后向散射式光电烟雾探测器研究

1、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

2、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0.0014m之间

3、，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680nm900nm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

4、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611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

5、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

6、都做成尖角。实际上，由于多次反射的作用，光学陷阱应该是MMNN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

7、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，对放大器和红外光脉冲驱动器供电，放大器和红外脉冲驱动器供电脉冲的占空比非常大，对降低电能消耗和延长器件寿命有益。通信接口电路接收总线信号（控制器发出的寻址信号和命令）并发回本探测器的信息。 3、实验 后向散射式光电烟雾探测器已经经过了国家标准试验火3的测试，不论对于阴燃火SH1和SH2还是黑烟明火S

8、H3和SH4均能正确探测。图4和图5显示了对聚氨脂泡沫塑料试验火和正庚烷液体试验火的响应，可以看到后向散射信号明显高于前向散射信号。 图4 对SH3的响应 图5 对SH4的响应 4、结论 后向散射式光电烟雾探测器是利用烟雾粒子对光的散射作用来进行火灾探测，相对于前向散射，后向散射信号较弱，但对不同烟雾粒子粒径信号的变化不象前向散射那么敏感，再通过探测器所带的单片微处理器中的火灾探测算法对烟雾信号进行处理，从而达到对各种试验火均衡探测的目的，极大地提高了火灾探测器的性能，并完全可以取代离子感烟探测器和前向光电烟雾探测器，减少对环境的污染。由于探测器使用微处理器对传感信号进行数字滤波、算法处理、补偿元器件的环境变化和灵活的通信协议，可以与控制器组成新型火灾自动探测系统。 参考文献 1 祁勇.