复合抛物面聚光器在光电感烟探测器应用研究

郑 荣，陆 松，杨慎林，张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

复合抛物面聚光器在光电感烟探测器应用研究

郑 荣，陆 松*，杨慎林，张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

基于复合抛物面聚光器的设计原理，提出可应用于点型光电感烟探测器的聚光器设计方法以及装配方式。与现有聚光器相比，研究设计的聚光器能够限制收集散射光线的散射角范围。根据点型光电感烟探测器光学暗室的结构特点，确定聚光器初始模型基本参数，并提出侧面光线入口设计方式以及安装方式，增大聚光器的聚光性能。利用光学仿真软件TracePro对剖切后的聚光器进行光学模拟，研究不同剖切角的聚光器对光线的收集情况，模拟结果表明，选择恰当的剖切方式，可以增大聚光器对入射光线的角度接收范围或空间接收范围，有利于增强探测器的探测性能。

复合抛物面聚光器；感烟探测器；光学模拟；光学暗室

0 引言

目前常用的点型光电感烟探测器是根据光的散射特性研制的，发射光源光束与接收器轴线形成一定夹角，当有烟雾粒子存在时，会对光束进行散射，进而接收器接收到一定强度的散射光，散射光强的大小反应了烟雾浓度的情况，由于烟雾粒子的尺寸与光源波长相近，属于米氏散射。在不同的应用场所，对探测器有不同的探测性能要求。美国联邦航空管理局(FAA)规定必须在1分钟内对飞机货舱火灾进行探测报警，因此要求使用的火灾探测器具有非常高的灵敏度[1,2]。但是，高灵敏度的探测器对干扰粒子也会十分敏感，导致产生不必要的误报。2002年中国民航总局安全办公室发布的消息[3]表明：1995年～2001年之间中国民航飞行过程中发生货舱火警信号一共43次，全部都是假火警信号。

火灾初期会有少量的烟雾粒子产生，此时烟雾浓度较低，黑烟及小粒径颗粒引起的散射光强相对较弱[4]，导致探测器接收不到足够强度的信号而不能及时响应。因此为了使探测器尽早响应，一种可行的思路是通过加强探测器光学暗室内部受光器对粒子散射光的收集能力，从而增强探测器的响应信号，使探测器尽早报警。

目前已有的改善措施是在传感元件的前方一定位置安装聚光透镜，将较大范围内的散射光集中汇聚到光敏区域，比如德国西门子公司FDOOTC441型火灾探测器产品。另一种有效改善措施是采用表面反射式聚光器汇聚散射光，比如诺蒂菲尔FSL-751型智能高灵敏度激光感烟探测器，与聚光透镜相比，这种反射式聚光器可以实现汇聚更大范围的散射光。目前先进的感烟探测器大多采用了两个发光元件，可以同时采集前后向散射信号，并根据前后向散射信号识别火灾与非火灾粒子。对于这两种改进措施，存在共同的问题：采用聚光透镜或者反射式聚光器仅仅增强了接收散射光的强度，并不能筛选一定范围的散射光散射角进行选择性收集，导致探测信号不能体现出不同粒子的前后向散射特性[5]，特别是后向散射光较弱，容易被前向散射光覆盖。

理想情况下，对于采用了两种光源的光电感烟探测器，受光器在一次采集信号的过程中，只能接收前向散射光或者后向散射光，这样可以最大化突出不同粒子的前后向散射差异性，从而进行区分。因此本文目的是设计这样一种聚光器，满足：1)可以选择性收集一定角度范围内的散射光线；2)收集散射光线的范围足够大，保证足够的信号强度。这样，可以充分获取粒子发生光散射时前向和后向散射光强的差异，有利于实现对火灾与非火灾粒子进行有效识别[6,7]。

在太阳能利用及照明领域，复合抛物面聚光器(CPC)以光利用率高、结构简单、成本低等特性受到广泛关注与研究。CPC是一种非成像聚光器，根据边缘光线原理设计[8,9]，具有优异的聚光特性，并且可以根据入射角大小选择收集入射光线。为使CPC能够应用到探测器并满足上述的两个要求，基于CPC的设计原理，结合感烟探测器的实际使用情况，聚光器的设计过程如图1所示：

图1 聚光器设计流程Fig.1 Design process of condenser

1 CPC初始模型

1.1 设计参数

CPC结构确定需要五个基本参数：焦距、入射口半径、出射口半径、长度和最大聚光角[10]。在光学模拟软件TracePro中以CPC的焦平面为基准将长度参数分为前段长度和后段长度。对于标准CPC，即达到最大理论聚光比[11]，确定了两个参数就可以推导出其他参数；对于非标准CPC，则参数选择范围较大，设计参数往往需要根据实际的需要来确定。

根据常见探测器光学暗室的设计结构尺寸，利用TracePro建立如图2(a)所示CPC初始模型，主要设计参数如下：前段长度26.5 mm，后段长度0 mm，侧向焦点位移2.75 mm，焦距4.33 mm，轴倾斜度35°，厚度1 mm。作为比较，图2(b)为FSL-751型探测器使用的反射式聚光器模型结构示意图，二者尺寸大小相近，但是形状结构不同：CPC的内表面为抛物面，而反射式聚光器的内表面为圆柱或圆锥面。表面形状决定了聚光器对入射光的聚光特性，采用平行光线照射这两种聚光器，结果如图3所示。CPC初始模型对光线具有较好的汇聚性能，大部分入射光线只需要反射一次就能到达出射口。FSL-751型探测器使用的聚光器只是简单地将入射光线进行反射，并没有表现出明显的汇聚性能。

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

图3 聚光特性对比Fig.3 Comparisons of concentrating characteristics

1.2 侧面光线入口

建立的CPC初始模型并不能直接用于探测器中，从图2(a)和(b)的对比可以看出，CPC初始模型的入射口较小，不利于接收大范围的入射光线，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。如图4所示，剖切过程分以下两个步骤：1)首先确定剖切的角度，即剖切面与CPC中心轴线的夹角；2)然后确定剖切高度，即在剖切面垂直方向上剖切部分的高度。为了便于后文表述，在剖切角度确定的情况下，定义零基准面和相对剖切高度：过入射口边缘对CPC进行剖切，此时剖切面即为零基准面；相对剖切高度为剖切面到零基准面的距离，并且，当剖切高度大于零基准面对应的剖切高度时，相对剖切高度为正，反之为负。

根据上述CPC剖切方式定义，使剖切面过入射口边缘对聚光器进行剖切，可以知道，这种剖切方式不会影响聚光器的长度，如图5所示的三个聚光器，相应的剖切角度分别为15°、35°和50°。可以看出，随剖切角度增大，聚光器的侧面光线入口逐渐变小，相应地收集入射光线的空间范围也减小了。但是，考虑聚光器对入射光线的角度接收范围，小角度剖切方式得到的聚光器收集光线的角度范围会减小。忽略光线直射或多次反射的情况，规定沿聚光器中心轴线方向入射时的光线入射角为0°，则对于剖切角度15°的聚光器，收集光线的入射角度范围是-15°～35°；对于剖切角度35°的聚光器，收集光线的入射角度范围是-35°～35°。

图4 剖切方式相关参考量Fig.4 Relevant reference quantities of slicing

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

2 聚光器安装方式

下面考虑将经过剖切的CPC安装到探测器中。如图6所示，是一种带有一个发光元件和两个受光元件的探测暗室结构，聚光器1和2可以通过平移装配到暗室结构中，分别用于收集烟雾粒子的前向散射光和后向散射光。如图7所示，为聚光器与发光光束的光学轴线的相对位置原理图，其中，θ1为聚光器中心轴线与发光光束中心轴线的夹角；θ2为聚光器剖面与发光光束中心轴线的夹角；θ3为聚光器剖面与聚光器中心轴线的夹角；a和b为聚光器到发光光束中心轴线的最近距离。

聚光器安装方式如下所述：

发光光束的中心轴线与聚光器的中心轴线在同一平面上。对于收集前向散射光的聚光器，剖切平面与照射光束的中心轴线平行，即该聚光器的剖切角度即为θ1，且满足θ1<90°。聚光器剖切面与发光光束中心轴线的距离为amm，在确保不会阻挡照射光束的前提下，a的大小应尽量小；对于收集后向散射光的聚光器，剖切平面与发光光束中心轴线的夹角大于或等于90°，即θ2≥90°。聚光器与发光光束中心轴线的最近距离为bmm，在确保不会阻挡照射光束的前提下，b的大小应尽量小。

按照上述对聚光器安装方式的定义，可以得到能够分别探测前向和后向散射光信号的探测暗室结构。但是，仍然无法确定聚光器的聚光效果，聚光效果的影响因素较为复杂，比如聚光器表面材质属性，聚光器尺寸参数，以及聚光器在探测暗室的安装位置等等。

图6 带有两个聚光器的探测器暗室模型Fig.6 Detector chamber model with two condensers

图7 两个聚光器相对位置Fig.7 Relative position of two condensers

3 聚光性能模拟

选取上述CPC初始模型，采用光学模拟方法研究剖切面过入射口边缘的不同剖切角对聚光器的聚光性能影响。如图8所示，采用格点光源以一定的入射角照射经过剖切的聚光器，在出射口处设置一个光线吸收面，因此，吸收面上吸收的光线数量反映了该聚光器的聚光性能。

图8 格点光源照射聚光器Fig.8 Grid source irradiating the condenser

光学模拟时，格点光源属性设置如下：在半径20 mm的圆面内，格点图形为矩形，X、Y方向点数均为100个，可以得到发射光线总数量为7860条。聚光器内部反射面设置为完全镜面反射，出射口的光线吸收面对光线完全吸收。选取剖切角度为15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°和42°的聚光器作为研究对象，同时建立一个标准CPC模型作为性能对比，标准CPC的焦距和出射口半径参数与CPC初始模型相同。

将格点光源以不同的入射角照射不同剖切角的聚光器，规定，光学模拟结果如图9所示，分析结果如下：

1)标准CPC模型曲线呈“帽形”分布，在入射角小于最大聚光角的范围内，即-35°～35°，吸收光线数量稳定在400左右。

2)对于剖切角度较小的聚光器，角度接收范围相应减小，理想情况下，剖切角度为15°的聚光器无法接收到入射角在-35°～-15°范围内的入射光线。另一方面，剖切角度较小的聚光器的入射口要较大，从图9中可以看出，入射角为32°时，聚光器收集的光线数量达到峰值，特别地，剖切角度为15°的聚光器，吸收光线数量达到最大值852。

3)对于大角度剖切的聚光器，入射口相对较小，即对入射光线的空间接收范围减小了，但是，其收集光线的角度接收范围明显增大了，比如剖切角度为42°的聚光器理论上能够收集入射角为-35°～35°的入射光线。

值得注意的是，模拟结果表明经过剖切后的聚光器的入射角度接收范围变化较大，聚光器甚至能够收集到入射角大于最大聚光角的入射光线。如图10所示，主要原因有以下两点：1)小角度剖切后的聚光器具有较大的侧面光线入口，因此部分光线可以直接入射到光线吸收面上；2)CPC初始模型属于非标准CPC，部分光线能够经过多次反射到达光线吸收面上。

图9 光学模拟结果Fig.9 Results of optical simulation

根据模拟结果，结合烟雾粒子的散射光强分布特性，可以为探测器选择合适的聚光器剖切角度。一般情况下，烟雾粒子的光散射角度越小，散射强度越大。由于收集前向散射光的聚光器的侧面光线入口距离光束较近，因此聚光器需要有较大的角度接收范围，特别是对小角度散射光的收集，可以选择将最大聚光角作为剖切角度，同时保证了较大的侧面光线入口。对于收集后向散射光的聚光器，由于后向散射光较弱，而且侧面光线入口距离光束较远，因此要求聚光器有较大的空间接收范围，适合选取小角度的剖切方式。在实际情况下，可以针对特殊的烟雾颗粒散射光强分布特性，选取恰当的剖切角，使聚光器可以收集一定散射角范围内的散射光线，实现对该烟雾颗粒的更准确识别。

4 结论

本文根据复合抛物面聚光器的聚光特性，提出

了可应用于点型光电感烟探测器的复合抛物面聚光器剖切设计方式以及在探测暗室内的安装方式。通过光学模拟软件对不同剖切角的聚光器进行格点光源模拟，结果表明小角度剖切角的聚光器对入射光线的角度接收范围较小，但是空间接收范围较大；大角度剖切角的聚光器对入射光线的空间接收范围较小，但是角度接收范围较大。结合不同烟雾粒子的散射光强分布特性，对于感烟探测器，将最大聚光角作为收集前向散射光聚光器的剖切角度，选取较小角度作为收集后向散射光聚光器的剖切角度。

图10 光线以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

[1] 孙爽. 点型光电感烟火灾探测器的灵敏度[J]. 消防科学与技术, 2002, 21(6): 39-41.

[2] GB 4715-2005. 点型感烟火灾探测器技术要求及试验方法[S].

[3] 民航总局. 2002年飞行事故/飞行事故征候和航空地面事故统计[Z]. 北京: 民航总局航空安全办公室, 2002.

[4] Hulst HC, Van De Hulst HC. Light scattering by small particles[M]. Courier Corporation, 1957.

[5] 疏学明, 等. 火灾烟雾颗粒的光学散射特性研究[J]. 中国工程科学, 2005, 7(1): 45-49.

[6] 孙悟. 双波长法区分火灾烟颗粒与干扰颗粒[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2013.

[7] 孙悟, 等. 双波长抗干扰光电感烟探测机理[J]. 物理学报, 2013, 62(3): 1-6.

[8] Welford WT, et al. The optics of nonimaging concentrators: light and solar energy[J]. Physics Today, 1978, 33(6):56-57.

[9] Welford WT, Winston R. Nonimaging concentrators:the compound parabolic concentrator-high collection nonimaging optics-chapter 4[J]. High Collection Nonimaging Optics, 1989:53-76.

[10] 汪飞, 等. 关于复合抛物面聚光器设计参数的研究[J]. 光学仪器, 2010, 32(3): 68-72.

[11] 张胜柱, 崔文学. CPC设计原理[J]. 太阳能, 2004(5): 41-43.

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

郑荣(1992-)，男，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士生，主要从事飞机防火和火灾烟雾探测技术的研究。

陆松，E-mail: Lusong@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00218-06

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.09

X936;X932

A