定点型光电感烟探 测器“在每种试验火结束前均应发出火灾报警信号J1.4 国内外研究及实际应用的现状在可见光和近红外光谱范围内，散射主要由灰白色烟引起；而吸收主要由 黑姻引起。因此，从探测机理上前向散射型光电感烟探测器对黑烟响应不灵敏。此外对于固体/液体明火产生的小粒径粒子响应也不灵敏，而对于一些非火灾气 溶胶（如水蒸汽、雾、浮尘等）容易产生误报为了解决这些问题，提高散射型光电感烟探测器的性能，国内外研究机构、企业进行了大量的试验研究，找出了几种方法，有的已经成熟应用到产品中 L4.1光电感烟探测器对黑烟响应的研究、应用现状（D减光型与散射型结合减光型光电感烟探测器的原理为：光源发出的光线受烟粒子吸收和散射作 用，使光电接收器接受的光通量下降导致输出信号变化”也在国外早期进行过 理论设计，如光学路程62.5mm的点型透射光感烟探测器采用参考测量法.一个可进烟的测量室和一个烟密度基准室。减光型与散射型结合是在散射型探测器基础在光发射器正对面的位置增加 一个光电接收器作为辅助探测手段.如图1.1所示。通过对两个接收器上的输 出信号的获取、对比、计算和判断，从而达到实现对黑烟报警的目的I。图1.1 一种破光蟹与散射型结合的光学探测空但因受结构、造价限制，减光型应用于点型光电感烟探测器目前只停留在 3理论阶段，由于其灵敏度低等局限性，已逐渐不被采用(2)复合型探测器烟温复合型探测器许多物质燃烧时会产生大量的黑烟的同时也会产生大量的热量，在有隔空 间内形成热空气流。这种热气流使建筑物顶棚空间的温度迅速上升。标准试验火中聚氨酯塑料明火(SH3)和正庚烷明火(SH4)燃烧时引起的温度变化 A T 一般大于 30fl41.在散射型光电感烟探测器内部设置感温传感器，通过感温传感器探测的温 度变化信号，来辅助感烟传感器进行火灾判断，它建立在已应用多年的独立感 烟、感温技术基础上，是目前应用最为成熟的技术，国内外已有数十家企业研 制出此类产品。技术的关键是结构设计及复合判据的智能化，结构上的设计要使感温传感 器更快地探测到环境温度变化，对于水平气流及垂直上升气流的响应一致，对 各个方向的水平气流的响应差别不能太大。如采用对称双传感元件9”闻、顺 畅的温度气流通道设计.这里的感温传感器一般起到辅助探测作用，复合判据方面可采用模糊逻辑 与神经网络等人工智能技术进行加权计算与补偿。但因SH3和SH4火温度变化 不大，温度的补偿量有限，对黑烟的响应灵敏度一般只能达到三级，很难达到 一级。此外对于特殊火(如ISO 7240中的试验火TF8一低温黑烟液体秦烷火!切，试验结束时的温升A T低于10。0,因释放的热量不足以引起大的升温速率，响 应性能效果不佳。与C0传感器复合几乎每种物质燃烧时均要产生不充分燃烧的CO气体，在阴燃或创烧阶段 的火灾更是如此。表L2为欧洲EN54标准各种试验火产生的CO浓度1，可 以看出绝大多数试验火的CO含量均在20ppm以上，均超过正常大气中(lOppm 以下)甚至是CO浓度较高场所的(厨房也在20Ppm以下工表1.2 EN54标准各种试验火产生的CO浓度试验火TF1TF2TF3TF4TF5TF6TF7CO(ppm)3810523045231831CO大体比空色轻，扩散性比烟客强，特别是许多常用感烟方2的误报源 并不产生CO气体，因此将引入CO传感器构成复合火灾探测器I回，既可以实 现火灾的前期报警，又能极大的改善报警性能，减少误报，同时还扩展了火灾 的探测类型,.能够均衡地探测到几乎各种火灾。由于光电感烟和感温探测火灾的技术已经相对成熟，因此关键就是co气 体探测元件的功耗、成本以及多元复合的智能算法。考虑到探测的性能以及常 态功耗两方面的因素，应用最多的为电化式co传感器，它靠输出正比于co 4扩散气体浓度的电流准确、高线性的探测到大范围的co气体，响应时间很短 且功耗低，不受其它气体以及环境变化的影响。但与火灾报警系统对探测器的静态功耗的高要求（通常在O.3O.8mA）相 比，目前的CO传感器很难达到要求。以比较成熟的SnO2薄膜气体传感器（CO 探测灵敏度小于lOppm）计算，其功耗标称10mW,如使用5V电源，静态工 作电流为2mA,与光电元件、感温元件的几十iiA功耗相比相差甚远.因此目前该技术也仅停留在理论研究阶段，有几家企业进行了样机的研制 但无法实用化，此外较高的成本也是阻碍其应用的重要因素.（3）迷宫改进后向散射迷宫国内外的很多研究机构利用HeNe激光源与可变散射角度的实验装置研究各 种试验火粒子散射强度、偏振度等与散射角度的依存关系2对于特定的 应用场所，散射光强仅与散射角9有关。调整一个合适的散射角，可以使其时 烟雾粒子的探测灵敏度最佳。不论粒径大小如何变化，小散射角度（前向）信号一般都大于大散射角度（后向）信号冽，随着角度的增大，散射光强度变小：达到最小值之后，随着 角度的增加，光强将再次变大。相对于前向散射来说，后向散射增大散射角度大幅地减少了散射光量的绝 对值。实际比较测量散射角为40。和100。条件下滤纸烟的散射光量，二者之间有 5倍的差Wil”、但对不同粒径信号的变化不象前向散射那么敏感，相对各种烟 的灵敏度将可能实现均一化。后向散射迷宫根据结构形式也分为卧式、立式两种，卧式后向散射迷宫结 构形式目前国内已申请4个专利口51126“2山23图1.2为其中具有代表性的一种。图L2 一神典型卧式后向散射迷匕卧式后向散射迷宫存在的主要问题及分析：a.增大散射角度大幅地诚少了散射光量的绝对值，为提高灵敏度需要电 路的增益，造成背景光信号强，很难消除。通过加长光路减弱背景光信号，会-5-造成迷宫径向尺寸大。b.由于发射管室、接收管室在迷宫体上相连并形成实体，对探测器气流的 通畅性有影响，方位性能较差。以140。散射角考虑，对于GB4715的8个方位 中有2个方位响应将受到影响。c.模具较复杂，零件多。为使平行光束射出及会聚，需要加透镜，造成成 本的增加、生产的不便。d.根据相关文献及试验测试，仍需要将灵敏度提高至特定值才能对黑烟响 应110。散射角能响应黑烟推荐响应阈值m=03 140。散射角能响应黑烟推 荐响应阐值m=0.5.立式后向散射迷宫结构形式目前国内已申请1个专利冽，国外专利WH321 较多且出现较早。图L3为其中具有代表性的一种。据专利US6756905描述，与传统散射角度60。的前向散射探测器对灰烟/黑烟的响应灵敏度比值4：1相 比，立式后向散射对黑烟/灰烟的响应灵敏度比值可达到3.5：1田.此种结构形式存在主要问题与卧式后向散射迷宫基本相同。图1.3 一种立式后向散射迷匕双向散射迷宫由于前向散射迷宫与后向散射迷宫各自存在明显的优缺点，为扬长避短，出现了将两者结合的双向散射迷宫（也称双光路迷宫），根据结构形式也分为卧 式，立式两种；根据采用发射接收元件数量分为一发两收、两发一收和两发两 收三种。双向散射迷宫对于灰白烟的探测以前向散射光路为主，背景信号弱，响应 灵敏；对于黑烟探测以后向散射光路为主，或以前向散射/后向散射的比例关系 根据经验值进行判断。也可使光接收器接收到烟莉EF的两路放射光作用，加强 光散射效果增大了光电接收器输出信号此种结构形式目前国外申请了 1个专利，采用两发一收卧式结构.见图1.4。与后向散射迷宫相比同样需要解决方位性能问题，有文献介绍可采用网状锥形 上盖进烟6I国内申请了 1个专利叫，采用一发两收立式结构，见图1.5。它 是在图1.3所示卧式后向散射迷宫的基础上增加一个前向散射角度的接收管，模具制造更复杂。-6-图1.4 一种卧式双向散射迷宫图L5 一种立式双向散射迷宫1.4.2光电感烟探测器对明火响应的研究、应用现状根据瑞利散射理论，散射强度与粒子粒径的6次方成正比，与波长的4次 方成反比。因此对明火小粒径粒子的响应性能的提高必须从发射光的波长入手.降低发射光的波长，可供选择的有红光管与蓝光管但实际应用中存在 问题：光电接收器件对不同波长的光响应灵敏度不同。目前的主流光电接收器 件：光敏二极管(Photo Diode)对940nm、470mn波长的光响应灵敏度相差可 达到4倍。因此散射光量经接收器件输出的信号的绝对值大大减少，又降低了 探测器对小粒径粒子的响应性能。改进的方法是采用双光谱(双波段)，可考虑的方案是IR+BLUE或 IR+REDo迷宫根据结构形式也分为卧式、立式两种。但对于液体无烟明火：TF6试验火(甲基化酒精火)只能采用与温度传感 器复合来探测|3引。因试验中温升很明显，试验结束条件为探测区域温度变化量 A T=65a(1)卧式双光谱迷宫此种结构形式目前国外申请了 1个专利，采用1R+蓝光，利用蓝光波长 短对小粒径的粒子散射强度大特点，提高对明火的响应81.存在问题：就目前的资料及实际测试，对两种波长均有较好响应的接收管 还没有。解决方法：提高蓝光管发光强度，使接收器件输出信号绝对量增强。(2)立式双光谱迷宫此种结构形式如图1.6所示，采用IR+蓝光、两发一收。迷宫形式与目前使找先发射号红外发光管图1.6 一种立式双光谱迷匕 7-用的45。前向散射角度迷宫基本一致，在IR发射管侧再并置一个蓝光管叫.对火灾的黑烟的探测问题是火灾探测技术中的一个进行了长期研究的问题，国内 外研究机构、生产厂家进行了大量的试验研究，目前的几种方法从经济性、实用性等 方面未达到成熟应用的程度。由于目前的生产的主流产品为前向散射光型光电感烟探测器，因此作为产 品设计者与负责人，对如何解决黑烟的探测问题笔者进行了大量的分析、研究 与试验，根据国内外最新的理论研究成果，从实用性、经济性的角度进行设计,初步解决了散射型光电感烟探测器对黑烟的响应问题。-8-第二章光电感烟火灾探测器的基本原理点型光电感烟火灾探测器是利用烟粒子散射和吸收光原理工作的，主要有 两种形式：散射光型光电感烟探测器和减光型光电感烟探测器。气溶胶粒子与光相互作用时，能发生两种不同的衰减过程：吸收和散射，散射是粒子以同样的波长再辐射已接收的光能，再辐射可在所有的方向上 发生，但在不同方向上其强度通常不同。吸收是粒子将接收的光能转变为其它形式的能，如化学能、热能.放射光型光电感烟探测器基本光路示意图如图2.1所示，光源光轴和光电接 收器成特定角度，在无烟粒子时光电接收器件接收不到光源发出的光；烟粒子 进入探测室（或称为光学暗室、迷宫）后，探测器光源发出的光线受到烟粒子 的散射，在一定角度内光电接收器件才能接收散射光，由于廷德尔效应产生光减光型光电感烟探测器基本光路示意图如图2.2所示，光源发出的光受到烟 粒子的散射和吸收作用，使光电接收器件接收的光通量下降，输出信号发生变 化。在可见光和近红外光谱范围内，光衰减以吸收为主，主要由黑烟引起：对 于灰白色烟，则主要受散射制约。从原理上讲，减光型电感烟探测器对黑烟有 较好的响应性能。姻雾粒子OCO 0O O O接收元件图2.2减光型光电感烟探测器基本光路示意图研究由单个粒子造成的光在传播途径上的衰减以及光在传播路径之外某个 方向的散射（强度、相位、偏振）是分析减光型和散射型光电感烟火灾探测器 的基础。-9-2.1散射光型光电感烟探测器对烟粒子的响应散射光型光电感烟探测器是根据电磁波与气溶胶粒子间相互作用川原理研 制的。光波被真空中或均匀非吸收介质中球形颗粒的散射可由Mie散射理论形 式给出假设一个非偏振的单色平面波，其辐射能流率为仰，根据Mie散射理论，在与入射波传播方向成。空间放射角的方向上，一球形气溶胶粒子半径为r,折 射率为n-引入粒子半径相对于入射光波长入的无量纲参数a(粒径参数)来表 示粒子大小，即a=2加像.把入射光方向和散射光方向组成得平面作为观察面，如图23所示。粒子散 射的辐射能流率(距粒子距离为R的接收点散射光强)为中it(0,a,n)+i2(O,a,n)p0(2.1)iHSil2,i2Ts2尸分别为垂直及平行与散射面的散射强度函数分量，与球 形粒子的散射角仇 粒子尺度dp(dp=2r)、复折射率n以及波长九有关.SH S2 为散射光的振幅函数，可表示为下列无穷级数144S士不F(。产,+“3)(2 2)片 W+1)9 9/+1S2=E,不(3(2.3)片 W+1)式中，用，为Mie散射系数，其表达式为：匕(a)V；(na)-%(Q)%(w)a,=-：-(2.4)W(M-匕(M巳(。川(。)一吠(a)(w)b,=-；-(2.5)呜(。加(M-奴。W(M%(a),以。)为Riccati-Bessel函数。阳,3含有勒让德函数，只与散射角 有关，即：E，(cos sin 6(2.6)了，=占咪。0sm(2.7)du产”为一阶勒让德(Legendre)多项式。如要定量计算烟雾离子在P点处得散射光强，首先需要求出Mie系数，可 利用贝塞尔函数的递推公式和相应得简化算法来求。当存在大量气溶胶粒子散射时，考虑粒子尺度谱概率密度函数p(r)和粒子数浓度Z,散射的辐射能流率可写成，P=Po 7PZ，a(6,m)M(aa,M)p(r)dr 2.8)式(2.8)中：，为对有贡献的所有气溶胶粒子所处的散射体积。图2.3位于坐标原点的单个粒子散射图限定条件是：无多次散射，且散射体积/比火小，在接收辐射能流率的光 电接收器上将接收散射体积中所有粒子。假定粒子在散射体积中均匀分布，具 有相同的复折射率，并认为散射角均为8。散射到光电接收器件上的辐射能通 量可由在其表面上积分计算得出，0R2,sindded中(2.9)当光电接收器件的表面面积Ae比胆小时，可近似得出：0)=9 A c(2.10)设所有粒子的辐射强度函数为一定值7时，由式Q.8),(2.10)可得:D=(2.11)光电接收器件的输出信号y与接收散射的辐射能通量与成正比。对于结构 设计定型的散射光型探测器来说，均可作为常数考虑并可综合为结构常数K。因此有，s=(2J2)-ii-由式（2.12）可见，除探测器的结构常数K、烟粒子数浓度Z对散射光型 探测器的输出信号产生影响外，粒子的散射角、粒子尺度、复折射率以及光波 长、粒子形状均有影响。2.1.1 粒子尺度的影响火灾气溶胶大部分粒子分布在0.01lum范围内，气溶胶粒径不同散射行为 也不同，最复杂的是粒径与入射光波长相近的气溶胶粒子KM。为便于划分不同 粒径的气溶胶粒子，引入相对粒径dr（也可称为尺度参数a）：dr=Ttdp/X（2.13）式（2.13）中，dp为粒子粒径，入为入射光波长。根据相对粒径击的大小，可将气溶胶粒子分为三种：a,小粒径气溶胶：dr W0.3,对于散射光感烟探测器较常采用的 880rmi940mH波长红外光，粒子粒径dp W 0.09um；b.大粒径气溶胶：dr 210,Jl=900mn时，粒子粒径dp 2 3um；c.中等粒径气溶胶：0.3 WdrWlO,JL=900nm时，粒子粒径0.09umWdr W 3um对于火灾气溶胶，属于小粒径和中等粒径的气溶胶小粒径气溶胶、中等 粒径气溶胶、大粒径气溶胶的散射分别服从瑞利（Rayleigh）散射理论、米（Mie）散射理论及几何光学理论。lb均为1的量级。可以证明，球形小粒子的散射效率因子、吸 收效率因子为：Xs=/父转/（2.22）3 n+2力2 Xa=（2.23）+2凡表示取实数部分，。表示取虚数部分。由式（2.22）、（2.23）可见，对于固定波长光束照射下的小粒径气溶胶来 说，散射效率与粒子粒径的4次方成正比，而吸收效率与粒子粒径成正比，散 射效率随粒径的增长比吸收效率快得多.在大粒径粒子几何横截面所确定的面积内通过的光，一部分被粒子表面反-14-射，一部分入射粒子内部入射粒子的光线经过内反射和折射后，一部分重新 射出，一部分被吸收。散射能量和吸收能量等于被粒子横截面所截获的能量，因此而在距离大粒子很近处粒子的Xe为1-而在距离一个孤立的大粒子较远 处，由于衍射，光在粒子的阴影区出现，此能量等于粒子横截面所截获的光束 能量，Xe近似等于2。于中等粒径粒子，利用米（Mie）理论求得的主要分别由散射、吸收造成 光在传播路径上的衰减与粒子相对粒径dr间关系见图2.5、图2.6。图2.6吸收性粒子减光曲线图2.5中当dr0,3（小粒径粒子），瑞利理论适用。曲线的波动是由衍射 和干涉造成的。图2.6中消光效率因子Xe在dr值很小时呈指数上升的趋势，吸收是光裒减的决定性因素；随着dr值的增大，几乎全由衍射引起的散射对光一 衰减的作用不断增加，Xe上升斜率趋缓，达到最大值后又呈下降趋势,在出一8 时为2。由Mie理论计算出并经实验验证的这种曲线，在dr值很小时近似乎瑞利理 论，在dr值很大时近似于几何光学理论.2.1.3散射角散射角。的定义为：入射光光轴与粒子散射光光轴的夹角。根据散射光与入射光的相对方向可分为前向散射与后向散射，。90。即散射光与入射光方向相反的为后向散射。图2.7为小粒径粒子的瑞利散射图，可看出小粒径粒子的前向散射光与后 向散射光是对称的，而且具有最大值。侧向散射相对较小.图2.8为粒子散射图与击值关系，中等粒径粒子的散射图与小粒径粒子不 同，出现了不对称性，随着dr值的增大，不对称性进一步明显，主要是前向散 射明显增加，侧向散射次之，后向散射减小由图2.8可见，在dr值固定的情况下，散射角6越小，前向散射光越强。2.2 减光型光电感知探测器对烟粒子的响应设恒定辐射功率为Po的单色平面波与气溶胶粒子相遇后，粒子散射和吸收 的减光功率Pe与粒子几何截面积A成正比，则有：Po/Pe=X A(2.24)在球形气溶胶粒子的限定条件下，消光效率因子Xe可按Mie理论计算：O 9XL/(2i+l)&Q+a)(2.25)式中4和人是粒子尺度参数a和折射率n的函数，见式(2.4).(2.5)。设平行光束通过均匀的多谱气溶胶体系薄层dx后，辐射能流率从Mx)减少 到(p(x)d(p,根据布尔(Bouguer)定律，d(p 奴x)Z A-Prdrdx(2.26)式中：尸(，)赤为气溶胶粒子尺度谱概率密度。对式(2.26)积分后，设(po为辐射能流率在作用距离前X=0位置上的辐射能流率(p(0)=po),式(2.26)可写成：16能流率(p(0)/0%式(2.26)可写成：p(x)=(po exp-A尸(，)drZX(2.27)式(2.27)仅在以下限定条件下成立：a.气溶胶粒子均匀分布，粒子尺度谱概率密度函数尸(r)应为不相关作用：b.气溶胶粒子数浓度Z的数值应保证不产生多次散射，即气溶胶粒子平均 自由行程7应远大于粒径dp。消光效率因子I与粒子几何截面积A的乘积称为消光截面Se,其平均值 用5表示，可得到：p(x)=),则在x=l处光电接收器件的输出信号灯可表示为：y=S(A9dp,n)*Z(2.29)I夕2.3 减光系数与减光率光电探测器的响应阈值，即用减光系数m值(单位为dB/m)表示的探测器 报警时刻的烟浓度，用光学密度计测量。光学密度计利用光束受烟粒子作用后，光辐射能按指数规律衰减的原理测量烟浓度。减光系数用下式表示：与 1g 片(2.30)式中lm减光系数，dB/m；d一试验烟的光学测量长度，叫Pl无烟时接收的辐射功率，W;P一有烟时接收的辐射功率，V。光电探测器的响应阈值还可以用减光率()来表示N=xlOO%(2.31)Eq式中：N减光率，%；巴一无试验烟时光照度值，W；P-有试验烟时光照度值，Wo减光系数m与减光率N的换算关系可表示为m=D l-log(l 0-0.1N)(2.32)a d计算可得，当光学密度计d=lm时，减光率10%、20%、30%分别相当于 减光系数 m 为 0.5 dB/m、1.0 dB/m、1.5 dB/m 根据式（2.32）可知，减光系数m与