光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统的研究

1、光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统的研究专业名称：光学 申请人姓名：但侨生 导师姓名：黄佐华摘 要随着科技的进步和经济建设的发展，各种类型的建筑物对火灾自动报警控制系统提出了更高的要求。特别是目前正在我国逐步兴起的智能建筑中，就更是如此。据估计近两年火灾自动报警和消防联动控制系统的年需求量约达20多亿元人民币。相关部门和公司在各类烟雾传感器组成的探测器的研发上都投入了很大的物力和财力。本文探讨并比较了各种烟雾浓度测量仪和烟雾报警器的优缺点，依据光散射原理，设计和完成了一套光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统。该系统以高功率激光二极管dh650-40-3(5)为发射光源，阵列型硅光电池作为接收器；

2、以芯片op07设计放大电路，模数转换芯片tlc2543和主控芯片stc89c52为微控制器件，工业字符型液晶lcd1602为输出数值显示屏。确定了系统总体设计方案和具体电路结构。具体所做的工作如下：1.综述了国内外烟雾浓度测量及报警系统的发展，分析了各种烟雾报警器的原理、性能指标和优缺点。2.搭建了一套光散射式早期烟雾浓度测量及报警实验系统，对系统的元件、光路、气室、放大电路和单片机电路等部分进行了分析与设计。3.对该系统进行了实验测试，包括系统浓度测量的稳定性、线性和定标等工作内容。4.实验表明：本系统测量烟雾浓度的稳定性为8.75%，分辨率为。关键字：烟雾探测，浓度测量，功率补偿，浓度定标

3、，线性，稳定性investigative of light scattering early smoke concentration measurement and alarm systemmajor: opticsname: qiaosheng dan supervisor: zuohua huangabstract with the development of technology and economic，people care more about automatic fire-alarm system for various types of buildings currently

4、，especially when intelligent building is gradual increase in china. it is estimated that it costs about 20 billion rmb for the automatic fire alarm and fire control linkage system in the past two years. relevant departments and companies have invested a lot in research and developing on smoke detect

5、or consisting of types of sensor.this article discusses and compares advantages and disadvantages of various smoke concentration meter and smoke alarm, based on light scattering principle, design and completion of a series of light scattering type early smoke concentration measurement and warning sy

6、stems.the system uses the high power laser diode (dh650-40-3 (5) for the emission source, the array-type silicon photovoltaic cells as a receiver and design amplifier with op07, tlc2543 and stc89c52 for the micro-control devices, lcd1602 display the output. then we have made the system design progra

7、ms and designed specific circuit structure. specifically the work done as follows:1. summary of the development of domestic and foreign smoke concentration measurement and alarm system, analyzes the principled, performance indicators ,advantages and disadvantages of smoke alarms.2. to build a series

8、 of light scattering type early smoke concentration measurement and alarm experimental system, analysis and design the systems components, optical, gas chamber, amplifying circuit and microcontroller circuit 3. experimental testing of the system, including the system concentration measurement stabil

9、ity, linearity and calibration ,etc.4. experiments show that: the system to measure the stability of smoke concentration , resolution .keywords: smoke detection, concentration measurement, power compensation, concentration calibration, linear, stability目 录1绪论11.1消防中的火灾探测报警技术概述11.1.1烟雾探测报警系统31.2烟雾报警器

10、技术概述41.2.1国内外烟雾报警器技术的发展现状51.2.2烟雾报警器技术的发展趋势及优势61.3课题研究的背景及意义71.4课题研究的难点分析71.5课题研究的主要内容81.6本章小结82.常见烟雾浓度测量及报警系统92.1常见的烟雾浓度测量系统92.1.1射线测尘仪92.1.2压电晶振法测尘仪102.1.3震微天平法测尘仪102.1.4光散射型测尘仪102.1.5四种测尘仪综合性能比较112.2常见的烟雾报警系统122.2.1半导体式烟雾报警器122.2.2离子式烟雾报警器132.2.3光电式烟雾报警器142.3 本章小结153光散射式烟雾浓度测量原理163.1光散射163.2光散射理论

11、的发展163.3 mie散射理论173.4本章小结204光散射式烟雾浓度测量系统的结构设计214.1系统的组成框图及工作原理214.2光路设计及分析224.2.1系统的光源和硅光电池的选择224.2.2系统光路的设计244.2气路的设计及分析254.2.1抽气系统254.2.2气室264.3本章小结275系统的电路及软件设计285.1信号检测及放大电路的设计285.2单片机电路的设计305.2.1模数转换芯片tlc2543305.2.2主控芯片stc89c52325.2.3 lcd1602345.2.4单片机设计思路355.3报警显示电路385.4系统电路电源的设计395.5数据处理电路综合图

12、405.6本章小结416 系统的实验测试426.1实验测量原理及装置426.2实验测量数据436.2.1浓度定标436.2.2烟雾浓度线性响应实验456.2.3系统稳定度测试476.3本章小结517总结与展望527.1论文的主要工作527.2本系统与国内外产品比较527.3展望53参考文献：54附录156致谢6468光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统的研究1绪论火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。所以说人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的，人

13、们在用火的同时，不断总结火灾发生的规律，尽可能地减少火灾及其对人类造成的危害。 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化委员会联合颁布了特种火灾探测器标准，国家和地方都加大了对火灾防范技术的投入1。理想的火灾防御系统应该具有及早的预警性，在危险情况出现之前就能发出报警信号通知相关部门采取相应措施，从此避免人身和财产的损失。本章将从目前常见的烟雾浓度测量及报警技术入手，重点介绍光电式烟雾浓度测量及报警技术的发展现状、应用前景以及特点和优势，并在此基础上提出本论文的主要研究内容。1.1消防中的火灾探测报警技术概述随着中国国民经济和现代科技的飞速发展，各种高科技、现代化的工业和民用设施

14、不断涌现。通讯、电力、电子、金融、石化、医疗卫生、仓储物流、信息产业、交通运输、文化体育等各行各业不但是国民经济的支柱，也已成为我们日常工作和生活当中的重要组成部分。我们对这些行业及服务的依赖也变得日趋强烈。与过去的情况相比，各种设施和设备越来越高度精密化，功能越来越完备,造价也变得越来越昂贵，所以一次很小的火灾都将造成非常严重的灾害。其中不但包括设施和设备本身的损失，而由此引发的包括工业、民用、商业、金融、科技、医疗等领域的服务中断所带来的损失更是不可估量的。普通的烟雾报警器只有在烟雾浓度较高的时候才会报警，在火灾初始的阶段还没有反应，这样就延误了火灾的控制时间2。如果火灾探测系统能够在这一

15、阶段及早发现火情并报警，将为控制火势发展赢得宝贵的时机，这就对烟雾报警器的灵敏度提出了很高的要求。微电子技术、探测传感器技术、通信和网络化技术的飞速发展，促使火灾探测报警与消防通信技术领域发生了新的变化。其主要特征体现在：火灾探测报警时间的提前、火灾探测报警可靠性的提高、特殊场所火灾的探测报警、火灾探测报警系统的网络化、消防联动控制的智能化与消防通信网络技术等。 城市火灾探测报警系统是研究和解决即将着火和着火之后的消防问题的一门科学。用最小的代价，实现可靠的火灾探测报警，并且能使火灾损失降到最低限度，是火灾探测报警追求的一个重要的性能指标和不断深入研究的难题。为此，人们通过多种渠道研究城市火灾

16、探测报警与消防通信技术。它是涉及光学、电子学、传感技术、信息处理技术、控制理论、逻辑学、网络学、计算机技术、燃烧理论等多种学科的综合应用技术。 一些特殊的重要单位和场所如计算机中心、电力调度指挥中心、邮电通信枢纽、图文档案信息中心、半导体生产车间、核电站等，在国民经济和社会生产生活中起着至关重要的作用。在这些场所内的各种电气、电子设备、仪器仪表高度集中且处于长期运行状态，电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多，一旦发生火灾又将给国家造成重大的经济损失，给社会带来重大影响；而易燃易爆场所一旦发生火灾爆炸事故，将难以及时扑救。鉴于这些场所的重要性和特殊性，普通类型的感温、感烟火灾探测报警系统已不能

17、满足需要，必须采用超早期高灵敏火灾探测报警技术3。 英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重4。另外一些重要的场合和区域也会容易发生火灾，如博物馆、礼堂、图书馆、通信机房和大型商场等等，这些地方发生火灾后往往会造成人员伤亡和巨大的财产损失 5。美国消防协会主席james shannon提出：“烟雾报警器是目前最好的消防装置之一，2o世纪7o年代末以来家庭火灾死亡率的下降很大意义上都归功于它”。据美国消防协会的相关报告称，烟雾报警器能够使家庭火灾死亡率的风险降低一半。就现在而言，世界上使用得最为普遍的烟雾报警

18、器当属光电式烟雾报警器和电离式烟雾报警器。光电式烟雾报警器是目前市场上使用最为广泛的一种烟雾报警器。具有低电流、低功耗、无污染、工作可靠以及维护成本低等优点6。一些发达国家对超早期火灾探测报警技术的研究与产品开发十分重视。早在上世纪80年代，日本、美国、英国、瑞士、德国、澳大利亚等国已开始进行该领域的技术研究和产品开发，目前已研究开发出激光式高灵敏度感烟火灾探测器、吸气式高灵敏度火灾探测报警系统和气体火灾探测报警系统等高灵敏度火灾探测报警产品7。这些系统采用激光粒子计数原理、激光散射原理监视被保护空间，以单位体积内粒子增加的多少来判断是否可能发生火灾，可以在火灾发生之前的几小时或几天内，识别潜

19、在的火灾危险性，实现超早期火灾报警。与普通感烟火灾探测报警系统相比，这种系统的探测灵敏度提高了两个数量级甚至更多。但目前，这种技术还仅限于对烟粒子的探测，在应用中还是不同程度地受到了应用场所环境的限制。 二十世纪90年代以来，我国火灾探测报警产业化发展非常迅猛，从事火灾探测报警产品生产的企业已超过100家，年产值达几十亿元，已经成为我国高新技术产业的一个组成部分，国外产品也大量进入我国市场。我国每年建筑中新安装的火灾探测器约200万只，但存在火灾报警器的探测灵敏度低、误报率高等诸多问题。我国火灾探测报警行业产品和质量检验技术进步，和相关产品市场竞争能力的需进一步的提高8。1.1.1烟雾探测报警

20、系统烟雾探测报警系统也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器，主要应用于消防系统，在安防系统建设中也有应用。烟雾探测报警系统采用特殊结构设计的传感器、光学迷宫和信号处理电路组成，具有灵敏度高、稳定可靠、低功耗、美观耐用、使用方便等特点。电路和电源可自检，可进行模拟报警测试。有关资料统计表明：凡是安装了烟雾探测报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾9。在重要的办公楼、仓库、变电站、控制中心，500总吨以上的各种船舶都根据国家标准高层民用建筑设计防火规范、建筑设计防火规范以及国际海事组织solas公约等有关条文安装了烟雾探测报警系统，在消防安

21、全保卫工作中发挥了重要作用。1.2烟雾报警器技术概述随着科技的进步和经济建设的发展，各类型的建筑物对火灾自动报警控制系统提出了更高的要求。特别是目前正在我国逐步兴起的智能建筑中，就更是如此。据估计近两年火灾自动报警和消防联动控制系统的年需求量约达20多亿元人民币。相关部门和公司在各类烟雾传感器组成的探测器的研发上都投入了很大的物力和财力10。图1 2008年国内烟雾探测报警系统产销量对比图2 烟雾探测报警系统市场行情与供需预测中华人民共和国国家标准火灾自动报警系统设计规范明确规定，规定一、二级保护对象中“净高超过0.8m 的具有可燃物的闷顶需设置火灾探测器，新规范在保护对象、探测器设置、消防控

22、制方面都较为详细11。光电式烟雾报警器因工作电流低、功耗低、电源电压适应范围宽、成本低廉以及结构简单等优点而得到广泛的使用。在烟雾报警器的市场中占有很大的市场份额。1.2.1国内外烟雾报警器技术的发展现状据统计各种感雾探测器在国外市场上的销售和使用量约占火灾探测器总量的70%至80%。其中主要是单一火灾探测原理的点型离子感烟和光电感烟探测器，且光电感烟探测器的用量越来越大于离子感烟探测器。有数字说，在日本离子感烟探测器只占市场份额的3%，光电感烟则占97%以上，成为主导产品，这主要是出于环保的原因，离子感烟的原料媚一241等，属于放射性元素。因此在国际市场上离子感烟探测器正在逐步缩小份额，预计

23、会退出市场，而由光电式及其它新型探测器的出现来取代。国内传统的烟雾探测器结构简单、成本低，但存在灵敏度低、误报率高和环境适应能力差的缺点。国内有很多厂家使用mc145010制造的感烟报警器，因为产品结构、工艺、测试工具的差别，报警器的灵敏度相差也非常大。目前国内的烟雾报警器的烟雾探测浓度一般为5obs/m，初始火灾产生的烟热浮力变小，难以达到天花板，这就大大地推迟了传统烟雾报警器的响应报警时间，甚至因烟雾严重稀释或难以扩散至探测器使它无用武之地 12。美国kidde的感烟报警器和国内很多厂家生产的烟雾报警器相比，其稳定性最好、抗干扰强、灵敏度高，灵敏度达2 percent/ft（2%/英尺）1

24、3，非常接近高灵敏度离子感烟报警器的灵敏度。其中国内很多厂家生产的ss168型的烟雾报警器灵敏度都比较低（牺牲灵敏度换取抗干扰性能），有一些的灵敏度很低，在20 percent/ft以上，非常不利于及早发现险情。澳大利亚vesda是全世界空气采样烟雾探测领域的领导者，系统对烟雾分析力为0.00075%obs/m，以其高可靠、高效率的极早期探测报警性能，惊鸣世界、誉满全球，已在世界范围内安装了二十多万套14。它能够轻松超越各种烟雾探测难题，应用环境从洁净到肮脏、从低温到高温、从小型区域到高大开放空间、从航空运输到轨道交通、从古建筑到现代建筑为用户提供可靠的极早期烟雾探测报警，保护生命和财产安全，

25、远离火灾困扰。近几年来，国外采用的空气采样式早期烟雾探测报警系统较好地解决了在火灾初期实现自动报警的问题，这一系统的代表产品如澳大利亚godex pty.ltd公司生产的godex型空气采样式感烟火灾探测器、中国山东宏雁消防自控有限公司引进澳大利亚技术生产的vesda空气采样早期烟雾探测系统以及香港科艺公司的国外产品。国内的烟雾报警器较多的是进口产品或者引进技术，系统的灵敏度、对环境变化的自适应能力、探测浓度范围、以及烟雾报警器的节电设计还有待进一步的研究，把实验系统应用于市场还有许多问题要解决。1.2.2烟雾报警器技术的发展趋势及优势 火灾探测技术是火灾预防技术的重要内容，它前后经历了约一个

26、多世纪的发展过程。1890年英国就出现了利用金属材料热反应性能，研制出感温元件的测报火灾的装置。本世纪初奥地利物理学家施卫德勒（schwidler）研究发现了电离子具有吸附气溶胶粒子的现象，并被用于电子仪器仪表工业。二战期间，瑞士西伯乐斯（cerberus）公司研制出世界上第一只离子式烟雾报警器，距今也有60多年了。二战结束后，随着电子、微电子技术的不断进步，火灾探测报警技术得到迅速发展。我国的火灾电子自动探测报警技术，起步于“文革”期间。近二三十年来，我国火灾报警产业化的发展非常迅速，现在一般性通用型的各类探测报警设备都能生产。随着科技的进步和经济建设的发展，各类型的建筑物对火灾自动报警控制

27、系统提出了更高的要求。特别是目前正在我国逐步兴起的智能建筑中，就更是如此 15。面对高新技术的发展机遇和国际国内市场的竞争挑战，烟雾报警器技术正朝着以下四个主要方向发展：（1）早期、超早期光电式烟雾报警器发展趋势是针对近年来日益增多的高风险、高灾害损失保护对象而提出的。一些特殊场所，如计算机中心、电力调度指挥中心、核电站、航空港和宇航中心等，一旦发生火灾，不仅会给目标本身造成巨大经济损失，更严重的是可能波及其整个系统停止运行，由此带来更大的经济损失和社会政治影响。（2）采用智能技术处理传感器提供的火灾信息，如华中师范大学采用的基于m s p 4 3 0的光电式烟雾报警器优化设计，利用软件和单片

28、机技术实现改变了传统光电式烟雾报警器误报率高和环境适应能力差的缺点。（3）光电式烟雾报警器的网络化，网络信息化技术是一项重要的共性科学技术，它的大发展将是二十一世纪科技发展的特征之一，如何把计算机数据通讯技术及时地应用到火灾探测报警系统。 以便利用并通过网络协议，充分享用社会信息资源，及时交换系统内部和外部之间的数据信息，从而构成一个动态发展的城市化、社区化的具有多层次功能的火灾探测报警、救援、管理和服务网络信息系统16。1.3课题研究的背景及意义火灾烟雾是可燃物燃烧产生的气溶胶，是火灾的前兆和伴随产物。“烟为火始”，烟雾作为火灾探测的基础参量，是火灾探测研究的基础内容。试验及经验表明，绝大多

29、数火灾都可分为四个阶段：初始阶段，存在着肉眼看不见的很微弱的烟雾，火灾的初始阶段发展很慢，可长达数小时，且不易被人们发现。而普通的感烟探测器在这个阶段还没有反应，如果火灾探测系统能够在这一阶段及早发现火情并报警，将为控制火势发展赢得宝贵的时机；可见烟雾燃烧阶段，可以看到烟雾的明显存在，这也是光电式烟雾报警器工作的阶段，这个阶段离明火的出现仅有数分钟；火焰燃烧阶段，阴燃聚集的热量导致物质出现有焰燃烧；剧烈燃烧阶段，环境温度上升数十度至几百度，这是感温探测器、水喷淋的动作温度区。由于传统的烟雾报警器一般都在火灾发展到后三个阶段时发出报警，而这三个阶段时间相对较短，约几秒钟到十几分钟，所以即使发现火

30、警也为时过晚。对火灾中产生的各种烟雾的物理特性，提高烟雾报警器灵敏度是火灾烟雾探测研究的重要方向17。基于上述原因，本文研究并设计了一套光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统。1.4课题研究的难点分析提高烟雾报警器的灵敏度一直是国内外烟雾报警器制造商的重点研究内容。本论文依据光散射原理，设计及搭建了早期烟雾浓度测量及报警实验系统，提高系统测量浓度和稳定性是本课题的难点及重点。在整个课题的研究过程中，还存在一些问题亟待解决。1.探测的烟雾浓度的精确定标以及浓度测量范围的扩大。2.烟雾浓度响应线性度的保证。3.实验系统的灵敏度和稳定性的提高。1.5课题研究的主要内容本课题的目的是通过对现有各种烟雾浓度

31、测量及报警系统的进行分析研究，通过改进和优化，研制出一种高灵敏度，稳定性高，抗干扰能力强的光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统。具体所做工作如下:1.在查阅了大量的国内外相关文献后，分析比较了各种烟雾浓度测量及报警器方案的优缺点，对光路系统进行了优化设计。2.设计和搭建了一种光散射式早期烟雾测量及报警系统，并完成了放大电路、单片机电路的制作及系统调试。3.对设计的光散射式烟雾浓度测量及报警系统进行了浓度定标，并测试了系统的烟雾浓度响应线性曲线和稳定度。本系统的优点是灵敏度高、稳定性好，将火灾报警时间提前及绿色环保。1.6本章小结本章介绍了火灾对人类产生的危害和控制火灾发生的重要性。从目前常见的烟

32、雾浓度测量及报警技术入手，重点介绍光电式烟雾浓度测量及报警技术的发展现状、应用前景以及特点和优势，并在此基础上提出本论文研究的背景及意义、论文的难点和主要研究内容。2.常见烟雾浓度测量及报警系统烟雾是火灾的前兆和伴随产物，是火灾过程中的重要物理现象。烟雾浓度和平均粒径是烟雾的两个重要特性参数，是早期火灾探测的基础18。论文研究的是光散射式早期烟雾浓度测量及报警系统，而烟雾浓度的测量的实质是空气中颗粒物的测量。本章将会介绍常见的烟雾浓度测量及报警系统。国内用于测量颗粒物的常用系统有：射线式测尘仪、微天平法测尘仪、压电晶振法测尘仪和光散射式测尘仪 19；常用的烟雾报警系统有半导体式、离子式、光电式

33、烟雾报警器。2.1常见的烟雾浓度测量系统2.1.1射线测尘仪在空气质量自动监测系统中，常用射线测尘仪监测颗粒物，其原理是根据射线衰减大小作相关性浓度测量；通过分别测量未采尘滤带和采尘滤带对射线吸收程度的差异来测量空气尘量。图3射线测尘仪结构示意图以api公司的bam-1020型射线测尘仪为例，其仪器结构示意如图3所示。这类仪器目前可达到的性能指指标为：测量范围；分辨率；精度（在处，小时值测量物为pm10颗粒物）。这一方法在测量原理和测量方法上存在较多问题，测量数据误差较大。2.1.2压电晶振法测尘仪压电晶振法测尘仪的核心部分是静电采样室，它由高压放电针、石英谐振器及电极组成，如图4所示。空气中

34、的颗粒物因高压电晕放电作用而带上负电荷，它被带有正电荷的石英振荡器电极表面吸引放电并沉积在其表面上，尘量增加使振荡频率降低，频率降低程度与尘量成正比，这就是晶振荡测尘原理。图4 石英晶体飘尘测定仪工作原理图以3511型压电天平式数字测尘仪为例，仪器灵敏度可达。存在的较大问题是需要定期清洗石英振荡器的电极，颗粒物采集率不稳定。2.1.3震微天平法测尘仪美国rp公司生产的teom1400a型测尘仪是锥震微天平法测尘仪的典型代表。其原理是：使用一种锥形元件震荡微天平传感器，在传感器中颗粒物收集室是一个一端卡紧，另一端可以自由摆动的中心收集室，可更换的过滤器盒装在自由摆动一端的顶尖上。收集室以自然频率

35、摆动，当采集的颗粒物质量变化时，自然振荡频率改变，据此确定颗粒物的采集量。这种仪器的标定性能为：精度小时，24小时，分辨率,配有pm10、pm2.5、pm1和tsp采样头。2.1.4光散射型测尘仪光散射型测尘仪类型较多，如国产ld系列，主要依据光经空气中颗粒物的侧向散射原理，具有测量速度快、适应性好及容易实现自动测量等特点。缺点是精度不高，一般为0.01mg/m3。目前这类仪器主要用于烟尘（污染源）的测量，受颗粒的粒径影响大，直接检测环境空气的颗粒物浓度尚未成熟。但也有用于公共场所测量空气颗粒物浓度的报道。其中ld5型电脑激光粉尘仪测量灵敏度达0.001mg/m3。计数式的测尘仪可以测定尘粒的

36、大小和个数，主要用于有特殊要求的环境空气测尘（如超净工作室）。图5 ld-5c型微电脑激光粉尘仪实物图如北京绿林创新数码科技有限公司提供的ld-5c型微电脑激光粉尘仪，如图5所示，具有新世纪国际先进水平的新型内置滤膜在线采样器的微电脑激光粉尘仪，在连续监测粉尘浓度的同时，可收集到颗粒物，以便对其成份进行分析，并求出质量浓度转换系数k值20。主要的技术指标有：1配置40mm滤膜在线采样器2具有可更换粒子切割器pm10、pm5、pm2.5及tsp供选择 3直读粉尘质量浓度（mg/m3），1分钟出结果 4大屏幕液晶显示器，汉字菜单提示 5测量范围ld5c（l）0.01100 mg/m36重复性误差：

37、2 7测量精度：10% 本论文将会与ld-5c型微电脑激光粉尘仪的烟雾分析能力进行比较。2.1.5四种测尘仪综合性能比较上述四种不同工作原理测尘仪的测量分辨率与特点及应用示于表2-121。可根据不同地区或要求选用。例如，北方干燥地区可采用锥震微天平测尘仪，工业区可选用光散射型测尘仪等。 表2-1四种测尘仪的比较仪器类型测量原理分辨率特点及应用射线测尘仪射线衰减强度与颗粒物质量成比例测量数据误差较大，可分段连续自动测量压电晶振测尘仪石英振荡频率与颗粒物质量成比例定期清洗石英振荡器的电极，颗粒物采集率不稳定，可分段连续自动测量光散射型测尘仪散射光强与颗粒物浓度成比例0.01 mg/m3受颗粒的粒径

38、及颜色影响大，直接检测环境空气的颗粒物浓度尚未成熟，主要用于粉尘连续在线自动测量锥震微天平测尘仪锥形管振荡频率与颗粒物质量成比例仪器结构复杂，体积大，受湿度影响明显，可分段连续自动测量2.2常见的烟雾报警系统目前市场上常见的烟雾报警器的主要有半导体式、离子式、光电式以及早期烟雾报警器等。2.2.1半导体式烟雾报警器半导体式烟雾探测报警器利用mq-n 型器件，把物质在燃烧时所产生的烟雾这个物理量转变成为电量。通过集成电路(即比较器)，比较后输出的电信号经过放大， 最后输给报警电路，从而产生自动报警的声、光信号。mqn 型传感器是由不锈钢防爆金属网、二氧化锡半导体、电极引线、frp 成形底座、加热

39、极和棚i量极等所组成的。为了使感应体的固相与被测气体的气相相互作用高度晒性化， 以提高响应速度和增火灵敏度， 需要器件把感应体加热到一定的温度使用。因此该气敏器件由气体感应体、加热感应体用的螺旋状外加热器、防爆网、支撑封装等几部分组成，其结构如图6。通常化台物中的元素都是以一定的整数比构成。例如：水是由两个氢原子和一个氧原子组成， 如h：0 这样的化合物， 叫做化学计量比化合物。但也有一些化台物， 由于工艺和晶体生成条件的某些限制等原因， 使得元素的原子或离子有过剩和不足， 这类化合物称为非化学计量比化台物。mqn 气敏器件是由非化学计量比的二氧化锡半导体材料制成的， 它并非由两个氧原子、一个

40、锡原子组成， 而是氧原子数量不足它能吸收空气中的氧， 形成氧的负离子吸附，使半导体的电子密度减少， 电阻率增大。当遇到能给电子自 某种气体和烟雾时， 原来吸附的氧又会脱附、并由这种气体以正离子状态吸附在半导体表面上。负离子脱附、正离子吸附均使半导体中可导电的离子密度增加， 电阻率下降。mqn 半导体气敏传感器就是利用二氧化锡半导体表面在吸附被测气体和烟雾后， 会改变半导体导电率的原理通过对半导体导电率的测量就能弊识各种气体的吸附。这种传感器的特点是：它不仅可用来检测和防范火灾的产生，但半导体式传感器具有监控电流大、需要预热的缺陷22。+电压输出半导体材料半导体材料电压输入-检测电路图6半导体式

41、烟雾报警器结构图2.2.2离子式烟雾报警器离子烟雾报警器有一个电离室，离子室所用放射元素镅241（am241），强度约0.8微居里左右，正常状态下处于电场的平衡状态，当有烟尘进入电离室会破坏这种平衡关系，报警电路检测到浓度超过设定的阈值发出报警。离子烟雾报警器主要由电离室、检测电路和报警系统组成。如图7所示。离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一些，对各种烟能均衡响应。当发生大火时，空气中烟雾的微小粒子较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后，产生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警23。但离子烟雾报警器由于电离源镅241有辐射性，在一定

42、程度上会污染环境，不利于绿色环保。报警系统+-a镅241图7离子烟雾报警器结构图2.2.3光电式烟雾报警器传统的光电式烟雾报警器主要由三部分组成：一是光学迷宫，也就是俗称的气室，用来容纳烟雾气体。二是光学传感模块，即由一只红外发射管、一只红外接收管组成。三是探测电路模块，探测芯片用来接收传感器信号并进行处理，从而判断是否有火灾发生 24 。如图8、9所示。这种烟雾探测器使用功率低、结构简单、成本低，但存在灵敏度低、误报率高和环境适应能力差等缺点。图8光电式烟雾报警器的结构图（1.光学迷宫，2.探测电路模块，3.外壳，4.led接收管，5.led发射管） a b图9光电式烟雾报警器实物图(a内部

43、结构25；b整体外观)在正常状态下，因为led发射管和led接收管成一定的夹角（一般是120度），如图7所示。红外接收管不能接收到红外发射管发射的光信号。在烟雾进入光学迷宫后，由于烟粒子的“漫反射”作用，红外接收管就会接收到红外发射管发射的光信号并产生光电流，实现由烟雾信号到电信号的转变。探测电路模块的探测芯片用来接收传感器信号并进行处理，从而判断是否有火灾发生。光电式烟雾报警器因工作电流低、功耗低、电源电压适应范围宽、成本低廉以及结构简单等优点而得到广泛的使用。2.3 本章小结本章主要介绍了国内外常见的烟雾浓度测量及报警系统的组成、工作原理、性能指标和优缺点。3光散射式烟雾浓度测量原理3.1

44、光散射光的散射是原子或分子体系从入射光波中获得能量后，改变其传播方向和相位、甚至频率的再辐射（二次辐射理论）。当光束通过均匀的透明介质（光学空虚）介质时，从侧面看不到光线。如果介质是不均匀的（例如高聚物稀溶液、溶胶、悬浮液等），就可从侧面看到一道清晰的光径，这种现象称为tyndall现象。这些现象的本质是光波的电磁场与介质分子相互作用的结果。当光波射入介质时，在光波电场的作用下，分子或原子产生诱导极化，并以一定的频率作强迫振动，形成振动的偶极子。这些振动的偶极子就成为二次波源，向各个方向发射出电磁波。在纯净的均匀介质中，这些次波相互干涉的结果，使光线只能在折射方向上传播，而在其他方向上则相互抵

45、消，所以没有散射光出现。但当均匀介质中掺入进行着布朗运动的微粒后，或者体系由于热运动而产生局部的密度涨落或浓度涨落时，就会破坏次波的相干性，而在其他方向上出现散射光 26。3.2光散射理论的发展观察到光散射现象最早可追溯到1802年，当时richter就曾观察到光束通过金溶胶时的光径。1869年tyndall重新详细地研究这种现象，并使光线通过一个盛有亚硝酸丁酯和盐酸混合蒸汽的管子，制成了模拟的蓝色天空。他还发现在白光照射下，散射光是部分偏振的。1871年rayleigh详细地研究了tyndall现象后指出：散射光强度与入射光强度、单位体积内的微粒数目及微粒的体积平方成正比，而与散射光波长的四

46、次方成反比。这就是著名的rayleigh定律。mie（1908）和debye(1909)用球形质点为模型详细计算了电磁波的散射。此理论适用于任何大小的球体，并证明：只有当时（为球体半径；为入射光波长），rayleigh的反比定律才是正确的；当值较大时，散射强度与波长的依赖关系就不很明显。rayleigh散射针对处理一些独立的光学均匀的颗粒，即相互距离较远的一些光学各向同性的和比入射光波长要小的微粒。mie氏通过电磁场的麦克斯韦方程，解出了关于光散射的严格解，得出了任意直径，任意成分的均匀粒子的散射定律，这就是著名的mie氏理论 27。3.3 mie散射理论粉尘测试主要注重于散射光强度与粒子体积

47、(或质量浓度)的关系，是基于粒子群的光散射（在同一时刻,允许光敏感区内有多个粒子存在）,着重研究多个粒子产生多份散射光的情况，而要研究多个粒子的光散射,首先就要研究单个粒子的光散射。对于单个粒子来说，大多数情况下微粒的测试中所测的粒度是一种等效意义上的粒度。利用微粒对激光的散射特性，所测出的等效粒度为等效散射粒度，即用与实际被测微粒具有相同散射效果的球形微粒的直径来代表这个实际微粒的大小。当被测微粒为球形时，其等效粒径就是它的实际直径。尽管如此，严格的计算也是困难的，对大量微粒的统计特征而言，建立一个数学模型，认为微粒是大小不同、各向同性的小球，在这一模型的基础上，g.mie在1908年导出了

48、一个均匀小球在平面单色光波中散射的严格解。当单色平面波被粒度为折射率为的小球散射，小球散射场为： （3-1）其中和为散射角方向散射光的两个正交分量，和为入射光波的两个正交分量，为空间角频率，观察点到散射中心的距离，、对应相互正交两分量的散射振幅，与有关。对所有的微粒尺度和任何波长，mie散射的角度特性都用两个强度分布函数表示，它们是各种散射参数的基础。设被一个微粒散射到方向的散射光可以分为两个互相垂直的偏振分量，其强度分别为与，前者垂直于观测平面，而后者平行于观测平面，这两个分量分别和两个强度分布函数和成正比。是mie理论的精髓，对一个各向同性的球形微粒，其两个强度分布函数分别是： （3-2）

49、 （3-3）、是第n级子波的电矢量和磁矢量的复振幅系数，、由legendre函数及其导数决定，仅与有关。因此，由图10所示的散射几何图像可知：yxxyzp入射光方向图10 mie散射几何图形1.微粒被一束电矢量垂直于观测平面的平面偏振光照射，即偏振角，这时在这个平面上散射光的强度为： （3-4）2. 微粒被一束电矢量平行于观测平面的平面偏振光照射，即，这时在这个平面内散射光的强度为： （3-5）3. 微粒被一束非偏振光照射，这束光可以看作是电矢量分别垂直和平行于观测平面的两束平面偏振光的叠加，这两束光振幅相同，但没有相干的关系。这时散射光也包含两个非相干的偏振分量： （3-6）以上三式清晰地描

50、述了强度分布函数和的物理意义，同时也是进行函数数值计算的基础。当光强为，平行入射到微粒时，在散射角，距离散射体为处的散射光强： （3-7）当微粒直径比光的波长小得多时，可以认为入射光所引起的电场在均匀物质微粒的范围内是各处均匀的，在入射光振动电矢量的作用下，微粒诱导生成的偶极矩的大小也做相同频率的变化，并辐射出电磁波即散射光，此时可用瑞利散射来说明。完整的mie理论可以表达为一个数学级数，它包括所有微粒粒度，此级数的第一项相当于rayleigh散射公式，为此在微粒较小时，瑞利散射与mie散射相比其误差在1%以内。其角散射光强表达式： （3-8）在一般情况下散射是非相干的，各微粒的散射可以相加。

51、根据偶极子辐射电磁波的能流密度可以导出当光强为，在散射角，距离散射体为处的散射光强： （3-9）其中，为单位体积内的粒子数，、分别为空气中和真空的介电常数，为光敏感区到光接受器件的距离，为散射角，为粒子的半径，为入射光强，为光源的波长，为与测量系统几何尺寸有关的一个常数28。当散射微粒比入射光波长大得多时，散射已经过渡到衍射，其规律可用夫朗禾费衍射说明，根据互补屏衍射光强分布的巴比涅原理，对球形微粒迎光投影为相同圆形的微粒以及相同直径的圆孔，其衍射图样相同。在观察屏中央是一圆形明亮光斑，其周围是明、暗交替的圆环，各明环的亮度从内到外迅速减弱，其中央明亮圆斑的半角宽度（第一暗环的张角）为： （3

52、-10） （3-11）其中，上式即为夫朗禾费衍射公式。试验及经验表明，绝大多数火灾在初始阶段都存在着肉眼看不见的很微弱且颗粒直径较小烟雾，火灾的初始阶段发展很慢，可长达数小时，且不易被人们发现。而普通的感烟探测器在这个阶段还没有反应，如果火灾探测系统能够在这一阶段及早发现火情并报警，将为控制火势发展赢得宝贵的时机。对于本系统来说，测量的是火灾初始阶段的烟雾，其烟雾颗粒直径较小，可以用瑞利散射来描述。光散射示意图如下图11所示，坐标原点为，、分别为阵列型硅光电池的长和宽的大小，为散射角，为进气口和出气口到硅光电池的垂直距离。 图11 散射光示意图则系统的两片阵列型硅光电池接收到的散射光总和为：

53、（3-12）计算式（3-2）中的积分可得如下关系式： （3-13）显然，在某一测量系统中、可以认为是常数。散射光在阵列型硅光电池上的面积积分只与系统的气室设置有关，当硅光电池的大小、进气口和出气口到硅光电池的距离设定后即为定值。由于进行质量浓度测量时，烟雾颗粒是一起通过光敏感区，因此在入射光强保持不变的情况下，散射光强与有关，即与烟雾颗粒的浓度大小成线性关系。3.4本章小结本章通过光散射理论的发展历史引出mie散射的基本理论概念，阐述了mie散射理论中所提出的物理概念、公式及意义，说明了mie散射各种系数的计算方法，即：mie散射的两个近似小粒子散射可近似为rayleigh散射和大粒子散射近似

54、为夫琅和费衍射，为系统的浓度测试奠定了理论基础。4光散射式烟雾浓度测量系统的结构设计4.1系统的组成及工作原理高功率激光二极管气室出气口进气口放大电路单片机电路数据显示及报警该系统依据光散射原理，采取主动式气体采样，选用高功率激光二极管作为发射光源，采用硅光电池阵列作为散射光接收器件，并通过单片机处理输出结果，报警阈值可调，可实现低浓度烟雾分析及报警。如图12所示。图12系统原理框图以上是系统的原理框图。当空气中已出现了烟雾时，如果通过烟雾的自由扩散运动使烟雾扩散到气室，这样就延长了报警响应时间。甚至因烟雾严重稀释或难以扩散至探测器使它无法实现报警。通过抽气系统可以将烟雾以最快的速度抽到气室，缩短了报警响应时间。高功率的激光二级管和硅光电池阵列在一定程度上增加了烟雾散射光的强度，使烟雾报警器的能探测到更低的烟雾浓度，从而提高了烟雾报警器的灵敏度。放大电路、单片机电路和数据显示及报警可以实现低浓度报警以及烟雾浓度的数据显示。报警阈值可以通过单片机编程设置，可以根据不同的场合进行调解，以适应不同的环境需求。系统实物图如下图13所示。26451039718图13