兩發(fā)兩收雙波長光電式火災(zāi)探測器

陳 磊，金 愷，黃光明，王 敏

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引 言

感煙式火災(zāi)探測器由于探測效率高、成本低等優(yōu)勢成為了市面上使用最普遍的類型。感煙式探測器又可分為離子式感煙探測器和光電式感煙探測器，離子式感煙探測器內(nèi)含放射元素，會對人體和環(huán)境造成危害，因此光電式探測器成為了市場的主流產(chǎn)品［1～4］。但是傳統(tǒng)的光電式感煙探測器仍存在缺陷：探測器通過判斷接收裝置的光散射強度觸發(fā)報警，干擾顆粒（如水蒸氣等）與火災(zāi)顆粒同樣具備光散射能力，均會觸發(fā)報警［4］。傳統(tǒng)的光電式探測器使用單發(fā)單收形式，僅能接收單波長的散射光信號，這種探測方式采集的信息量單一，干擾顆粒也可能達到觸發(fā)報警的條件，因而不能排除誤報。市面上的雙發(fā)單收光電式煙霧探測器采用波長為850 nm和940 nm 的紅外光源，由于波長相近，并沒有較好地解決干擾顆粒的誤報問題。為解決干擾顆粒誤報問題，文獻［4］研究并設(shè)計了復(fù)合式煙霧探測器，使用多種火災(zāi)特征參量的傳感模塊，結(jié)合智能火災(zāi)判決算法，但使得煙霧探測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了探測器的成本；文獻［3］提出并設(shè)計了雙波長多參數(shù)火災(zāi)探測器，利用不同波長的入射光獲取樣本氣溶膠的體積濃度、表面積濃度和Sauter平均粒徑以判決是否發(fā)生火災(zāi)，但其結(jié)構(gòu)由2 個波長差距較大的發(fā)射管和1 個接收管組成，單一接收管在2 個波長段的接收轉(zhuǎn)換效率差異較大，會影響對顆粒物的判斷。

在傳統(tǒng)雙發(fā)單收雙波長光電式感煙探測器的基礎(chǔ)上增加一路光接收電路，各路均選用最佳接收波長范圍覆蓋發(fā)射光波長的接收管，解決單一接收管轉(zhuǎn)換效率低的問題。選用波長為468 nm的藍光與850 nm的紅外光為兩發(fā)兩收光電式感煙探測器的入射光源，利用藍光接收管和紅外光接收管接收的散色光功率，得到光學(xué)迷宮中氣溶膠顆粒的粒徑，區(qū)分正常煙霧和干擾顆粒，降低火災(zāi)誤報率。

1 兩發(fā)兩收雙波長光電式火災(zāi)探測器原理

火災(zāi)顆粒與干擾顆粒具有不同的光散射能力?；馂?zāi)探測器接收散射光信號中包含了顆粒物的信息，研究火災(zāi)顆粒和干擾顆粒散色光信號的差異，可降低水蒸氣、灰塵等干擾顆粒引起的誤報［5～8］。文獻［4］中列舉出常見顆粒物的粒徑，如表1。由表1可以看出，火災(zāi)顆粒和干擾顆粒的粒徑具有較大差異。大部分火災(zāi)顆粒的粒徑在1 μm 及其以下，而水蒸氣、粉塵等干擾顆粒的粒徑遠大于1 μm。

表1 常見顆粒物的粒徑

根據(jù)米氏（Mie）散射理論［9～11］，散射光強與粒子直徑d，入射光波長λ，顆粒介質(zhì)折射率m和散射角θ，顆粒到接收點距離R都有關(guān)。當顆粒的粒徑遠小于入射光波長時，散射情況處于瑞利散射區(qū)；當顆粒的粒徑接近入射光波長時，散射情況處于米氏散射區(qū)［3，4］。當散射情況處于瑞利散射區(qū)時，近似散射光強度為

式中 I 為總散射光強，I0為自然光強。由式（1）可以看出，散射光強與入射光波長的4次方成反比，與顆粒粒徑的6次方成正比。

選用波長為468 nm的藍光與850 nm 的紅外光為入射光源。由于顆粒物的折射率m 隨波長λ 變化較小，對于2種波長的光源可以近似相等；同時散射角θ不變且相同，因此式（1）中m，θ均可以看作常數(shù)。因為火災(zāi)顆粒粒徑在1 μm以下，因此適用瑞利理論分析近似散射光強度［6］。火災(zāi)顆粒在瑞利（Rayleigh）散射區(qū)中的藍光散射強度和紅外光散色強度的比值如式（2）所示

式中 IB1為瑞利散射區(qū)中藍光散射強度，IR1為瑞利散射區(qū)中紅外光散射強度，R1為瑞利散射區(qū)中藍光散射強度與紅外光散射強度之比。當火災(zāi)顆粒在米氏散射區(qū)時，紅外光的波長較長，小顆粒對紅外光的散射較弱，但是小顆粒對波長較短的藍光有較強的散射，此時藍光和紅外光的散射光強比式（2）對應(yīng)數(shù)值11 更大［4］?？梢钥闯觯翰煌降幕馂?zāi)顆粒或處于瑞利散射區(qū)（d?λB；d?λIR），或處于米氏散射區(qū)（d≈λB；d?λIR），對藍光與紅外光散射強度差距較大。

干擾顆粒的粒徑遠大于入射光波長，處于夫瑯禾費（Fraunhofer）衍射區(qū)，對紅外光和藍光都具有較強散射作用，紅外光和藍光散射光強比值近似為1，可以認為散色光強與波長無關(guān)。

2 結(jié)構(gòu)、電路與程序設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1（a）所示，火災(zāi)煙霧探測器主要由外殼、防蟲網(wǎng)、光學(xué)迷宮及印制電路板構(gòu)成。外殼和防蟲網(wǎng)防止異物進入到光學(xué)迷宮內(nèi)；光學(xué)迷宮下半部分有很多鋸齒形導(dǎo)煙通道，在防止外界光線射入的前提下引導(dǎo)煙霧顆粒進入到迷宮腔內(nèi)；光學(xué)迷宮上半部存在一個1 cm×1.8 cm的矩形缺口，如圖1（b）所示，方便印制電路板板上的發(fā)射管和接收管暴露在光學(xué)迷宮腔內(nèi)；在發(fā)射管和接收管中間存在一個高度為2 mm的擋板，防止接收管在無煙狀態(tài)下飽和。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2 電路設(shè)計

如圖2所示，兩發(fā)兩收雙波長火災(zāi)探測器電路主要包括光發(fā)射部分、光接收部分、微控制器部分組成。微控制器控制兩路LED 交替發(fā)光，接收管接收對應(yīng)波長光的散射光，經(jīng)過I-V變換后將顆粒粒徑信息傳至微控制器處理并判斷是否報警。

圖2 兩發(fā)兩收雙波長火災(zāi)探測器電路框

從性價比、低功耗等方面考慮選擇中國力源公司的CX32L003芯片作為系統(tǒng)的微控制器。該單片機是具有32位ARM Cortex—M0 ＋內(nèi)核的超低功耗、高性價比微控制器，集成12位1 Msps高精度SAR型ADC，深度休眠模式功耗僅為0.7 μA。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微處理器電路

圖4發(fā)射電路中紅外光LED 和藍光LED 應(yīng)選擇低電流高亮度類型。接收電路中為防止LMV358 長時間工作，其供電采用MCU的IO口直接供電。

圖4 雙波長兩發(fā)兩收火災(zāi)探測器光學(xué)電路

2.3 程序設(shè)計

微控制器交替發(fā)射周期約10 s的窄脈沖信號，其中脈沖寬度過大，會增大探測器功耗；脈沖寬過小，I-V變換輸出還未到峰值。實驗表明，藍光驅(qū)動信號的脈沖寬度180 μs，紅外光驅(qū)動信號的脈沖寬度120 μs 最佳（圖5）。為防止LMV358上電瞬間影響I-V變換輸出，在藍光及紅外光驅(qū)動信號的脈沖之間設(shè)置約20 μs間隔。

圖5 驅(qū)動信號示意

3 實驗數(shù)據(jù)與分析

測試探測器對A4紙、棉繩、CRC煙霧探測器測試劑和水蒸氣的響應(yīng)。如圖6所示，當氣溶膠顆粒進入探測器中，接收裝置接收藍光和紅外光的散射光功率（I-V變換輸出）變大。圖6（a）～（c）中氣溶膠顆粒為火災(zāi)顆粒，當紅外光散射光功率增加0.2，藍光散射光功率增加0.6～1；圖7（a）～（c）中藍光與紅外光散射光功率變化之比大于2。圖6（d）中氣溶膠顆粒為水蒸氣干擾顆粒，當紅外光散射光功率增加0.2，藍光散射光功率增加約0.2；圖7（d）中藍光與紅外光散射光功率變化之比接近于1。

圖6 不同顆粒物接收裝置散射光功率曲線

圖7 不同顆粒物藍光與紅外光散射光功率變化比值

上述實驗表明，該探測器對火災(zāi)顆粒和水蒸氣的散射光功率比值差異大（火災(zāi)顆粒時藍光與紅外光散射光功率變化之比大于2；水蒸氣時藍光與紅外光散射光功率變化之比接近于1），說明其可以有效區(qū)分火災(zāi)顆粒和干擾顆粒。功耗測試測得探測器靜態(tài)工作電流約1 μA。在發(fā)光周期10 s內(nèi)藍光、紅外光LED發(fā)光時間分別為180，115 μs，脈沖電流最大分別為36.5，55.5 mA，由此計算得到平均工作電流為2.29 μA。

4 結(jié) 論

提出并設(shè)計了一種兩發(fā)兩收雙波長光電式火災(zāi)煙霧探測器。在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯片器件選型等方面做到了簡單與高性價比，該探測器實驗表明，火災(zāi)顆粒和水蒸氣的散射光功率比值差異大，能判別水蒸氣干擾顆粒。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功耗小、成本低，可以被廣泛地應(yīng)用生活環(huán)境中。