獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器的研制

李在海+張培旭+田秋生

摘 要：獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器（下面簡(jiǎn)稱報(bào)警器）是一款家用型光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器，采用了后向散射迷宮以及紅外發(fā)射接收技術(shù)，能夠探測(cè)火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙霧，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。它主要實(shí)現(xiàn)了新國標(biāo)中對(duì)于四種煙的探測(cè)，并成為首批通過新國標(biāo)的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器之一。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立式；光電感煙；后向散射；迷宮；紅外發(fā)射接收

1 前言

1.1 家用消防器材備置現(xiàn)狀

由于我國《消防法》對(duì)于家庭配備消防器材沒有專門的規(guī)定，雖在相關(guān)技術(shù)規(guī)范中對(duì)此進(jìn)行了倡導(dǎo)，但不具強(qiáng)制性。這導(dǎo)致目前我國家庭配備消防器材現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。

1.2 家用消防器材市場(chǎng)前景

中國民用消防市場(chǎng)，特別是家用消防器材市場(chǎng)，基本屬于未開發(fā)的處女地。隨著人們生活水平的提高，私人財(cái)富的增加，家庭內(nèi)電器、油鍋、液化氣等引起的火災(zāi)隱患時(shí)刻威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于普通家庭來說，配備家用消防器材，防患于未然是非常必要的。

1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在光電感煙探測(cè)器出現(xiàn)以前，主要使用離子感煙探測(cè)器。離子感煙報(bào)警探測(cè)器，對(duì)各種明火煙霧探測(cè)效果較好，對(duì)陰燃火煙霧也能探測(cè)，但由于它容易受環(huán)境影響，誤報(bào)警率較高，特別是由于使用了放射源，報(bào)警器退役后使得后期處理比較困難，容易對(duì)環(huán)境造成污染，一種環(huán)保型火災(zāi)探測(cè)器的出現(xiàn)是必然趨勢(shì)。由于半導(dǎo)體發(fā)光管的出現(xiàn)和脈沖技術(shù)的發(fā)展，使光電感煙探測(cè)器迅速發(fā)展。由于光電感煙探測(cè)器具有抗氣流干擾，工作穩(wěn)定，環(huán)境溫度和濕度變化對(duì)它影響小，對(duì)灰白色、顆粒較大的陰燃煙的相應(yīng)比離子探測(cè)器靈敏等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。

1.4 國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

2006年7月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布了GB20517-2006《獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器》的國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2007年4月1日起正式實(shí)施。2006年8月，公安部消防局向各省、自治區(qū)、直轄市公安消防總隊(duì)發(fā)出《關(guān)于推廣應(yīng)用獨(dú)立式火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器等消防技術(shù)的通知》?！锻ㄖ分忻鞔_規(guī)定，在全國范圍內(nèi)推廣獨(dú)立式感煙探測(cè)報(bào)警器。

2 報(bào)警器的主要特點(diǎn)

2.1 電池：采用9V層疊電池供電。

2.2 工作電流：靜態(tài)電流≤20μA；報(bào)警電流≤10mA。

2.3 報(bào)警響度：≥80dB （距離3米處）。

2.4 確認(rèn)燈：每32s閃亮一次，完成一次報(bào)警器電平檢測(cè)。當(dāng)電源電壓低于5.8V±0.3時(shí)，約每32s發(fā)出報(bào)警聲一次，同時(shí)報(bào)警燈閃亮，表示需要更換電池。

2.5 自檢確認(rèn)：按下報(bào)警器盒蓋上的檢測(cè)按扭，直到蜂鳴器發(fā)出聲響，確認(rèn)燈閃亮，表明報(bào)警器正常工作。

2.6 I/O線：報(bào)警器之間通過此線連接在一起使用，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)報(bào)功能，報(bào)警器數(shù)量≤32。

2.7 使用環(huán)境：環(huán)境溫度：-10℃～55℃；相對(duì)濕度≤93%（40±2℃ 無凝結(jié)）。

2.8 保護(hù)面積：當(dāng)空間高度為6-12m時(shí)，一個(gè)探測(cè)器的保護(hù)面積對(duì)一般場(chǎng)所為80m2；當(dāng)空間高度為6m以下時(shí)，保護(hù)面積為60 m2。

2.9 外型尺寸：Φ143*42（mm）。

2.10 重量：135g（不含電池）。

2.11 安裝孔距：89mm。

2.12 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB 20517-2006。

3 報(bào)警器設(shè)計(jì)方案

報(bào)警器采用的是一款包含復(fù)雜的低功率模擬和數(shù)字電路，帶I/O和瞬時(shí)圖形揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的光電煙霧探測(cè)芯片。選擇這個(gè)芯片的主要原因是它的功耗很低，這是為了滿足國標(biāo)中用電池作為電源時(shí)，保證報(bào)警器能夠連續(xù)工作一年的要求。此芯片用一個(gè)紅外光電盒感測(cè)來自微小煙霧粒子的散射光實(shí)現(xiàn)探測(cè)，當(dāng)探測(cè)到煙霧并達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，啟動(dòng)外部電路發(fā)出聲光報(bào)警。具體方案如圖1：

4 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

4.1 四種煙簡(jiǎn)介

新國標(biāo)中明確規(guī)定，獨(dú)立式感煙探測(cè)報(bào)警器必須通過四種煙的實(shí)驗(yàn)，四種煙包括白煙（木材陰燃火SH1、棉繩陰燃火SH2）和黑煙（聚氨脂泡沫塑料火SH3、正庚烷火SH4）。

4.2 迷宮的選擇

散射光式煙傳感器，它是通過一定的角度安裝紅外發(fā)射管和接收管來工作的。沒有煙進(jìn)入時(shí)，接收管收不到從發(fā)射管發(fā)出的光。當(dāng)有煙進(jìn)入時(shí)，光在煙粒子表面產(chǎn)生漫反射，散射光被接收管接收到后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即可將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該電信號(hào)隨著煙濃度而上升，直至產(chǎn)生報(bào)警。依照這個(gè)原理發(fā)展出兩種方式，即：前向散射和后向散射光電工作方式。

其中發(fā)射管和接受管間夾角為鈍角的被稱為前向散射工作方式，目前市場(chǎng)上感煙探測(cè)器主要是這種。普通的前向散射光電探測(cè)器作為離子探測(cè)器的替代方案出現(xiàn)，它具有良好的抗潮和環(huán)保性能，但它對(duì)黑白煙的相應(yīng)靈敏度明顯不同，不能滿足國標(biāo)中四種火的實(shí)驗(yàn)要求。

近年來出現(xiàn)的后向散射型光電感煙探測(cè)器能徹底解決這個(gè)問題，這是一種代表當(dāng)代國際最高水平的感煙探測(cè)技術(shù)，目前國內(nèi)、國外掌握此技術(shù)的廠商仍是寥寥無幾。

迷宮散射角度如圖2所示：

前向散射型迷宮結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)陰燃火有較高的靈敏度，而對(duì)黑煙火靈敏度就較低，即使設(shè)計(jì)合理的前向散射光電探測(cè)報(bào)警器，為了通過SH3和SH4兩種黑煙試驗(yàn)火，也不得不把探測(cè)器的響應(yīng)閾值M調(diào)的很小。過小的M值，給產(chǎn)品的響應(yīng)閾值的一致性會(huì)帶來很大的影響，也給產(chǎn)品的標(biāo)定、生產(chǎn)工藝帶來了困難。

后向散射型光電探測(cè)器，對(duì)黑煙試驗(yàn)火的探測(cè)靈敏度較高，比較容易解決兩種黑煙試驗(yàn)火的響應(yīng)問題。圖3為探測(cè)器對(duì)SH3黑煙實(shí)驗(yàn)火的響應(yīng)曲線，圖4為探測(cè)器對(duì)SH4黑煙實(shí)驗(yàn)火的響應(yīng)曲線。

通過圖3、圖4兩幅曲線圖可以看出，后向散射型迷宮對(duì)于兩種黑煙實(shí)驗(yàn)火比離子型探測(cè)報(bào)警器、前向散射探測(cè)報(bào)警器響應(yīng)信號(hào)要好很多，所以選擇后向散射迷宮作為報(bào)警器的迷宮，在這之前，國內(nèi)尚沒有廠家利用后向散射原理設(shè)計(jì)迷宮。

我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片，可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后，經(jīng)過中心區(qū)域，再從另外一側(cè)流出，有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮，同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室，消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6，接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線，通過接收透鏡的聚焦作用，平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°，故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí)，煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射，散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

4.3 外殼的設(shè)計(jì)

報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì)，使用聚氯乙烯為原料注塑而成，直徑143毫米，這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件，整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米，當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí)，顯得很不突出，而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度，因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散，所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施（網(wǎng)格面積不大于1mm2），以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮，引起誤報(bào)警。

4.5 蜂鳴器的選擇

采用了三線壓電式蜂鳴器，固定在底座上，保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

4.6 信噪比的提高

由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好，使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然，這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大，也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小，也就是信噪比低。為了提高信噪比，經(jīng)多方調(diào)研、咨詢，選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品，并與乙醚稀釋，將迷宮在稀釋液中浸泡，取出晾干，迷宮內(nèi)壁十分光亮，表面粗糙不見了，安裝后試驗(yàn)，信噪比提高一倍。

4.7 發(fā)射管、接收管的確定

對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理，一般的煙霧粒徑分布在0.001～4μm之間，但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的， 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波長范圍內(nèi)，只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

紅外發(fā)射、接收的二極管有很多，其工作光波長在800 ～1100nm，常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境，且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW，發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比，并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn)，確定其中一組。

通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出，電阻值變化越大，對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng)，接受管接收的信號(hào)也就越大，對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用，所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

5 主要實(shí)驗(yàn)

5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

發(fā)射電阻的選擇，主要是控制發(fā)射電流的大小，以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出，在3.3Ω的時(shí)候呢，報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài)，即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警；在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài)，發(fā)射電阻在10Ω之上，報(bào)警器靈敏度降低，對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng)；為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài)，我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示：

表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

5.2 方位實(shí)驗(yàn)

以報(bào)警器的中心為原點(diǎn)，等分為8份，在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位，因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示：

表3 方位實(shí)驗(yàn)

5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示：

5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示：

5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后，在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示：

5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn)，最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示：

6 結(jié)束語

報(bào)警器的開發(fā)過程，經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作；并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

在該報(bào)警器基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器，使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng)，豐富了產(chǎn)品類型。

我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片，可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后，經(jīng)過中心區(qū)域，再從另外一側(cè)流出，有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮，同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室，消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6，接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線，通過接收透鏡的聚焦作用，平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°，故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí)，煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射，散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

4.3 外殼的設(shè)計(jì)

報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì)，使用聚氯乙烯為原料注塑而成，直徑143毫米，這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件，整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米，當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí)，顯得很不突出，而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度，因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散，所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施（網(wǎng)格面積不大于1mm2），以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮，引起誤報(bào)警。

4.5 蜂鳴器的選擇

采用了三線壓電式蜂鳴器，固定在底座上，保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

4.6 信噪比的提高

由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好，使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然，這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大，也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小，也就是信噪比低。為了提高信噪比，經(jīng)多方調(diào)研、咨詢，選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品，并與乙醚稀釋，將迷宮在稀釋液中浸泡，取出晾干，迷宮內(nèi)壁十分光亮，表面粗糙不見了，安裝后試驗(yàn)，信噪比提高一倍。

4.7 發(fā)射管、接收管的確定

對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理，一般的煙霧粒徑分布在0.001～4μm之間，但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的， 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波長范圍內(nèi)，只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

紅外發(fā)射、接收的二極管有很多，其工作光波長在800 ～1100nm，常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境，且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW，發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比，并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn)，確定其中一組。

通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出，電阻值變化越大，對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng)，接受管接收的信號(hào)也就越大，對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用，所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

5 主要實(shí)驗(yàn)

5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

發(fā)射電阻的選擇，主要是控制發(fā)射電流的大小，以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出，在3.3Ω的時(shí)候呢，報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài)，即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警；在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài)，發(fā)射電阻在10Ω之上，報(bào)警器靈敏度降低，對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng)；為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài)，我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示：

表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

5.2 方位實(shí)驗(yàn)

以報(bào)警器的中心為原點(diǎn)，等分為8份，在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位，因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示：

表3 方位實(shí)驗(yàn)

5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示：

5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示：

5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后，在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示：

5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn)，最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示：

6 結(jié)束語

報(bào)警器的開發(fā)過程，經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作；并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

在該報(bào)警器基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器，使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng)，豐富了產(chǎn)品類型。

我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片，可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后，經(jīng)過中心區(qū)域，再從另外一側(cè)流出，有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮，同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室，消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6，接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線，通過接收透鏡的聚焦作用，平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°，故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí)，煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射，散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

4.3 外殼的設(shè)計(jì)

報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì)，使用聚氯乙烯為原料注塑而成，直徑143毫米，這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件，整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米，當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí)，顯得很不突出，而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度，因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散，所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施（網(wǎng)格面積不大于1mm2），以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮，引起誤報(bào)警。

4.5 蜂鳴器的選擇

采用了三線壓電式蜂鳴器，固定在底座上，保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

4.6 信噪比的提高

由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好，使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然，這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大，也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小，也就是信噪比低。為了提高信噪比，經(jīng)多方調(diào)研、咨詢，選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品，并與乙醚稀釋，將迷宮在稀釋液中浸泡，取出晾干，迷宮內(nèi)壁十分光亮，表面粗糙不見了，安裝后試驗(yàn)，信噪比提高一倍。

4.7 發(fā)射管、接收管的確定

對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理，一般的煙霧粒徑分布在0.001～4μm之間，但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的， 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波長范圍內(nèi)，只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

紅外發(fā)射、接收的二極管有很多，其工作光波長在800 ～1100nm，常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境，且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW，發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比，并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn)，確定其中一組。

通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出，電阻值變化越大，對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng)，接受管接收的信號(hào)也就越大，對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用，所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

5 主要實(shí)驗(yàn)

5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

發(fā)射電阻的選擇，主要是控制發(fā)射電流的大小，以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出，在3.3Ω的時(shí)候呢，報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài)，即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警；在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài)，發(fā)射電阻在10Ω之上，報(bào)警器靈敏度降低，對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng)；為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài)，我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示：

表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

5.2 方位實(shí)驗(yàn)

以報(bào)警器的中心為原點(diǎn)，等分為8份，在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位，因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示：

表3 方位實(shí)驗(yàn)

5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示：

5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示：

5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后，在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示：

5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn)，最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示：

6 結(jié)束語

報(bào)警器的開發(fā)過程，經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作；并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

在該報(bào)警器基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器，使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng)，豐富了產(chǎn)品類型。