独立式光电感烟火灾探测报警器的研制

独立式光电感烟火灾探测报警器的研制 摘 要 独立式光电感烟火灾探测报警器 下面简称 报警器 是一款家用型光电感烟火灾探测报警器 采用了 后向散射迷宫以及红外发射接收技术 能够探测火灾时产 生的烟雾 并及时发出报警信号 它主要实现了新国标中 对于四种烟的探测 并成为首批通过新国标的独立式感烟 火灾探测报警器之一 关键词 独立式 光电感烟 后向散射 迷宫 红外 发射接收 1 前言 1 1 家用消防器材备置现状 由于我国 消防法 对于家庭配备消防器材没有专门 的规定 虽在相关技术规范中对此进行了倡导 但不具强 制性 这导致目前我国家庭配备消防器材现状令人担忧 1 2 家用消防器材市场前景 中国民用消防市场 特别是家用消防器材市场 基本 属于未开发的处女地 随着人们生活水平的提高 私人财 富的增加 家庭内电器 油锅 液化气等引起的火灾隐患 时刻威胁着人们的生命财产安全 对于普通家庭来说 配 备家用消防器材 防患于未然是非常必要的 1 3 国内外发展现状 在光电感烟探测器出现以前 主要使用离子感烟探测 器 离子感烟报警探测器 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 报警器退役后使得 后期处理比较困难 容易对环境造成污染 一种环保型火 灾探测器的出现是必然趋势 由于半导体发光管的出现和 脉冲技术的发展 使光电感烟探测器迅速发展 由于光电 感烟探测器具有抗气流干扰 工作稳定 环境温度和湿度 变化对它影响小 对灰白色 颗粒较大的阴燃烟的相应比 离子探测器灵敏等特点 应用非常广泛 1 4 国家相关标准及规范 2006 年 7 月国家标准化管理委员会颁布了 GB20517 2006 独立式感烟火灾探测报警器 的国家标准 并于 2007 年 4 月 1 日起正式实施 2006 年 8 月 公安部消防局 向各省 自治区 直辖市公安消防总队发出 关于推广应 用独立式火灾探测报警器等消防技术的通知 通知 中 明确规定 在全国范围内推广独立式感烟探测报警器 2 报警器的主要特点 2 1 电池 采用 9V 层叠电池供电 2 2 工作电流 静态电流 20 A 报警电流 10mA 2 3 报警响度 80dB 距离 3 米处 2 4 确认灯 每 32s 闪亮一次 完成一次报警器电平检 测 当电源电压低于 5 8V 0 3 时 约每 32s 发出报警声一 次 同时报警灯闪亮 表示需要更换电池 2 5 自检确认 按下报警器盒盖上的检测按扭 直到蜂 鸣器发出声响 确认灯闪亮 表明报警器正常工作 2 6 I O 线 报警器之间通过此线连接在一起使用 可 实现多点联报功能 报警器数量 32 2 7 使用环境 环境温度 10 55 相对湿度 93 40 2 无凝结 2 8 保护面积 当空间高度为 6 12m 时 一个探测器的 保护面积对一般场所为 80m2 当空间高度为 6m 以下时 保护面积为 60 m2 2 9 外型尺寸 143 42 mm 2 10 重量 135g 不含电池 2 11 安装孔距 89mm 2 12 执行标准 GB 20517 2006 3 报警器设计方案 报警器采用的是一款包含复杂的低功率模拟和数字电 路 带 I O 和瞬时图形扬声器驱动器的光电烟雾探测芯片 选择这个芯片的主要原因是它的功耗很低 这是为了满足 国标中用电池作为电源时 保证报警器能够连续工作一年 的要求 此芯片用一个红外光电盒感测来自微小烟雾粒子 的散射光实现探测 当探测到烟雾并达到报警阈值时 启 动外部电路发出声光报警 具体方案如图 1 4 设计中的关键技术及解决方案 4 1 四种烟简介 新国标中明确规定 独立式感烟探测报警器必须通过 四种烟的实验 四种烟包括白烟 木材阴燃火 SH1 棉绳 阴燃火 SH2 和黑烟 聚氨脂泡沫塑料火 SH3 正庚烷火 SH4 4 2 迷宫的选择 散射光式烟传感器 它是通过一定的角度安装红外发 射管和接收管来工作的 没有烟进入时 接收管收不到从 发射管发出的光 当有烟进入时 光在烟粒子表面产生漫 反射 散射光被接收管接收到后产生电动势 即可将烟雾 信号转换为电信号 该电信号随着烟浓度而上升 直至产 生报警 依照这个原理发展出两种方式 即 前向散射和 后向散射光电工作方式 其中发射管和接受管间夹角为钝角的被称为前向散射 工作方式 目前市场上感烟探测器主要是这种 普通的前 向散射光电探测器作为离子探测器的替代方案出现 它具 有良好的抗潮和环保性能 但它对黑白烟的相应灵敏度明 显不同 不能满足国标中四种火的实验要求 近年来出现的后向散射型光电感烟探测器能彻底解决 这个问题 这是一种代表当代国际最高水平的感烟探测技 术 目前国内 国外掌握此技术的厂商仍是寥寥无几 迷宫散射角度如图 2 所示 前向散射型迷宫结构比较简单 对阴燃火有较高的灵 敏度 而对黑烟火灵敏度就较低 即使设计合理的前向散 射光电探测报警器 为了通过 SH3 和 SH4 两种黑烟试验火 也不得不把探测器的响应阈值 M 调的很小 过小的 M 值 给产品的响应阈值的一致性会带来很大的影响 也给产品 的标定 生产工艺带来了困难 后向散射型光电探测器 对黑烟试验火的探测灵敏度 较高 比较容易解决两种黑烟试验火的响应问题 图 3 为 探测器对 SH3 黑烟实验火的响应曲线 图 4 为探测器对 SH4 黑烟实验火的响应曲线 通过图 3 图 4 两幅曲线图可以看出 后向散射型迷宫 对于两种黑烟实验火比离子型探测报警器 前向散射探测 报警器响应信号要好很多 所以选择后向散射迷宫作为报 警器的迷宫 在这之前 国内尚没有厂家利用后向散射原 理设计迷宫 我们设计的光电感烟探测器的光学系 统结构示意图如图 5 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 可以让来自不同方向的烟雾进入迷宫后 经 过中心区域 再从另外一侧流出 有效避免了烟雾进入迷 宫后还没有被探测到就流出了迷宫 同时防止外界环境光 线直接射入光学暗室 消除了环境光线的影响 光室 1 由 发射管室 3 接收管室 4 发射透镜 6 接收透镜 5 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 4 3 外壳的设计 报警器的外形结构采用飞碟式设计 使用聚氯乙烯为 原料注塑而成 直径 143 毫米 这个空间内能容纳包括电 池 探测迷宫 电路板 蜂鸣器等部件 整个报警器的厚 度为 43 毫米 当报警器被安装到天花板上时 显得很不突 出 而它却可以大大提高探测灵敏度 因为当火灾发生时 产生的烟雾到达天花板时会向四周扩散 所以报警器的探 测区域越接近天花板就越容易探测到烟雾 4 4 防虫网的选择 我们采用了在迷宫上面加电腐蚀不锈钢防虫网的措施 网格面积不大于 1mm2 以保证小的昆虫不会进入迷宫 引起误报警 4 5 蜂鸣器的选择 采用了三线压电式蜂鸣器 固定在底座上 保证了蜂 鸣器报警声音大于 80dB 4 6 信噪比的提高 由于国内塑料制品的制造工艺不够好 使得迷宫注塑 件表面较粗糙 当然 这与迷宫的复杂程度是有关系的 这就使接收到的信号噪声比较大 也就是我们通常所说的 本底值 当有烟时的信号值与本底值之比就小 也就是信 噪比低 为了提高信噪比 经多方调研 咨询 选择了一 种叫做黑蜡的石油化工制品 并与乙醚稀释 将迷宫在稀 释液中浸泡 取出晾干 迷宫内壁十分光亮 表面粗糙不 见了 安装后试验 信噪比提高一倍 4 7 发射管 接收管的确定 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 4 m 之间 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 红外发射 接收的二极管有很多 其工作光波长在 800 1100nm 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右 而且红外线的特点是不干扰其他电器设备工 作 也不会影响周边环境 且电路调试简单 单只红外发 光二极管的发射功率约 100mW 发射功率较小 红外接收 二极管收到的信号较弱 所以接收端就要增加高增益放大 电路 接收电路的红外接收管是一种光敏二极管 使用时 要给红外接收二极管加反向偏压 它才能正常工作而获得 高的灵敏度 我们选取了 IR333 A PD638B 和 IR383 PD638C 两组 发射接收管做一个示例对比 并通过正反向电阻实验 确 定其中一组 通过在不等距离处对两对发射接收管的正反向电阻变 化值可以看出 电阻值变化越大 对于烟雾粒子产生的散 射越强 接受管接收的信号也就越大 对更有效的探测火 灾以及提高报警器的灵敏度起到积极作用 所以我们选择 了 IR333 A 和 PD638B 这一组红外对管作为我们光学暗室 的红外发射接收管 5 主要实验 5 1 发射电阻实验 发射电阻的选择 主要是控制发射电流的大小 以确 定红外发射管的发射强度 通过上面实验可以看出 在 3 3 的时候呢 报警器已经处于不正常的工作状态 即发 射电流过大导致报警器灵敏度太高而对本底的探测报警 在发射电阻为 4 2 8 2 时候报警器处于正常工作状态 发 射电阻在 10 之上 报警器灵敏度降低 对进烟实验不响 应 为了是报警器对烟雾的灵敏度处在一个正常工作状态 的中间状态 我们选择了 5 1 的发射电阻 如表 2 所示 表 2 发射电阻实验 5 2 方位实验 以报警器的中心为原点 等分为 8 份 在每一个方位 上进行烟箱标定实验 最终确定报警器的最不灵敏方位 因为以后的重复性 一致性 冲击 四种烟等实验都是在 报警器的最不灵敏方位进行的实验 并且要求每次标定的 最大值与最小值之比不大于 1 6 如表 3 所示 表 3 方位实验 5 3 重复性实验 我们取 6 只报警器在最不灵敏的 5 方位进行 6 次灵敏 度标定 其中最大值与最小值的比值应小于 1 6 如表 4 所 示 5 4 一致性实验 我们取 8 只报警器在 8 个方位进行灵敏度标定 其中 最大值与最小值的比值应小于 1 6 如表 5 所示 5 5 冲击实验 我们取 4 只报警器进行试验后 在最不灵敏的 5 方位 进行灵敏度标定 试验后的标定值与试验前的标定值比值