復(fù)合拋物面聚光器在光電感煙探測(cè)器應(yīng)用研究

鄭 榮，陸 松，楊慎林，張和平

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥, 230026)

復(fù)合拋物面聚光器在光電感煙探測(cè)器應(yīng)用研究

鄭 榮，陸 松*，楊慎林，張和平

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 合肥, 230026)

基于復(fù)合拋物面聚光器的設(shè)計(jì)原理，提出可應(yīng)用于點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器的聚光器設(shè)計(jì)方法以及裝配方式。與現(xiàn)有聚光器相比，研究設(shè)計(jì)的聚光器能夠限制收集散射光線的散射角范圍。根據(jù)點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器光學(xué)暗室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定聚光器初始模型基本參數(shù)，并提出側(cè)面光線入口設(shè)計(jì)方式以及安裝方式，增大聚光器的聚光性能。利用光學(xué)仿真軟件TracePro對(duì)剖切后的聚光器進(jìn)行光學(xué)模擬，研究不同剖切角的聚光器對(duì)光線的收集情況，模擬結(jié)果表明，選擇恰當(dāng)?shù)钠是蟹绞剑梢栽龃缶酃馄鲗?duì)入射光線的角度接收范圍或空間接收范圍，有利于增強(qiáng)探測(cè)器的探測(cè)性能。

復(fù)合拋物面聚光器；感煙探測(cè)器；光學(xué)模擬；光學(xué)暗室

0 引言

目前常用的點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器是根據(jù)光的散射特性研制的，發(fā)射光源光束與接收器軸線形成一定夾角，當(dāng)有煙霧粒子存在時(shí)，會(huì)對(duì)光束進(jìn)行散射，進(jìn)而接收器接收到一定強(qiáng)度的散射光，散射光強(qiáng)的大小反應(yīng)了煙霧濃度的情況，由于煙霧粒子的尺寸與光源波長(zhǎng)相近，屬于米氏散射。在不同的應(yīng)用場(chǎng)所，對(duì)探測(cè)器有不同的探測(cè)性能要求。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)規(guī)定必須在1分鐘內(nèi)對(duì)飛機(jī)貨艙火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)報(bào)警，因此要求使用的火災(zāi)探測(cè)器具有非常高的靈敏度[1,2]。但是，高靈敏度的探測(cè)器對(duì)干擾粒子也會(huì)十分敏感，導(dǎo)致產(chǎn)生不必要的誤報(bào)。2002年中國(guó)民航總局安全辦公室發(fā)布的消息[3]表明：1995年～2001年之間中國(guó)民航飛行過(guò)程中發(fā)生貨艙火警信號(hào)一共43次，全部都是假火警信號(hào)。

火災(zāi)初期會(huì)有少量的煙霧粒子產(chǎn)生，此時(shí)煙霧濃度較低，黑煙及小粒徑顆粒引起的散射光強(qiáng)相對(duì)較弱[4]，導(dǎo)致探測(cè)器接收不到足夠強(qiáng)度的信號(hào)而不能及時(shí)響應(yīng)。因此為了使探測(cè)器盡早響應(yīng)，一種可行的思路是通過(guò)加強(qiáng)探測(cè)器光學(xué)暗室內(nèi)部受光器對(duì)粒子散射光的收集能力，從而增強(qiáng)探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)，使探測(cè)器盡早報(bào)警。

目前已有的改善措施是在傳感元件的前方一定位置安裝聚光透鏡，將較大范圍內(nèi)的散射光集中匯聚到光敏區(qū)域，比如德國(guó)西門子公司FDOOTC441型火災(zāi)探測(cè)器產(chǎn)品。另一種有效改善措施是采用表面反射式聚光器匯聚散射光，比如諾蒂菲爾FSL-751型智能高靈敏度激光感煙探測(cè)器，與聚光透鏡相比，這種反射式聚光器可以實(shí)現(xiàn)匯聚更大范圍的散射光。目前先進(jìn)的感煙探測(cè)器大多采用了兩個(gè)發(fā)光元件，可以同時(shí)采集前后向散射信號(hào)，并根據(jù)前后向散射信號(hào)識(shí)別火災(zāi)與非火災(zāi)粒子。對(duì)于這兩種改進(jìn)措施，存在共同的問(wèn)題：采用聚光透鏡或者反射式聚光器僅僅增強(qiáng)了接收散射光的強(qiáng)度，并不能篩選一定范圍的散射光散射角進(jìn)行選擇性收集，導(dǎo)致探測(cè)信號(hào)不能體現(xiàn)出不同粒子的前后向散射特性[5]，特別是后向散射光較弱，容易被前向散射光覆蓋。

理想情況下，對(duì)于采用了兩種光源的光電感煙探測(cè)器，受光器在一次采集信號(hào)的過(guò)程中，只能接收前向散射光或者后向散射光，這樣可以最大化突出不同粒子的前后向散射差異性，從而進(jìn)行區(qū)分。因此本文目的是設(shè)計(jì)這樣一種聚光器，滿足：1)可以選擇性收集一定角度范圍內(nèi)的散射光線；2)收集散射光線的范圍足夠大，保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度。這樣，可以充分獲取粒子發(fā)生光散射時(shí)前向和后向散射光強(qiáng)的差異，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)與非火災(zāi)粒子進(jìn)行有效識(shí)別[6,7]。

在太陽(yáng)能利用及照明領(lǐng)域，復(fù)合拋物面聚光器(CPC)以光利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特性受到廣泛關(guān)注與研究。CPC是一種非成像聚光器，根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)[8,9]，具有優(yōu)異的聚光特性，并且可以根據(jù)入射角大小選擇收集入射光線。為使CPC能夠應(yīng)用到探測(cè)器并滿足上述的兩個(gè)要求，基于CPC的設(shè)計(jì)原理，結(jié)合感煙探測(cè)器的實(shí)際使用情況，聚光器的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示：

圖1 聚光器設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process of condenser

1 CPC初始模型

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

CPC結(jié)構(gòu)確定需要五個(gè)基本參數(shù)：焦距、入射口半徑、出射口半徑、長(zhǎng)度和最大聚光角[10]。在光學(xué)模擬軟件TracePro中以CPC的焦平面為基準(zhǔn)將長(zhǎng)度參數(shù)分為前段長(zhǎng)度和后段長(zhǎng)度。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)CPC，即達(dá)到最大理論聚光比[11]，確定了兩個(gè)參數(shù)就可以推導(dǎo)出其他參數(shù)；對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)CPC，則參數(shù)選擇范圍較大，設(shè)計(jì)參數(shù)往往需要根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)確定。

根據(jù)常見(jiàn)探測(cè)器光學(xué)暗室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸，利用TracePro建立如圖2(a)所示CPC初始模型，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：前段長(zhǎng)度26.5 mm，后段長(zhǎng)度0 mm，側(cè)向焦點(diǎn)位移2.75 mm，焦距4.33 mm，軸傾斜度35°，厚度1 mm。作為比較，圖2(b)為FSL-751型探測(cè)器使用的反射式聚光器模型結(jié)構(gòu)示意圖，二者尺寸大小相近，但是形狀結(jié)構(gòu)不同：CPC的內(nèi)表面為拋物面，而反射式聚光器的內(nèi)表面為圓柱或圓錐面。表面形狀決定了聚光器對(duì)入射光的聚光特性，采用平行光線照射這兩種聚光器，結(jié)果如圖3所示。CPC初始模型對(duì)光線具有較好的匯聚性能，大部分入射光線只需要反射一次就能到達(dá)出射口。FSL-751型探測(cè)器使用的聚光器只是簡(jiǎn)單地將入射光線進(jìn)行反射，并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的匯聚性能。

圖2 (a)CPC初始模型(b)FSL-751型探測(cè)器反射式聚光器模型Fig.2 (a) CPC initial model (b) Reflected condenser model of FSL-751 detector

圖3 聚光特性對(duì)比Fig.3 Comparisons of concentrating characteristics

1.2 側(cè)面光線入口

建立的CPC初始模型并不能直接用于探測(cè)器中，從圖2(a)和(b)的對(duì)比可以看出，CPC初始模型的入射口較小，不利于接收大范圍的入射光線，因此采用以一定角度剖切的方式增大CPC初始模型的入射口。如圖4所示，剖切過(guò)程分以下兩個(gè)步驟：1)首先確定剖切的角度，即剖切面與CPC中心軸線的夾角；2)然后確定剖切高度，即在剖切面垂直方向上剖切部分的高度。為了便于后文表述，在剖切角度確定的情況下，定義零基準(zhǔn)面和相對(duì)剖切高度：過(guò)入射口邊緣對(duì)CPC進(jìn)行剖切，此時(shí)剖切面即為零基準(zhǔn)面；相對(duì)剖切高度為剖切面到零基準(zhǔn)面的距離，并且，當(dāng)剖切高度大于零基準(zhǔn)面對(duì)應(yīng)的剖切高度時(shí)，相對(duì)剖切高度為正，反之為負(fù)。

根據(jù)上述CPC剖切方式定義，使剖切面過(guò)入射口邊緣對(duì)聚光器進(jìn)行剖切，可以知道，這種剖切方式不會(huì)影響聚光器的長(zhǎng)度，如圖5所示的三個(gè)聚光器，相應(yīng)的剖切角度分別為15°、35°和50°?？梢钥闯?，隨剖切角度增大，聚光器的側(cè)面光線入口逐漸變小，相應(yīng)地收集入射光線的空間范圍也減小了。但是，考慮聚光器對(duì)入射光線的角度接收范圍，小角度剖切方式得到的聚光器收集光線的角度范圍會(huì)減小。忽略光線直射或多次反射的情況，規(guī)定沿聚光器中心軸線方向入射時(shí)的光線入射角為0°，則對(duì)于剖切角度15°的聚光器，收集光線的入射角度范圍是-15°～35°；對(duì)于剖切角度35°的聚光器，收集光線的入射角度范圍是-35°～35°。

圖4 剖切方式相關(guān)參考量Fig.4 Relevant reference quantities of slicing

圖5 不同剖切角度的聚光器Fig.5 Condensers with different slicing angles

2 聚光器安裝方式

下面考慮將經(jīng)過(guò)剖切的CPC安裝到探測(cè)器中。如圖6所示，是一種帶有一個(gè)發(fā)光元件和兩個(gè)受光元件的探測(cè)暗室結(jié)構(gòu)，聚光器1和2可以通過(guò)平移裝配到暗室結(jié)構(gòu)中，分別用于收集煙霧粒子的前向散射光和后向散射光。如圖7所示，為聚光器與發(fā)光光束的光學(xué)軸線的相對(duì)位置原理圖，其中，θ1為聚光器中心軸線與發(fā)光光束中心軸線的夾角；θ2為聚光器剖面與發(fā)光光束中心軸線的夾角；θ3為聚光器剖面與聚光器中心軸線的夾角；a和b為聚光器到發(fā)光光束中心軸線的最近距離。

聚光器安裝方式如下所述：

發(fā)光光束的中心軸線與聚光器的中心軸線在同一平面上。對(duì)于收集前向散射光的聚光器，剖切平面與照射光束的中心軸線平行，即該聚光器的剖切角度即為θ1，且滿足θ1<90°。聚光器剖切面與發(fā)光光束中心軸線的距離為amm，在確保不會(huì)阻擋照射光束的前提下，a的大小應(yīng)盡量??；對(duì)于收集后向散射光的聚光器，剖切平面與發(fā)光光束中心軸線的夾角大于或等于90°，即θ2≥90°。聚光器與發(fā)光光束中心軸線的最近距離為bmm，在確保不會(huì)阻擋照射光束的前提下，b的大小應(yīng)盡量小。

按照上述對(duì)聚光器安裝方式的定義，可以得到能夠分別探測(cè)前向和后向散射光信號(hào)的探測(cè)暗室結(jié)構(gòu)。但是，仍然無(wú)法確定聚光器的聚光效果，聚光效果的影響因素較為復(fù)雜，比如聚光器表面材質(zhì)屬性，聚光器尺寸參數(shù)，以及聚光器在探測(cè)暗室的安裝位置等等。

圖6 帶有兩個(gè)聚光器的探測(cè)器暗室模型Fig.6 Detector chamber model with two condensers

圖7 兩個(gè)聚光器相對(duì)位置Fig.7 Relative position of two condensers

3 聚光性能模擬

選取上述CPC初始模型，采用光學(xué)模擬方法研究剖切面過(guò)入射口邊緣的不同剖切角對(duì)聚光器的聚光性能影響。如圖8所示，采用格點(diǎn)光源以一定的入射角照射經(jīng)過(guò)剖切的聚光器，在出射口處設(shè)置一個(gè)光線吸收面，因此，吸收面上吸收的光線數(shù)量反映了該聚光器的聚光性能。

圖8 格點(diǎn)光源照射聚光器Fig.8 Grid source irradiating the condenser

光學(xué)模擬時(shí)，格點(diǎn)光源屬性設(shè)置如下：在半徑20 mm的圓面內(nèi)，格點(diǎn)圖形為矩形，X、Y方向點(diǎn)數(shù)均為100個(gè)，可以得到發(fā)射光線總數(shù)量為7860條。聚光器內(nèi)部反射面設(shè)置為完全鏡面反射，出射口的光線吸收面對(duì)光線完全吸收。選取剖切角度為15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°和42°的聚光器作為研究對(duì)象，同時(shí)建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CPC模型作為性能對(duì)比，標(biāo)準(zhǔn)CPC的焦距和出射口半徑參數(shù)與CPC初始模型相同。

將格點(diǎn)光源以不同的入射角照射不同剖切角的聚光器，規(guī)定，光學(xué)模擬結(jié)果如圖9所示，分析結(jié)果如下：

1)標(biāo)準(zhǔn)CPC模型曲線呈“帽形”分布，在入射角小于最大聚光角的范圍內(nèi)，即-35°～35°，吸收光線數(shù)量穩(wěn)定在400左右。

2)對(duì)于剖切角度較小的聚光器，角度接收范圍相應(yīng)減小，理想情況下，剖切角度為15°的聚光器無(wú)法接收到入射角在-35°～-15°范圍內(nèi)的入射光線。另一方面，剖切角度較小的聚光器的入射口要較大，從圖9中可以看出，入射角為32°時(shí)，聚光器收集的光線數(shù)量達(dá)到峰值，特別地，剖切角度為15°的聚光器，吸收光線數(shù)量達(dá)到最大值852。

3)對(duì)于大角度剖切的聚光器，入射口相對(duì)較小，即對(duì)入射光線的空間接收范圍減小了，但是，其收集光線的角度接收范圍明顯增大了，比如剖切角度為42°的聚光器理論上能夠收集入射角為-35°～35°的入射光線。

值得注意的是，模擬結(jié)果表明經(jīng)過(guò)剖切后的聚光器的入射角度接收范圍變化較大，聚光器甚至能夠收集到入射角大于最大聚光角的入射光線。如圖10所示，主要原因有以下兩點(diǎn)：1)小角度剖切后的聚光器具有較大的側(cè)面光線入口，因此部分光線可以直接入射到光線吸收面上；2)CPC初始模型屬于非標(biāo)準(zhǔn)CPC，部分光線能夠經(jīng)過(guò)多次反射到達(dá)光線吸收面上。

圖9 光學(xué)模擬結(jié)果Fig.9 Results of optical simulation

根據(jù)模擬結(jié)果，結(jié)合煙霧粒子的散射光強(qiáng)分布特性，可以為探測(cè)器選擇合適的聚光器剖切角度。一般情況下，煙霧粒子的光散射角度越小，散射強(qiáng)度越大。由于收集前向散射光的聚光器的側(cè)面光線入口距離光束較近，因此聚光器需要有較大的角度接收范圍，特別是對(duì)小角度散射光的收集，可以選擇將最大聚光角作為剖切角度，同時(shí)保證了較大的側(cè)面光線入口。對(duì)于收集后向散射光的聚光器，由于后向散射光較弱，而且側(cè)面光線入口距離光束較遠(yuǎn)，因此要求聚光器有較大的空間接收范圍，適合選取小角度的剖切方式。在實(shí)際情況下，可以針對(duì)特殊的煙霧顆粒散射光強(qiáng)分布特性，選取恰當(dāng)?shù)钠是薪牵咕酃馄骺梢允占欢ㄉ⑸浣欠秶鷥?nèi)的散射光線，實(shí)現(xiàn)對(duì)該煙霧顆粒的更準(zhǔn)確識(shí)別。

4 結(jié)論

本文根據(jù)復(fù)合拋物面聚光器的聚光特性，提出

了可應(yīng)用于點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器的復(fù)合拋物面聚光器剖切設(shè)計(jì)方式以及在探測(cè)暗室內(nèi)的安裝方式。通過(guò)光學(xué)模擬軟件對(duì)不同剖切角的聚光器進(jìn)行格點(diǎn)光源模擬，結(jié)果表明小角度剖切角的聚光器對(duì)入射光線的角度接收范圍較小，但是空間接收范圍較大；大角度剖切角的聚光器對(duì)入射光線的空間接收范圍較小，但是角度接收范圍較大。結(jié)合不同煙霧粒子的散射光強(qiáng)分布特性，對(duì)于感煙探測(cè)器，將最大聚光角作為收集前向散射光聚光器的剖切角度，選取較小角度作為收集后向散射光聚光器的剖切角度。

圖10 光線以50°入射角照射剖切角15°的聚光器Fig.10 Light rays with 50° angle of incidence irradiating the condenser with 15° slicing angle

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Application study of compound parabolic concentrator on photoelectric smoke detector

ZHENG Rong, LU Song, YANG Shenlin， ZHANG Heping

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

In this paper, we present a design method of compound parabolic concentrator used in photoelectric smoke detector. Compared with existing concentrators, concentrators designed in this paper have a limit on the range of collecting scattering angle. According to the structure characteristics of optical chamber of spot-type photoelectric smoke detector, we establish an initial model of concentrator and propose the design methods of side light entrance and installation methods to increase the range of collecting light rays of concentrator. A kind of optical simulation software is used to simulate the sliced concentrators with different sliced angles to study the effect of the range of angle and space of collecting light rays. The results show that appropriate sliced methods are conducive to increase the range of angle and space of collecting light rays for concentrators and enhance the performance of detectors.

Compound parabolic concentrator; Smoke detector; Optical simulation; Optical chamber

2016-01-04；修改日期：2016-07-11

鄭榮(1992-)，男，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生，主要從事飛機(jī)防火和火災(zāi)煙霧探測(cè)技術(shù)的研究。

陸松，E-mail: Lusong@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00218-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.09

X936;X932

A