基于光散射与透射的线式光电感烟探测器研究.docx

          基于光散射与透射的线式光电感烟探测器研究                    【摘要】为了解决线式光电感烟探测器测量光路被外物阻挡，导致误报警的问题，本文利用烟雾的光散射信号对光透射信号进行补偿的方法分析了消光原理及粉尘、烟雾颗粒的分布特点通过对测量光路干扰进行分析，设计出一种线式光电感烟探测器，可降低光路被阻挡误报警几率试验结果表明，采用该方法设计的线式光电感烟探测器具有灵敏度高，抗干扰能力强的特点关 键 词 颗粒；光散射；探测器 目前应用于火灾烟雾探测的探测器，主要分为点式和线式两种点式感烟探测器主要有离子感烟探测器，光散射式感烟探测器如果在大空间进行烟雾监测时，若使用点式感烟探测器，则需要多点及不同位置布置，这样就增加了测试系统的负担，为了降低探测器数量及扩大测量区域，因此发展了线式光电感烟探测器，目前线式光电感烟探测器主要根据光源的不同分为激光式、LED式两种由于线式光电感烟探测器监测范围大，在其光路内部容易出现干扰物，导致误报警现象为了降低干扰物阻挡所导致的误报警现象本文将从烟雾散射机理对线式光电感烟探测器进行研究，根据烟雾散射特性，并结合消光检测技术进行分析，说明利用散射信号对对射信号补偿的方式，实现光电对射式感烟探测器抗外界干扰成为可能。

1 线式光电感烟探测器工作原理1.1 光散射基本原理图1散射示意图根据米氏（Mie）光散射理论，如果入射光为自然光，散射示意图如图1则总散射光强 为[3]： (1)式中：－入射波波长；－接收点（x,y,z）到烟散射粒子的距离；， －散射强度函数 图2透镜前散射示意图对于烟尘颗粒在透镜前散射特性可见图2所示烟尘颗粒的轴向放置位置对测量结果可能造成的影响，这实质上是接收透镜有效孔径为有限时对测量结果的影响设接收透镜的直径为D，多元光电探测器最外环的半径为S显然多元光电探测器所能接收到的最大衍射角为(2)而轴上烟尘颗粒相对于接收透镜的最大衍射角，也即透镜能接收到的最大衍射角为(3)式中，f及L分别是接收透镜的焦距以及试样与接收透镜之间的轴向距离不难看出，只有当时，试样的轴向位置或接收透镜孔径为有限值时才不至于影响到光能量的吸收由此可得试样轴向距离的最大允许值为(4)1.2 消光法测量原理消失光的测量原理如图3所示如果一束直径远大于被测颗粒粒径、强度为I0、波长为λ的平行单色光入射到一含有被测颗粒群的介质时，由于颗粒对光的散射和吸收作用，光的强度按下式衰减(5)式中，是介质的浊度图3光束穿过烟尘颗粒示意图设烟尘颗粒群在介质中的空间分布是无序而均匀的，即浊度与光程l无关，将式5沿整个光程积分后，得透射光的强度为(6)式6即是著名的Lambert-Beer定理，它描述了光在烟尘颗粒介质中的衰减规律。

如果被测量颗粒是球形颗粒，且每个颗粒的光散射满足不相关的单散射，N个粒径为D，迎光面积为a的单分散颗粒系由于光的散射和吸收而导致的浊度为(7)式中，称为消光系数，入射光波长λ、被测颗粒直径D、颗粒相对于周围介质的相对折射率m的函数将式7代入式6后可得(8)式中比值称为消光或消光值实际情况下，被测量的颗粒大多不是单分散颗粒系，而是有一定尺寸分布范围的多分散颗粒系，此时，该介质的浊度(9)代入式6后得（10）式中，a和b分别是颗粒尺寸分布的下限和上限， 是以颗粒数计的尺寸分布函数此时体积浓度可表示为(11)消光法中消光系数的计算是最关键问题之一当被测的颗粒系有吸收和散射时，其消光系数可由下式计算：式中其中当颗粒具有吸收特性时，如炭黑粒子、金属粉末等，颗粒折射率m=n-iη的虚步不为零；而当颗粒对光无吸收时，则折射率的虚部η为零，此时吸收系数等于零，即消光系数等于散射系数，上述式中和分别是半整数阶贝塞尔函数和第一类汉克尔函数，其计算可参阅文献[6]在一定折射率条件下，得到消光系数如图4所示图4消光系数曲线2、线式光电感烟探测器设计2.1线式光电感烟探测器光路设计由于式光电感烟探测器设计中，为了提高检测灵敏度，能够进行稀少烟雾颗粒检测，由消光法测量原理可知，这样就会带来透射光信号相对入射光信号变化极小，导致信噪比降低，对检测电路设计带来困难，同时会受光源光强波动影响、外界树叶，不明物阻挡等，导致探测器误报警现象。

为了提高线式光电感烟探测器灵敏度的同时，且具有一定抗干扰能力本文通过对光散射基本原理及消光法测量原理分析在设计中引入多元光电探测器检测方式探测器光路示意图如图5所示在O’处设置的光电探测单元进行散射光信号检测，在O处得光电探测单元进行透射光检测O’探测单元与O探测单元的距离为S，这样就可将距离测量透镜L内的烟雾颗粒散射角为θ的散射光信号聚焦到O’探测器单元上L可通过公式(4)计算图5线式光电感烟探测器光路示意图2.2线式光电感烟探测器系统设计线式光电感烟探测器系统设计如图6所示图6线式光电感烟探测器系统框图通过线式光电感烟探测器光路改进设计后，经O’光电探测单元对距离测量透镜L内散射信号收集处理，当L内有烟雾颗粒时，得到散射报警信号一般散射信号是种有无的判断，不存在信噪比低的问题，因此在设计中容易实现高灵敏度设计经O光电探测单元对测量区域内透射信号收集处理，当测量区域烟雾达到一定浓度时，得到透射报警信号一般透射信号存在背低信号高，而消光信号弱的信噪比太低的问题，因此在设计中易出现抗干扰能力弱的问题因此在本系统设计中，将散射报警信号与透射报警信号进行与处理后，进行探测器报警信号输出，从而提高线式光电感烟探测器抗干扰能力。

2.3设计样品的性能测试为了验证上述设计的可行性，项目组将高灵敏度散射光电检测技术与透射信号光电检测技术相结合，进行了样品的设计，制作传感器样品，如图7所示图7线式光电感烟探测器样品并对探测器进行性能测试其减光率可达到0.2dB/m，或更高且在试验中，对其光路进行阻挡试验，且都无报警信号输出3、结束语本文通过对光散射原理及消光法测量原理进行分析，在光透射检测中引入光散射检测，从而提出一种提高线式光电感烟探测器抗干扰问题的方式并进行了样品制作与测试，通过测试可知，在提高线式光电感烟探测器灵敏度的同时，探测器抗干扰能力得到了改善但由于接收透镜有效孔径及测量多元光电探测器限制，从而在设计中，应该通过精确计算，根据实际工程需要，选择合适的接受透镜及多元光电探测器进行产品的设计参考文献：[1] 蔡小舒，苏明旭、沈建琪.颗粒粒度测量技术及应用.化学工业出版社，2010年. [2] 朱福成，彭仁明.光电感烟探测器的研究. 自动测量与控制. 2006,25 (9).[3] 彭仁明,贺春林,朱福成.基于平行光束的后向散射光电感烟探测器的研究.西华师范大学学报.2006,27 (4).[4] van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. London: Chapman and Hall,1957.[5]刘小虎.粉尘测量技术研究.西安工业大学，2013年.[6]梁昆淼编.数学物理方法.人民教育出版社，1978年.  -全文完-。