线型光束滤光片的校准

何日梅，韦秋叶，范晓辉，卢敏萍

（广西壮族自治区计量检测研究院，南宁 530200)

线型光束感烟火灾探测器是光电感烟探测器的一种，对燃烧或热解产生的液体或固体颗粒产生响应，依靠烟雾颗粒对光的吸收或散射原理，对火灾进行探测，可分为对射式和反射式［1-3］。线型光束感烟火灾探测器具有保护面积大、安装位置高和抗干扰能力强等特点，因此被广泛应用于各种大型场所中［4-6］。GB 50116—2013 《自动火灾报警设计规范》5.3.1 条款列出了该类探测器的适用场所：大型库房、博物馆、档案馆、飞机库等多为无遮挡的大空间场所，发电厂、变配电站、古建筑、文物保护建筑的厅堂馆也适合安装这种类型的探测器［7］。广大研究者从不同角度对探测器的性能进行研究，蒋廓等［8］采用火灾动力学模拟器（FDS）分析布置高度、距离火源水平距离、光路长度等对探测器响应性能的影响；李宏文等［9］研究线型红外光束感烟探测器光路长度对报警时间的影响，并提出不同灵敏度设置下，发射器与接收器之间的合理安装间距；李玉宝［10］探讨了以红外光束感烟探测器为核心的火灾报警系统的设计和实现。由此可见，线型光束感烟火灾探测器的广泛应用。

线型光束滤光片作为探测器配套滤光片，主要用于模拟火灾条件下，烟雾遮挡探测器后探测器的响应情况，利用滤光片减少红外发光器发射到红外接收器的光束量来判定火灾，用以验证火灾探测器的性能，是保证建筑消防安全的重要手段。GB 14003—2005 《线型光束感烟火灾探测器》附录A中规定了配套的滤光片，应使用减光值为0.9～10 dB 的滤光片检测探测器响应阈值［11］。GB 50166—2019 《火灾自动报警系统施工及验收规范》规定，用减光值为0.9 dB 的滤光片遮挡光路，探测器不应该发出火灾报警信号；用减光值为1～10 dB 的滤光片遮挡光路，探测器应发出火灾报警信号［7］。探测器厂家一般配备减光值分别为0.4 dB和10 dB或者0.9 dB 和10 dB 的配套滤光片。滤光片的准确测量对探测器的性能验证尤为重要，有研究者对滤光片的检测校准进行了研究［5-7］。孔小平等［13］规定了线型光束滤光片透射比和重复性的校准方法，并给出了减光值示值误差的参考计量要求和不确定度，但未提及正反差别和年变化量等校准方法；赵雯［14］提出了减光值误差、均匀性和正反差别的校准方法和参考计量指标，但未提出年变化量校准方法和计量指标；王舵［15］分析了减光值的计算方法，但未提出计量性能的参考计量指标。目前，线型光束滤光片尚无相关国家检定规程或校准规范。

为提出较为全面的校准方法和计量指标要求，向市场提供检测校准依据，促进滤光片技术指标的统一，笔者在前人研究的基础上，建立线型光束滤光片的校准方法。选择减光值小于1.0 dB 和等于10 dB 的滤光片，根据相关标准指标［16-17］，测量不同厂家滤光片减光值数据，给出较为全面的参考计量特性，并进行不确定度分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

紫外、可见、近红外分光光度计：PE lambada 950 型，波长范围为175～3 300 nm，透射比范围为0～100 %，波长最大允许误差不超过±0.5 nm，透射比最大允许误差不超过±0.003，杂散辐射水平低于0.002，珀金埃尔默股份有限公司。

线型光束滤光片：0.4、10 dB，北京朋利驰科技有限公司。

1.2 线性光束滤光片工作原理

线型光束滤光片主要用于线型光束感烟火灾探测器性能的检测。其工作原理是利用滤光片减少红外发射器发射到接收器的光束光量，探测器检测到光束量减少时，发生警报。滤光片模拟火灾发生时，物质燃烧产生的烟雾粒子对红外线光束吸收或散射，减少光束发射器发射到光电接收器的光束量。反射式、对射式红外光束感烟探测器原理图分别见图1、图2。

图1 反射式红外光束感烟探测器原理图

图2 对射式红外光束感烟探测器原理图

1.3 校准条件

环境温度为（23±5） ℃，相对湿度不大于65%，工作环境中无引起滤光片或其膜层腐蚀的气体。

1.4 校准范围

线型光束感烟探测器光束发射器主要由波长为800 nm 的红外发射管组成［13］，其透射率视具体实验要求而定。校准时测定滤光片在规定波长下的透射比，判定其是否符合使用要求。对各厂家滤光片进行800～2 500 nm 全波段扫描，对图谱进行分析，将校准减光值的波长范围设置为800～1 100 nm，将测得的透射比换算为减光值。

1.5 校准项目

校准项目包括减光值、均匀性、正反差别、年变化量。

1.6 校准方法

1.6.1 减光值的测量

将分光光度计开机预热后，根据滤光片的用途设置测量的波长范围，光谱间隔取5 nm，积分时间为1 s，以空气作为参比测量滤光片的透射比曲线，在800～1 100 nm 波长范围内的减光值A按公式(1)计算［11，14］。

式中：A——线型光束滤光片的减光值，dB；

τ——特征波段范围内的平均透射比值。

重复上述条件扫描3 次，计算特征波段减光值的平均值，该平均值即为特征波段减光值。

GB 14003—2005 未对滤光片透射比做具体要求，因此，对滤光片分别给出工作范围的透射比平均值和减光值，由客户根据校准值进行使用（不同减光值的滤光片可用于探测器的日常检测，因此该项校准项目仅给出校准值，未给出计量特性要求）。

1.6.2 均匀性与正反差别

在滤光片中心点及距中心点上下各1 cm 处，按减光值的测量方法，计算3 处减光值的差值，取其绝对值，其中最大值为均匀性。在滤光片正面中心与从背面中心点射入时，按减光值的测量方法，计算两个减光值的差值的绝对值即为正反差别。均匀性与正反差别的计量特性要求如表1 所示。

1.6.3 年变化量

计算同一滤光片两次校准周期即12 个月内对应波长范围800～1 100 nm 下减光值差值的绝对值，计量特性要求如表1 所示。

表1 计量特性要求 dB

2 结果与讨论

选择不同厂家的线型光束滤光片进行试验，试验结果如表2所示。由表2可知，大部分厂家均匀性、正反差别和年变化量在本校准方法提出的计量性能要求范围内，表明所提出的要求较为合理。但部分滤光片减光值参数与标称值相差较远，这需要厂家不断的提升减光值的准确性，在生产时严格把关。

表2 不同厂家线型光束滤光片校准结果 dB

3 校准结果不确定度分析

3.1 数学模型

根据不确定度传播率［18］，对公式（1）求导，得灵敏系数：

3.2 不确定度来源识别

标准不确定度来源如下：

（1）测量重复性引入的标准不确定度；

（2）光谱光度计波长误差引入的标准不确定度；

（3）光谱光度计光谱透射比误差引入的标准不确定度；

（4）样品均匀性引入的标准不确定度；

（5）样品正反差别引入的标准不确定度。

不确定度来源示意图如图3 所示。

图3 不确定度来源示意图

3.3 测量不确定度评定

以标称值为0.4 dB 的线型光束滤光片为例评定不确定度。

3.3.1 各分量的标准不确定度

（1）测量重复性引入的标准不确定度u1(A)。仪器开机预热后，对送检的线型光束滤光片（AH-410型，北京朋利驰科技有限公司）进行10 次重复测量，测得减光值分别为0.41、0.39、0.41、0.39、0.39、0.39、0.39、0.40、0.39、0.41 dB，采用A 类评定，根据贝塞尔公式［19］，计算单次测量标准偏差s= 0.009 5。在通常情况下，滤光片校准次数不低于2 次［20］，本试验校准3 次，取测量结果的平均值作为测量结果，则测量重复性引入的标准不确定度分量：

3.3.2 不确定度分量及合成不确定度

标称值为10 dB的线型光束滤光片按照上述0.4 dB 线型光束滤光片方法进行不确定度评定，各不确定度分量和合成不确定度汇总如表3 所示。

表3 各不确定度分量及合成不确定度（800～1 100 nm） dB

3.4 扩展不确定度

由于各校准单位装置和人员、环境条件的差别，校准结果的不确定度各不相同，按上述方法进行分析，通过测试估算的扩展不确定度如表4 所示。

表4 扩展不确定度（800～1 100 nm） dB

4 结语

建立线型光束滤光片的校准方法。规定了减光值、均匀性、正反差别和年变化量的校准方法，提出了均匀性、正反差别和年变化量的计量特性要求，开展测量不确定度的评定，为市场提供检测校准依据为日后线型光束滤光片国家检定规程或校准规范的制定提供数据支持。