两发两收双波长光电式火灾探测器

陈 磊，金 恺，黄光明，王 敏

（华中师范大学 物理科学与技术学院，湖北 武汉 430079）

0 引 言

感烟式火灾探测器由于探测效率高、成本低等优势成为了市面上使用最普遍的类型。感烟式探测器又可分为离子式感烟探测器和光电式感烟探测器，离子式感烟探测器内含放射元素，会对人体和环境造成危害，因此光电式探测器成为了市场的主流产品［1～4］。但是传统的光电式感烟探测器仍存在缺陷：探测器通过判断接收装置的光散射强度触发报警，干扰颗粒（如水蒸气等）与火灾颗粒同样具备光散射能力，均会触发报警［4］。传统的光电式探测器使用单发单收形式，仅能接收单波长的散射光信号，这种探测方式采集的信息量单一，干扰颗粒也可能达到触发报警的条件，因而不能排除误报。市面上的双发单收光电式烟雾探测器采用波长为850 nm和940 nm 的红外光源，由于波长相近，并没有较好地解决干扰颗粒的误报问题。为解决干扰颗粒误报问题，文献［4］研究并设计了复合式烟雾探测器，使用多种火灾特征参量的传感模块，结合智能火灾判决算法，但使得烟雾探测器结构复杂，增加了探测器的成本；文献［3］提出并设计了双波长多参数火灾探测器，利用不同波长的入射光获取样本气溶胶的体积浓度、表面积浓度和Sauter平均粒径以判决是否发生火灾，但其结构由2 个波长差距较大的发射管和1 个接收管组成，单一接收管在2 个波长段的接收转换效率差异较大，会影响对颗粒物的判断。

在传统双发单收双波长光电式感烟探测器的基础上增加一路光接收电路，各路均选用最佳接收波长范围覆盖发射光波长的接收管，解决单一接收管转换效率低的问题。选用波长为468 nm的蓝光与850 nm的红外光为两发两收光电式感烟探测器的入射光源，利用蓝光接收管和红外光接收管接收的散色光功率，得到光学迷宫中气溶胶颗粒的粒径，区分正常烟雾和干扰颗粒，降低火灾误报率。

1 两发两收双波长光电式火灾探测器原理

火灾颗粒与干扰颗粒具有不同的光散射能力。火灾探测器接收散射光信号中包含了颗粒物的信息，研究火灾颗粒和干扰颗粒散色光信号的差异，可降低水蒸气、灰尘等干扰颗粒引起的误报［5～8］。文献［4］中列举出常见颗粒物的粒径，如表1。由表1可以看出，火灾颗粒和干扰颗粒的粒径具有较大差异。大部分火灾颗粒的粒径在1 μm 及其以下，而水蒸气、粉尘等干扰颗粒的粒径远大于1 μm。

表1 常见颗粒物的粒径

根据米氏（Mie）散射理论［9～11］，散射光强与粒子直径d，入射光波长λ，颗粒介质折射率m和散射角θ，颗粒到接收点距离R都有关。当颗粒的粒径远小于入射光波长时，散射情况处于瑞利散射区；当颗粒的粒径接近入射光波长时，散射情况处于米氏散射区［3，4］。当散射情况处于瑞利散射区时，近似散射光强度为

式中 I 为总散射光强，I0为自然光强。由式（1）可以看出，散射光强与入射光波长的4次方成反比，与颗粒粒径的6次方成正比。

选用波长为468 nm的蓝光与850 nm 的红外光为入射光源。由于颗粒物的折射率m 随波长λ 变化较小，对于2种波长的光源可以近似相等；同时散射角θ不变且相同，因此式（1）中m，θ均可以看作常数。因为火灾颗粒粒径在1 μm以下，因此适用瑞利理论分析近似散射光强度［6］。火灾颗粒在瑞利（Rayleigh）散射区中的蓝光散射强度和红外光散色强度的比值如式（2）所示

式中 IB1为瑞利散射区中蓝光散射强度，IR1为瑞利散射区中红外光散射强度，R1为瑞利散射区中蓝光散射强度与红外光散射强度之比。当火灾颗粒在米氏散射区时，红外光的波长较长，小颗粒对红外光的散射较弱，但是小颗粒对波长较短的蓝光有较强的散射，此时蓝光和红外光的散射光强比式（2）对应数值11 更大［4］。可以看出：不同粒径的火灾颗粒或处于瑞利散射区（d≪λB；d≪λIR），或处于米氏散射区（d≈λB；d≪λIR），对蓝光与红外光散射强度差距较大。

干扰颗粒的粒径远大于入射光波长，处于夫琅禾费（Fraunhofer）衍射区，对红外光和蓝光都具有较强散射作用，红外光和蓝光散射光强比值近似为1，可以认为散色光强与波长无关。

2 结构、电路与程序设计

2.1 结构设计

如图1（a）所示，火灾烟雾探测器主要由外壳、防虫网、光学迷宫及印制电路板构成。外壳和防虫网防止异物进入到光学迷宫内；光学迷宫下半部分有很多锯齿形导烟通道，在防止外界光线射入的前提下引导烟雾颗粒进入到迷宫腔内；光学迷宫上半部存在一个1 cm×1.8 cm的矩形缺口，如图1（b）所示，方便印制电路板板上的发射管和接收管暴露在光学迷宫腔内；在发射管和接收管中间存在一个高度为2 mm的挡板，防止接收管在无烟状态下饱和。

图1 结构设计

2.2 电路设计

如图2所示，两发两收双波长火灾探测器电路主要包括光发射部分、光接收部分、微控制器部分组成。微控制器控制两路LED 交替发光，接收管接收对应波长光的散射光，经过I-V变换后将颗粒粒径信息传至微控制器处理并判断是否报警。

图2 两发两收双波长火灾探测器电路框

从性价比、低功耗等方面考虑选择中国力源公司的CX32L003芯片作为系统的微控制器。该单片机是具有32位ARM Cortex—M0 ＋内核的超低功耗、高性价比微控制器，集成12位1 Msps高精度SAR型ADC，深度休眠模式功耗仅为0.7 μA。电路结构如图3所示。

图3 微处理器电路

图4发射电路中红外光LED 和蓝光LED 应选择低电流高亮度类型。接收电路中为防止LMV358 长时间工作，其供电采用MCU的IO口直接供电。

图4 双波长两发两收火灾探测器光学电路

2.3 程序设计

微控制器交替发射周期约10 s的窄脉冲信号，其中脉冲宽度过大，会增大探测器功耗；脉冲宽过小，I-V变换输出还未到峰值。实验表明，蓝光驱动信号的脉冲宽度180 μs，红外光驱动信号的脉冲宽度120 μs 最佳（图5）。为防止LMV358上电瞬间影响I-V变换输出，在蓝光及红外光驱动信号的脉冲之间设置约20 μs间隔。

图5 驱动信号示意

3 实验数据与分析

测试探测器对A4纸、棉绳、CRC烟雾探测器测试剂和水蒸气的响应。如图6所示，当气溶胶颗粒进入探测器中，接收装置接收蓝光和红外光的散射光功率（I-V变换输出）变大。图6（a）～（c）中气溶胶颗粒为火灾颗粒，当红外光散射光功率增加0.2，蓝光散射光功率增加0.6～1；图7（a）～（c）中蓝光与红外光散射光功率变化之比大于2。图6（d）中气溶胶颗粒为水蒸气干扰颗粒，当红外光散射光功率增加0.2，蓝光散射光功率增加约0.2；图7（d）中蓝光与红外光散射光功率变化之比接近于1。

图6 不同颗粒物接收装置散射光功率曲线

图7 不同颗粒物蓝光与红外光散射光功率变化比值

上述实验表明，该探测器对火灾颗粒和水蒸气的散射光功率比值差异大（火灾颗粒时蓝光与红外光散射光功率变化之比大于2；水蒸气时蓝光与红外光散射光功率变化之比接近于1），说明其可以有效区分火灾颗粒和干扰颗粒。功耗测试测得探测器静态工作电流约1 μA。在发光周期10 s内蓝光、红外光LED发光时间分别为180，115 μs，脉冲电流最大分别为36.5，55.5 mA，由此计算得到平均工作电流为2.29 μA。

4 结 论

提出并设计了一种两发两收双波长光电式火灾烟雾探测器。在电路结构设计、芯片器件选型等方面做到了简单与高性价比，该探测器实验表明，火灾颗粒和水蒸气的散射光功率比值差异大，能判别水蒸气干扰颗粒。整个系统结构简单、功耗小、成本低，可以被广泛地应用生活环境中。