張思祥, 甘 凱, 周 圍

(河北工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代測控技術(shù)研究所,天津 300130)

0 引 言

目前,常用的火災(zāi)探測器大體分為感煙火災(zāi)探測器、感溫火災(zāi)探測器、火焰火災(zāi)探測器和復(fù)合式火災(zāi)探測器幾類,而在火災(zāi)探測器的使用選擇上,考慮到成本、測量精度需求等因素,除了化工廠等易燃易爆場合以外,80 %以上的公共場合,例如醫(yī)院、商場和學(xué)校等城市火災(zāi)預(yù)警,使用的火災(zāi)報警器都是傳統(tǒng)的光電感煙探測器[1～4]。此類火災(zāi)報警器主要由紅外發(fā)射器、光敏二極管、遮光葉片、防蟲網(wǎng)等組成。當(dāng)沒有火災(zāi)發(fā)生時,探測腔室內(nèi)沒有燃燒顆粒,光敏二極管無法接收到光,沒有光電流產(chǎn)生；當(dāng)發(fā)生火災(zāi),燃燒產(chǎn)生的顆粒會進入探測腔室,煙霧粒子對紅外光產(chǎn)生吸收和散射,光敏二極管會接收到一定的光強,煙霧粒子濃度越大,產(chǎn)生的光電流越強,達到一定閾值,進行火災(zāi)報警。此類普遍使用的煙霧報警器由于利用光學(xué)迷宮阻擋外界光,燃燒產(chǎn)生的顆粒進入探測腔室需要一定的時間,有較長的時間遲滯,直接影響火災(zāi)探測的及時性,極易給公共財產(chǎn)和生命安全帶來極大威脅,此外,此類煙霧探測器的檢測精度較低,對于較低濃度的煙霧顆粒無法進行及時報警,漏報率較高。

本文提出一種解決方法。首先對電信號進行調(diào)制[5],由紅外發(fā)射器[6～8]發(fā)射出紅外調(diào)制光,硅光電池收到光信號之后,分兩路對電信號進行解調(diào),可以排除其他光信號的干擾,而對于檢測靈敏度較低的問題,采用差分放大的方式,用煙霧信號減去背景光以后在進行放大,并根據(jù)朗伯比爾定律,采用增加光程的方式,提高光的吸收率,可以對較弱的光信號進行采集檢測,對于減少漏報率具有重大意義。

1 檢測系統(tǒng)基本原理

整個系統(tǒng)由±12 V直流電供電,產(chǎn)生一定頻率的信號對光源進行調(diào)制[5],光電轉(zhuǎn)換器件接收到光照后產(chǎn)生光電流,通過I/V變換后對電壓信號進行調(diào)制,最后對兩路解調(diào)信號進行差分放大得到被測信號,根據(jù)預(yù)先設(shè)定好閾值進行報警。如上所述,為了解決檢測速度慢的問題,選擇將光源信號進行調(diào)制,由光電轉(zhuǎn)換器件接收到光信號以后,再進行信號解調(diào),可以排除外界干擾光的影響,弱化傳統(tǒng)外殼的

影響,加快檢測速度；而面對檢測精度不高的問題,首先選擇差分吸收放大,并通過增大光程,增加光的吸收率,進而可以對更加微弱的電信號進行采集處理,提高檢測精度。

2 縮短檢測時間

為了縮短煙霧探測時間,將通信行業(yè)常用來排除噪聲的調(diào)制解調(diào)應(yīng)用于現(xiàn)有的煙霧探測裝置,將光源信號進行調(diào)制,排除外界干擾光的影響,從而免除報警器外殼的使用,縮短煙霧和光電裝置接觸的時間,提高檢測效率。

2.1 調(diào)制電路設(shè)計

載波信號產(chǎn)生電路見圖1,利用555定時器和雙D觸發(fā)器CD4013產(chǎn)生占空比為50 %的方波作為載波信號。

圖1 調(diào)制信號產(chǎn)生

無穩(wěn)態(tài)工作模式下555定時器輸出連續(xù)特定頻率的方波,工作時電容通過R1與R2充電至2/3VCC,然后電壓翻轉(zhuǎn),電容通過R2放電至1/3VCC,依次循環(huán),產(chǎn)生方波頻率為

(1)

其中,輸出高電平時間和低電平時間分別如下式

high=ln 2×(R1+R2)×C

(2)

low=ln 2×R2×C

(3)

由式(2)和式(3)可以看出,555定時器輸出方波占空比非50 %,因此利用CD4013的分頻功能產(chǎn)生占空比為50 %的方波作為載波信號。

2.2 解調(diào)電路設(shè)計

本文設(shè)計精密整流型全波相敏檢波電路進行信號解調(diào),電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 全波相敏檢波電路

當(dāng)U與Ui同相時,在U為正的半周期UA為負,輸出UO為正的全波檢波信號；在U與Ui相反時,在U為正的半周期UA為正,輸出UO為負的全波檢波信號,實現(xiàn)相敏檢波,電容C用來濾除高頻成分,最終獲得調(diào)制信號。

3 測量精度提高

為了實現(xiàn)微弱信號檢測,本文選擇差分放大的方式,并根據(jù)光的吸收定律朗伯—比爾定律(Lambert-Beer law),通過增加光程的方式來提高光的吸收率從而達到檢測到微弱光強變化的目的。

3.1 增加光程

根據(jù)朗伯—比爾定律，當(dāng)一束平行的單色光垂直照射一定濃度的吸光物質(zhì),入射光被吸光物質(zhì)吸收的程度與吸收層厚度和吸光物質(zhì)濃度成正比,而與透光度成反相關(guān)。定律的數(shù)學(xué)表達式為

(4)

由式(4)可以看出:摩爾吸光系數(shù)K和入射光強度Io不變情況下,增加吸收層厚度L,可以增加吸光度,光強的變化量ΔI=Io-I變大。即通過增加光程的方式可增加光強變化量,從而達到對更弱的煙霧濃度進行檢測。

考慮到實際應(yīng)用情況,提出可以采取應(yīng)用反光鏡的方式增加光程,達到既能增加吸收層厚度又不會增加器材體積的目的,增大光程[9,10]并且光程可調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖如3所示。

圖3 光程可調(diào)示意

如圖3所示,光源發(fā)射端經(jīng)過反射面進入由兩個相對的鏡面組成的光通道,射出的光經(jīng)過反射面反射,照射到信號接收端進行數(shù)據(jù)采集。采取此種反射的方式和直接對射相比大大增加了光程,而且,只要將反射面進行如圖方式轉(zhuǎn)動,還可以進行光程的改變,間接改變測量精度。

3.2 差分放大

由于硅光電池的光強與短路電流為線性響應(yīng),因此選用硅光電池作為光電轉(zhuǎn)換器件,因為自然光照射到硅光電池表面后,光電池也會有電流輸出,而在此基礎(chǔ)上濃度極低的煙霧對光電流的影響微乎其微,如果直接將電信號進行放大,難以檢測到微弱變化。因此選用差分吸收的方式對微弱信號[11]進行檢測,檢測過程如圖4所示。

圖4 差分放大

兩路解調(diào)信號分別為同相電壓和反向電壓,在沒有煙霧的環(huán)境中,兩者的電壓值符號相反絕對值相等,通過同相加法電路后進行調(diào)零,然后將同相端進行封閉,電壓值不變,反相端置于需要檢測的環(huán)境,當(dāng)有煙霧存在時,反相端的電壓絕對值變小,此時同相加法電路的輸出端將有正的電壓值輸出,此時的輸出只由煙霧的影響造成,將由自然光引起的光電流完全排除,最后再由放大電路進行放大,從而達到對微弱電信號進行檢測的目的。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 抗干擾性實驗數(shù)據(jù)分析

為了確定調(diào)制解調(diào)電路在煙霧檢測中的效果,進行了5次實驗進行驗證,保持吸收光程不變,任意調(diào)節(jié)煙霧環(huán)境端光源亮度,分別用干擾光照射硅光電池,觀察是否會對輸出產(chǎn)生影響,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用MATLAB繪制曲線如圖5所示。

圖5 抗干擾實驗曲線

應(yīng)用MATLAB計算兩條曲線的相關(guān)性為0.999 7,即加上干擾光,對于電壓輸出幾乎沒有影響,證明調(diào)制解調(diào)電路的應(yīng)用,可以排除外界干擾光對調(diào)制光源檢測的影響。

4.2 精度提高實驗數(shù)據(jù)分析

進行2組實驗分別驗證光程提高和差分放大對于檢測量精度提高的影響。第一組實驗分別選擇5個不同的光程,將實驗器材放置于相同體積分數(shù)氣室內(nèi),觀察輸出電壓值,實驗數(shù)據(jù):吸收光程為2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 cm時，電壓輸出為0,2.5,4.4,5.6,6.4 V。可以看出,在被檢測氣體濃度相同的情況下,光程增加,電壓的輸出值也隨之增加。當(dāng)檢測低濃度氣體時,可以通過增加光程的方式輸出變化量,因此,可以選擇增加光程的方式檢測更低濃度的氣體和煙霧,提高檢測精度。第二組實驗保持吸收光程不變,隨機向氣室內(nèi)充5次氣體,每次的初始狀態(tài)相同,5次增加的氣體體積分數(shù)依次增加,通過控制充氣時間控制,對比直接放大和差分放大兩種方式的輸入輸出變化量,結(jié)果如圖6所示。

由圖6可得,在光程和氣體濃度相同時,選擇差分放大的方式的電壓輸出變化量明顯大于直接放大方式下電壓輸出變化量。當(dāng)檢測低濃度氣體時,可以通過選擇差分放大的方式增加電壓輸出變化量,因此,在電路設(shè)計上可以選擇差分放大的方法檢測更低濃度的氣體和煙霧,提高檢測精度。

圖6 兩種放大方式對比

5 結(jié) 論

利用信號的調(diào)制與解調(diào),可以完全排除外界光源的干擾,因此可以去除煙霧報警器外殼,直接縮短檢測時間,并選用差分放大和增加光程的方法可以對更弱的煙霧信號進行檢測,提高檢測精度,實驗結(jié)果表明,該方法對于縮短報警時長和提高檢測精度有明顯效果。