韓 玲，林高華，方 俊，王進軍，張永明

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

光學迷宮對飛機貨艙感煙探測器響應性能的影響

韓 玲，林高華，方 俊，王進軍，張永明*

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，合肥，230026)

針對飛機貨艙火災的探測延遲性問題，探討了光學迷宮對點型光電感煙探測器響應性能的影響，實驗研究了點型光電感煙探測器在有、無迷宮兩種情況下煙霧探測的響應過程，對比分析了不同煙量時迷宮的作用，并提出探測器迷宮結構的改進設計思路。實驗結果表明，在探測器響應過程中，有光學迷宮的探測器煙霧濃度波動幅度較小，迷宮對煙氣有滯留作用，提高了探測器的穩(wěn)定性；但迷宮會使探測腔室的煙霧濃度明顯滯后且低于腔外，增大了探測器的遲滯時間,煙霧濃度較低時這種遲滯影響更為明顯，嚴重影響貨艙火警探測器的靈敏度。

貨艙；光學迷宮；點型光電感煙探測器；滯留；遲滯時間

0 引言

貨艙火警探測是現代飛機火警探測系統(tǒng)的一個重要組成部分，目前飛機貨艙火警探測大部分采用煙霧探測技術，即在貨艙中安裝多個點型光電煙霧探測器。根據美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)的條例規(guī)定，貨艙火警探測系統(tǒng)必須在火災發(fā)生60 s內探測到火災，并給機組乘員視覺警示，因此要求貨艙采用的點型光電感煙探測器具有較高的靈敏度[1,2]。

然而光電感煙探測器由于其固有的幾何結構及所處的環(huán)境狀況，使得它在火災探測中對火災煙霧參量的響應有一定的遲滯，直接影響火災探測的有效性和及時性，如防蟲網、光學迷宮、煙氣流對感煙探測器性能的影響等[3-8]。本文針對點型光電感煙探測器的光學迷宮結構對其探測的延遲作用，實驗研究光學迷宮對煙氣與感煙探測器之間作用過程的影響，為設計高性能的飛機貨艙光電感煙探測器提供依據和方法。

1 光電感煙探測器和光學迷宮

飛機貨艙采用的光電感煙探測器是利用火災煙顆粒對光的吸收和散射作用來探測火災的一種裝置，基本結構如圖1所示。當貨艙沒有發(fā)生火災，采樣空氣不含有煙顆粒，光敏二極管2接收不到紅外發(fā)射管1發(fā)出的光脈沖，不產生光電流；當貨艙因失火產生煙霧時，煙霧進入探測腔室后，煙霧粒子對紅外光產生散射，光敏管接收到散射光信號，產生光電流，其強度與煙密度成比例，結合探測算法，觸發(fā)報警電路，通知機組成員貨艙失火[9]。

圖1 點型光電感煙探測器結構示意圖Fig.1 Structure schematic of photoelectric smoke detectors

如圖1所示，迷宮的座體上有一定數量的遮光葉片，它與上蓋等其他遮光零件構成一個光學暗室，即探測腔室。由于探測腔室對于煙霧進出來說像是一個迷宮，所以也稱為光學迷宮。迷宮的主要作用是防止外界環(huán)境光直接射入探測腔室，消除環(huán)境光線的影響，增強抗環(huán)境干擾能力；同時光學迷宮的結構使煙霧粒子在迷宮中合理的分布和流動，且能讓紅外發(fā)射管發(fā)出的光能夠在迷宮中合理的反射、折射，與煙霧粒子發(fā)生正確作用后被光敏管所接收，以實現準確與快速探測[10,11]。然而，迷宮的結構會阻礙煙霧進入探測腔室的氣流流動和擴散，降低進煙速率和濃度，可能嚴重影響探測器的響應靈敏度。因此合理設計光學迷宮的結構是提高點型光電感煙探測器性能的重要方法之一。

2 實驗研究

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗在一個2 m×4 m×2 m 的火災探測模擬燃燒實驗室中進行，外加各種測量設備和數據采集系統(tǒng)構成整體實驗系統(tǒng)，如圖2所示。其中燃燒室在實驗過程中是一個不透光封閉的暗室，排除環(huán)境光的干擾，頂部安裝兩個相同規(guī)格的點型光電感煙火災探測器，分別編為1號和2號探測器。選取可重復性好的陰燃棉繩作為煙源，將其放置于探測器正下方。測量儀器用來測量燃燒室的環(huán)境參數，包括溫度計、濕度計和光學煙密度計等。燃燒室安裝有抽風機，以便每次實驗后期快速排凈室內煙氣[12]。

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of the experiment system

選取的兩個點型光電感煙探測器均拆除了外殼和防蟲網，通過保留或去除探測器的迷宮，以及控制棉繩數量進行相關對比實驗，實驗條件如表1所示。實驗中使用的光電感煙探測器均能輸出數字量，反映探測器接收煙霧濃度的大小[13]，其最大輸出值為3.299 V。與探測器配套工作的控制器和微機之間利用RS232進行串口通訊，可將探測器輸出值實時顯示并存儲。

表1 實驗條件

2.2 實驗測量與結果

2.2.1 一致性實驗

1)實驗步驟：將16根20 cm長、干燥潔凈的棉繩捆成一束，固定在支架上，使其自然下垂；1號、2號探測器同步保留或去除迷宮；

實驗開始時，先開啟實驗儀器，再點燃棉繩，待棉繩陰燃連續(xù)冒煙后，迅速將棉繩支架放進燃燒室關閉門窗，約15 min后拿出棉繩，開始排煙至初始狀態(tài)后，結束實驗；重復上述實驗2次，若3次的結果相差較大，則繼續(xù)實驗。

2) 實驗數據：

圖3是一致性實驗1號、2號感煙探測器(均有迷宮)的輸出值。

圖3 一致性實驗探測器輸出值Fig.3 Outputs of detectors in consistency experiment

從圖3可看出1號、2號感煙探測器的輸出曲線基本重合，采用皮爾森相關系數(Pearson Correlation)來分析兩個探測器輸出值的相關性，計算出圖3中兩組數據的皮爾森相關系數corr(y1,y2)= 0.9865，表示它們滿足正相關且極高度相關[14]。因此1號、2號探測器對煙霧的響應過程一致，可以用來進行之后的對比實驗。

2.2.2 大、小煙量有無迷宮對比實驗

將1號探測器保留迷宮，2號探測器拆除迷宮進行實驗，實驗步驟與一致性實驗相同，大煙量采用16根棉繩，小煙量8根，實驗條件見表1。多次重復實驗并穩(wěn)定后，記錄并對比有無迷宮探測器的輸出和光學煙密度M值，分析光學迷宮對探測器感煙性能的影響。

圖4 大煙量1號探測器(有迷宮)輸出值與光學煙密度Fig.4 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

圖5 大煙量2號探測器(無迷宮)輸出值與光學煙密度Fig.5 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

圖4和圖5分別是大煙量1號(有迷宮)、2號(無迷宮)探測器與光學煙密度M值的輸出曲線。圖6和圖7分別是小煙量1號(有迷宮)、2號(無迷宮)探測器與光學煙密度M值的輸出曲線。

圖6 小煙量1號探測器(有迷宮)輸出值與光學煙密度Fig.6 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

3 結果分析與討論

對比分析圖4、圖5和圖6、圖7，與有迷宮的感煙探測器相比，無迷宮探測器的輸出數據波動比較大，對煙霧濃度變化響應靈敏，探測性能不夠穩(wěn)定。這是由于迷宮的遮光葉片形成的腔室結構對煙霧有滯留作用，使煙霧能在腔室內保留較長時間，有效避免了煙霧進入迷宮后未被探測到就流出，同時減小外界氣流對腔室內的影響，因此光學迷宮使感煙探測器探測到的煙霧濃度變化梯度相對較小，提高了探測器的穩(wěn)定性。

圖7 小煙量2號探測器(無迷宮)輸出值與光學煙密度Fig.7 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

圖8 不同煙量下探測器輸出值擬合分析Fig.8 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke

比較相同時刻下探測器的輸出值，從圖8可看出帶有迷宮的探測器在排煙前其輸出幅值整體均小于無迷宮探測器的輸出值，表明有迷宮的探測器腔內煙霧濃度明顯低于腔外。此外，不同煙量的兩種探測器的信號變化趨勢基本相同，主要區(qū)別在于信號強度、響應時間和穩(wěn)定性。對于探測器響應信號最大值，在某時間內大煙量有、無迷宮探測器信號輸出最大值分別為1.54 V和1.78 V，小煙量有、無迷宮探測器信號輸出最大值分別為0.59 V和0.78 V。說明光學迷宮結構影響煙霧的氣流和擴散，使得腔室內的煙霧濃度變化滯后于腔外。

在開始排煙至實驗結束階段，即煙霧濃度下降階段，無論大煙量還是小煙量，感煙探測器在無迷宮情況下的下降梯度比較快，說明光學迷宮同樣阻礙了煙氣的流出，減小了探測器的排煙速率。

圖9 前100 s探測器輸出值擬和分析Fig.9 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke during the first 100 seconds

圖10 有迷宮探測器的響應遲滯時間Fig.10 The lag time of detectors with optical maze

4 結論

本文采用可重復性較好的棉繩作為煙源，對飛機貨艙中使用的點型光電感煙探測器在有、無光學迷宮兩種狀態(tài)進行了實驗研究，并對比分析了不同煙量時迷宮對煙霧探測的影響，得出如下結論：

(1)光學迷宮對進入探測腔室的煙霧有滯留作用，能有效避免煙霧進入迷宮后未被探測到就流出，同時減小了外界氣流的影響，提高了探測器的穩(wěn)定性。

(2)光學迷宮增大了點型光電感煙探測器的遲滯時間。由于迷宮的存在，延緩了煙氣進入探測器的速率，使探測腔內的煙霧濃度明顯滯后且低于腔外，探測器響應延遲10 s～60 s，煙霧濃度較低時這種遲滯影響更加突出。

(3)綜合光學迷宮對點型光電感煙探測器響應性能的影響，合理設計迷宮的結構不僅需要考慮其遮光效果，氣流的單向性等方面；更重要地必須保證氣流的通暢和足夠的進煙速率，使光電感煙探測器對煙霧變化具有快速的響應靈敏性，保證及時發(fā)現貨艙失火，采取滅火措施。

本文實驗溫度在23℃左右，探測器的輸出值相對比較小，因此溫度、低壓低氧因素對感煙探測器和煙霧粒子的影響，以及減少火警探測誤報率是未來需要研究的問題。

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Influence of optical maze on response performance of aircraft cargo compartment smoke detectors

HAN Ling， LIN Gaohua， FANG Jun， WANG Jinjun， ZHANG Yongming

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

To address the response delay of the aircraft cargo fire detector, the influence of the optical maze upon the performance of the point-type photoelectric smoke detector was investigated. Experiments were carried out to study the function process of the smoke detector with or without optical maze at various smoke concentrations. A new improving design method of the optical maze structure was suggested. The experimental results show that, the optical maze has a dwelling effect upon the smoke to increase the response stability with little fluctuation of the smoke concentration; but due to the entry delay of the smoke outside the chamber, the delay time of the smoke detector increases. This effect will be multiplied with low concentration of the fire smoke, thus seriously decreases the sensitivity of the aircraft cargo fire smoke detector.

Aircraft cargo; Optical maze; Point-type photoelectric smoke detector; Dwelling; Delay time

2016-01-04；修改日期：2016-05-10

國家自然科學基金聯(lián)合基金(U1233102)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(WK2320000032)及城市公共安全安徽省協(xié)同創(chuàng)新中心資助。

韓玲，中國科學技術大學安全科學與工程專業(yè)碩士研究生，研究方向為火災探測與微波傳播。

張永明，E-mail:zhangym@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00208-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.07

V223.2;TN215; X932

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