双光束烟雾传感器研究

董新平，赵振起，皮桂英，黄 辉，张 鹏， 王 辉

（中国电子科技集团公司第49研究所物理传感器技术研究中心，哈尔滨 150001）

双光束烟雾传感器研究

董新平，赵振起，皮桂英，黄 辉，张 鹏， 王 辉

（中国电子科技集团公司第49研究所物理传感器技术研究中心，哈尔滨 150001）

针对传统光电感烟火灾传感器因受灰尘、水雾影响较大，易误报，且导致灵敏度降低的问题，研制了一种利用空气中不同悬浮颗粒对蓝光、红外光散射强度不同的特点，通过处理颗粒对蓝光、红外光的散射光信号，以去除灰尘、水雾对传感器报警精度的影响，从而提高灵敏度的新型双光束感烟火灾传感器。经过试验验证，研制的感烟传感器可以有效的对火灾早期烟雾进行报警，测得报警响应阈值为0.36 dB/m，且相对于传统的单光束产品，对空气中其它悬浮颗粒的抗干扰能力有显著提高。

光电感烟；双光束；抗干扰

0 引 言

火灾是当今世界上发生频率较高的一种灾害，尤其在现代社会由于建筑密集，因为明火使用、电子线路老化等原因，一旦产生火灾对生命财产将造成巨大损失。如何及时准确的对火灾进行报警，是火灾探测研究中一项传统且重要的课题。

光电烟雾探测技术由于无放射性污染、成本低等优点，逐渐成为烟雾探测领域的主要应用技术［1］。但在实际工程应用中，光电式感烟传感器受湿度和灰尘影响很大。据有关统计，60%的误报是因灰尘及水汽影响。导致传统的光电感烟传感器灵敏度及报警的准确性无法满足一些高要求的应用场合，如货运、铁路和航空等。因此开发高灵敏度高可靠性的烟雾传感器对提高社会的火灾预防水平有重要作用。从散射机理对散射光型的光电式感烟传感器进行原理分析，在此基础上结合双光束感烟技术进行光电式感烟传感器的设计、分析、验证，提出了一种具有高响应性能和强抗干扰能力新型光电式感烟传感器。

1 双光束烟雾探测的原理

光电式感烟技术是利用烟雾颗粒对光的散射实现烟雾探测［2］，烟雾颗粒对光的散射，如图1所示。

图1 烟雾颗粒对光的散射示意图

设非偏振单色平面波的辐射能流率为φ0，按米氏（Mie）理论［3］，在与入射波传播方向成θ空间散射角方向上，球形气烟粒子散射的辐射能流率为

式中，λ为入射电磁波波长；R为散射粒子到光电接收器的接收点（x，y，z）间的距离；i1（θ），i2（θ）为米氏理论辐射强度函数，与球形粒子的散射角θ、粒子尺度dp（dp=2r）、复折射率n和波长λ有关。

当存在大量烟粒子散射时，考虑粒子尺度谱概率密度函数p（r）和粒子数浓度Z，散射的辐射能流率可写成

式中，V是对有贡献的所有烟粒子所处的散射体积。

射到光电接收器上的辐射能通量Φ可由在其光敏元件表面上积分计算得出，并由于光敏元件表面积AE＜R2（R为散射体积与光敏元件间的距离），可近似得出

光电接收器的输出电压信号与接收散射的辐射能量Φ成正比。当其结构设计定型后，数值φ0、λ、R、V、AE和光敏元件，以及电子放大器的传递系数均可认定是常数，并把这些常数综合成为传感器的结构常数K。因此，可把传感器光电接收器的输出信号（传感器的响应值）定义为Ys，

可见影响散射光型传感器输出信号的主要因素，除传感器的结构常数K和烟粒子浓度Z外，还受到粒子尺度谱概率密度函数p（r）、复折射率n、散射角θ、光波长λ，以及粒子形状的影响。

双光束烟雾传感器依据不同颗粒（烟雾颗粒、灰尘颗粒、水汽液体颗粒）对不同波长的光的散射不同，采用蓝光及红外光这两种波长差异较大的激光源，以非常高的频率交替发射，空气中的颗粒（包括烟雾颗粒、灰尘颗粒、水汽液体颗粒）通过发射光束时产生散射光，散射光经过透镜被光接收器接收。双光束探测烟雾原理光路如图2所示。

图2 双光束探测烟雾光路原理示意图

烟雾颗粒尺寸较小，一般小于1μm，而灰尘和水汽的颗粒尺寸较大，一般大于1μm。近年来对火灾烟雾颗粒大小的了解，空气悬浮微粒尺寸分布情况，如图3所示，双峰曲线。灰尘颗粒大小在1μm～100μm，烟雾颗粒大小在0.01μm～1μm，因此，可以用颗粒大小来分辨灰尘与烟雾等。

图3 空气悬浮微粒尺寸分布情况

蓝光的波长较短，大小颗粒均对蓝光有较强的散射；红外光的波长较长，小颗粒对红外光的散射较弱，大颗粒对红外光有较强的散射。将蓝光与红外光的散射信号相比较（相减）可以剔除空气中颗粒较大的灰尘及水蒸气产生的信号，只保留颗粒较小的烟雾产生的信号，实现烟雾测量。

散射光强度与颗粒尺寸的关系，如图4所示。

图4 散射光强度与颗粒尺寸的关系

2 双光束烟雾传感器的设计

传感器主要由外壳、光学暗室及调理电路组成。光学暗室中安装有发光管及光敏元件。结构如图5所示。

图5 传感器结构

2.1 光学暗室结构设计

传感器的检测原理为通过对光敏元件接收到的暗室内气体的散射光的处理，来判断是否输出报警电压，因此暗室的设计原则为尽量减少除散射光之外的其他光线照射到光敏元件上，包括暗室内光源的直射光、多次反射光及暗室外的自然光。光学暗室采用迷宫结构形式，由底座和迷宫体组成，如图6所示。

图6 光学暗室结构图

令光源与光敏元件呈前向散射摆放，即令散射角大于90°。除可以避免光源直射到光敏元件上外，还可以令光敏元件接收到较强的散射光［4］。迷宫体顶面为圆锥形设计，可避免光源光线照射到顶面后，光线反射到光敏元件上，同时迷宫体周围设计可以防止光线多次反射及在不影响外界气体流通进入的情况下，隔绝自然光［5］。

2.2 调理电路设计

电路部分主要包括光源驱动电路及信号检测电路。光源驱动电路主要是通过发出两路方波信号对红外光源、蓝光光源，红外光、蓝光信号进行激励，使它们交替发光。光敏元件接收的红外光、蓝光信号进入信号检测电路，经过放大处理后，分别和红、蓝光的激励信号经减法电路做减法，实现红外光、蓝光信号分离，经积分及滤波电路后，接收到的脉冲信号变为直流信号，两路信号做减法后与基准电压做比较，最后经过跟随电路后输出。电路原理框图如图7所示。

图7 电路原理框图

2.2.1 光源驱动电路设计

为降低传感器功耗，后续电路实现红外光信号与蓝光信号的分离，红外光源、蓝光源采用脉冲交替供电，供电电流约为50～60 mA。光源驱动电路如图8所示。

图8 光源驱动电路

2.2.2 信号检测电路设计

信号检测电路包括放大、信号分离、积分、滤波及比较电路。

光敏元件输出的电信号很弱，所以需在运算和处理前进行放大，放大后的接收信号中包含红外光、蓝光信号，是两路信号的叠加，由于红外光、蓝光激励信号在时域上没有重叠，因此接收信号可以在时域上区分出红外光与蓝光信号。使接收信号分别与红外、蓝光的激励信号经减法电路做减法，由于光程很小且光敏元件反应速度很快，可以认为接收信号的红外、蓝光分量分别与红外、蓝光的激励信号同相，而运放为单电源供电，所以做完减法后两路电路分别包含红外光或蓝光信号，实现红外光与蓝光信号的分离。分离过程如图9所示。

此时两路信号相位不同，无法直接做减法，将两路光信号进行积分及低通滤波后输出为直流信号，

图9 接收信号分离过程

将两路直流信号做减法，得到的结果为蓝光信号值减红外光信号值比较电压UB-R=UB-UR，再将比较电压UB-R与阈值电压做比较，若UB-R小于阈值电压，传感器输出电压为较小的正常工作电压；若UB-R大于阈值电压，传感器输出电压为报警电压。阈值电压利用标准烟箱通过实验标定设置。

3 双光束烟雾传感器测试结果

所研制的传感器报警形式为阈值开关报警，即正常工作时传感器输出在一定范围内保持不变，当环境的烟粒子达到一定浓度时，瞬间跳转为报警电压。测试方法为将传感器置于标准烟箱中，用棉花阴燃产生的烟雾对传感器进行测量［6］。

3.1 比较电压动态响应

将传感器置于标准烟箱中，通烟后，用繁用表测量不同烟浓度时比较电压UB-R输出值，结果见表1。

表1 不同烟浓度下的比较电压

3.2 响应阈值范围

用标准烟箱测量传感器的响应阈值，将传感器放置在标准烟箱内，给传感器通电至少5 min，然后加烟，用繁用表测量传感器输出信号，输出电压达到或大于4.5 V时，烟箱显示阈值为传感器响应阈值，测量结果为0.36 dB/m。

3.3 信号输出

a）正常信号输出

在正常大气条件下，给传感器通电至少5 min，用繁用表测量传感器输出信号，测量结果为0.008 V。

b）报警信号输出

将传感器放置在标准烟箱内，给传感器通电至少5 min，然后加烟，用繁用表测量传感器输出信号，测量结果为4.783 V。

3.4 响应时间

传感器放置在标准烟箱内，给传感器通电至少5 min，然后加烟，用示波器测量传感器输出信号由0.5 V上升到4.5 V所用时间。测量结果为0.2 s。

3.5 功耗

在正常大气条件下，在传感器电源负端串联一个电阻R，给传感器通电至少5 min，用示波器测量R上电压，在一个周期时间T内，用式（2）计算传感器功耗

式中，U为传感器供电电压；Ui为脉冲电压；ti为脉冲宽度。测量结果为347 mW。

3.6 传感器抗干扰性能验证

为验证双光束传感器对水蒸气颗粒的抗干扰能力，将1只双光束感烟传感器和1只普通单光束红外传感器在同一环境条件下通入水蒸气，在水蒸气达到1个单位浓度后单光束传感器报警而双光束传感器没有报警。可见在对水蒸气的抗干扰能力方面，双光束感烟传感器相对来说有一定提高。由于灰尘与水蒸气颗粒尺寸相同，因此可以推论传感器对灰尘也有较好的抗干扰能力［7］。

4 结 语

实测结果表明，研制的双光束高灵敏度烟雾传感器可以有效的在火灾发生前期进行报警，具有灵敏度高、响应快和功耗低等特点。且可以最大程度上去除空气中水蒸气及灰尘微粒的影响，提高灵敏度的同时大大降低了误报警率。

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杨东升（1980—），河南郑州人，工程师，主要从事电波传播、数值计算等方面的工作；

E-mail：yangds-001@163.com

程 黎（1982—），山西运城人，工程师，主要从事电波传播、数值计算等方面的工作；

柳 文（1973—），湖南汨罗人，博士，研究员级高级工程师，主要从事电离层物理、传播及其应用研究。

作者简介

董新平（1964—），哈尔滨人，高级工程师，主要研究方向为磁光传感器技术；

E-mail：zhaozhenqi1987@163.com

赵振起（1987—），哈尔滨人，助理工程师，主要研究方向为传感器技术；

皮桂英（1966—），工程师，主要研究方向为传感器测试；

黄 辉（1987—），助理工程师，主要研究方向为传感器研制；

张 鹏（1981—），哈尔滨人，高级工程师，主要研究方向为传感器研制工作；

王 辉（1980—），哈尔滨人，高级工程师，主要研究方向为传感器研制工作。

Research of the Smoke Sensor Based on Double Light Beam

DONG Xin-ping，ZHAO Zhen-qi，PIGui-ying，HUANG Hui，ZHANG Peng，WANG Hui
（The 49th Research Institute of CETC，Harbin 150001，China）

In accordance with the problem of traditional photoelectric smoke sensor，such as being infected by dust and steam，lead to false alarm and low sensitivity，a new photoelectric smoke sensor is designed.By processing scattering character in differentarea adopting dual-wavelength comparingmode due to differences of scattering character between opticalwavelengths to the different particle，the interference because of the dustand steam will be removed，and the sensitivity will be improved.Experimental results show that the new sensor canmake early alarm fire hazard，with the threshold of0.36 dB/m.Also，compared with the traditional photoelectric smoke sensor，the new one has better anti-interference capability.

：photoelectric smoke；double light beam；anti-interference

TP212.14

A

1673-5692（2014）03-310-04

10.3969/j.issn.1673-5692.2014.03.017

2014-04-03

2014-04-21

国家921工程项目资助