陳 磊，金 愷，黃光明，王 敏

（華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引 言

感煙式火災(zāi)探測(cè)器由于探測(cè)效率高、成本低等優(yōu)勢(shì)成為了市面上使用最普遍的類型。感煙式探測(cè)器又可分為離子式感煙探測(cè)器和光電式感煙探測(cè)器，離子式感煙探測(cè)器內(nèi)含放射元素，會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成危害，因此光電式探測(cè)器成為了市場(chǎng)的主流產(chǎn)品［1～4］。但是傳統(tǒng)的光電式感煙探測(cè)器仍存在缺陷：探測(cè)器通過(guò)判斷接收裝置的光散射強(qiáng)度觸發(fā)報(bào)警，干擾顆粒（如水蒸氣等）與火災(zāi)顆粒同樣具備光散射能力，均會(huì)觸發(fā)報(bào)警［4］。傳統(tǒng)的光電式探測(cè)器使用單發(fā)單收形式，僅能接收單波長(zhǎng)的散射光信號(hào)，這種探測(cè)方式采集的信息量單一，干擾顆粒也可能達(dá)到觸發(fā)報(bào)警的條件，因而不能排除誤報(bào)。市面上的雙發(fā)單收光電式煙霧探測(cè)器采用波長(zhǎng)為850 nm和940 nm 的紅外光源，由于波長(zhǎng)相近，并沒(méi)有較好地解決干擾顆粒的誤報(bào)問(wèn)題。為解決干擾顆粒誤報(bào)問(wèn)題，文獻(xiàn)［4］研究并設(shè)計(jì)了復(fù)合式煙霧探測(cè)器，使用多種火災(zāi)特征參量的傳感模塊，結(jié)合智能火災(zāi)判決算法，但使得煙霧探測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了探測(cè)器的成本；文獻(xiàn)［3］提出并設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)多參數(shù)火災(zāi)探測(cè)器，利用不同波長(zhǎng)的入射光獲取樣本氣溶膠的體積濃度、表面積濃度和Sauter平均粒徑以判決是否發(fā)生火災(zāi)，但其結(jié)構(gòu)由2 個(gè)波長(zhǎng)差距較大的發(fā)射管和1 個(gè)接收管組成，單一接收管在2 個(gè)波長(zhǎng)段的接收轉(zhuǎn)換效率差異較大，會(huì)影響對(duì)顆粒物的判斷。

在傳統(tǒng)雙發(fā)單收雙波長(zhǎng)光電式感煙探測(cè)器的基礎(chǔ)上增加一路光接收電路，各路均選用最佳接收波長(zhǎng)范圍覆蓋發(fā)射光波長(zhǎng)的接收管，解決單一接收管轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。選用波長(zhǎng)為468 nm的藍(lán)光與850 nm的紅外光為兩發(fā)兩收光電式感煙探測(cè)器的入射光源，利用藍(lán)光接收管和紅外光接收管接收的散色光功率，得到光學(xué)迷宮中氣溶膠顆粒的粒徑，區(qū)分正常煙霧和干擾顆粒，降低火災(zāi)誤報(bào)率。

1 兩發(fā)兩收雙波長(zhǎng)光電式火災(zāi)探測(cè)器原理

火災(zāi)顆粒與干擾顆粒具有不同的光散射能力?；馂?zāi)探測(cè)器接收散射光信號(hào)中包含了顆粒物的信息，研究火災(zāi)顆粒和干擾顆粒散色光信號(hào)的差異，可降低水蒸氣、灰塵等干擾顆粒引起的誤報(bào)［5～8］。文獻(xiàn)［4］中列舉出常見(jiàn)顆粒物的粒徑，如表1。由表1可以看出，火災(zāi)顆粒和干擾顆粒的粒徑具有較大差異。大部分火災(zāi)顆粒的粒徑在1 μm 及其以下，而水蒸氣、粉塵等干擾顆粒的粒徑遠(yuǎn)大于1 μm。

表1 常見(jiàn)顆粒物的粒徑

根據(jù)米氏（Mie）散射理論［9～11］，散射光強(qiáng)與粒子直徑d，入射光波長(zhǎng)λ，顆粒介質(zhì)折射率m和散射角θ，顆粒到接收點(diǎn)距離R都有關(guān)。當(dāng)顆粒的粒徑遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)時(shí)，散射情況處于瑞利散射區(qū)；當(dāng)顆粒的粒徑接近入射光波長(zhǎng)時(shí)，散射情況處于米氏散射區(qū)［3，4］。當(dāng)散射情況處于瑞利散射區(qū)時(shí)，近似散射光強(qiáng)度為

式中 I 為總散射光強(qiáng)，I0為自然光強(qiáng)。由式（1）可以看出，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)的4次方成反比，與顆粒粒徑的6次方成正比。

選用波長(zhǎng)為468 nm的藍(lán)光與850 nm 的紅外光為入射光源。由于顆粒物的折射率m 隨波長(zhǎng)λ 變化較小，對(duì)于2種波長(zhǎng)的光源可以近似相等；同時(shí)散射角θ不變且相同，因此式（1）中m，θ均可以看作常數(shù)。因?yàn)榛馂?zāi)顆粒粒徑在1 μm以下，因此適用瑞利理論分析近似散射光強(qiáng)度［6］?；馂?zāi)顆粒在瑞利（Rayleigh）散射區(qū)中的藍(lán)光散射強(qiáng)度和紅外光散色強(qiáng)度的比值如式（2）所示

式中 IB1為瑞利散射區(qū)中藍(lán)光散射強(qiáng)度，IR1為瑞利散射區(qū)中紅外光散射強(qiáng)度，R1為瑞利散射區(qū)中藍(lán)光散射強(qiáng)度與紅外光散射強(qiáng)度之比。當(dāng)火災(zāi)顆粒在米氏散射區(qū)時(shí)，紅外光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，小顆粒對(duì)紅外光的散射較弱，但是小顆粒對(duì)波長(zhǎng)較短的藍(lán)光有較強(qiáng)的散射，此時(shí)藍(lán)光和紅外光的散射光強(qiáng)比式（2）對(duì)應(yīng)數(shù)值11 更大［4］。可以看出：不同粒徑的火災(zāi)顆?；蛱幱谌鹄⑸鋮^(qū)（d?λB；d?λIR），或處于米氏散射區(qū)（d≈λB；d?λIR），對(duì)藍(lán)光與紅外光散射強(qiáng)度差距較大。

干擾顆粒的粒徑遠(yuǎn)大于入射光波長(zhǎng)，處于夫瑯禾費(fèi)（Fraunhofer）衍射區(qū)，對(duì)紅外光和藍(lán)光都具有較強(qiáng)散射作用，紅外光和藍(lán)光散射光強(qiáng)比值近似為1，可以認(rèn)為散色光強(qiáng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

2 結(jié)構(gòu)、電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1（a）所示，火災(zāi)煙霧探測(cè)器主要由外殼、防蟲(chóng)網(wǎng)、光學(xué)迷宮及印制電路板構(gòu)成。外殼和防蟲(chóng)網(wǎng)防止異物進(jìn)入到光學(xué)迷宮內(nèi)；光學(xué)迷宮下半部分有很多鋸齒形導(dǎo)煙通道，在防止外界光線射入的前提下引導(dǎo)煙霧顆粒進(jìn)入到迷宮腔內(nèi)；光學(xué)迷宮上半部存在一個(gè)1 cm×1.8 cm的矩形缺口，如圖1（b）所示，方便印制電路板板上的發(fā)射管和接收管暴露在光學(xué)迷宮腔內(nèi)；在發(fā)射管和接收管中間存在一個(gè)高度為2 mm的擋板，防止接收管在無(wú)煙狀態(tài)下飽和。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，兩發(fā)兩收雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)器電路主要包括光發(fā)射部分、光接收部分、微控制器部分組成。微控制器控制兩路LED 交替發(fā)光，接收管接收對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)光的散射光，經(jīng)過(guò)I-V變換后將顆粒粒徑信息傳至微控制器處理并判斷是否報(bào)警。

圖2 兩發(fā)兩收雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)器電路框

從性價(jià)比、低功耗等方面考慮選擇中國(guó)力源公司的CX32L003芯片作為系統(tǒng)的微控制器。該單片機(jī)是具有32位ARM Cortex—M0 ＋內(nèi)核的超低功耗、高性價(jià)比微控制器，集成12位1 Msps高精度SAR型ADC，深度休眠模式功耗僅為0.7 μA。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微處理器電路

圖4發(fā)射電路中紅外光LED 和藍(lán)光LED 應(yīng)選擇低電流高亮度類型。接收電路中為防止LMV358 長(zhǎng)時(shí)間工作，其供電采用MCU的IO口直接供電。

圖4 雙波長(zhǎng)兩發(fā)兩收火災(zāi)探測(cè)器光學(xué)電路

2.3 程序設(shè)計(jì)

微控制器交替發(fā)射周期約10 s的窄脈沖信號(hào)，其中脈沖寬度過(guò)大，會(huì)增大探測(cè)器功耗；脈沖寬過(guò)小，I-V變換輸出還未到峰值。實(shí)驗(yàn)表明，藍(lán)光驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度180 μs，紅外光驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度120 μs 最佳（圖5）。為防止LMV358上電瞬間影響I-V變換輸出，在藍(lán)光及紅外光驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖之間設(shè)置約20 μs間隔。

圖5 驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

測(cè)試探測(cè)器對(duì)A4紙、棉繩、CRC煙霧探測(cè)器測(cè)試劑和水蒸氣的響應(yīng)。如圖6所示，當(dāng)氣溶膠顆粒進(jìn)入探測(cè)器中，接收裝置接收藍(lán)光和紅外光的散射光功率（I-V變換輸出）變大。圖6（a）～（c）中氣溶膠顆粒為火災(zāi)顆粒，當(dāng)紅外光散射光功率增加0.2，藍(lán)光散射光功率增加0.6～1；圖7（a）～（c）中藍(lán)光與紅外光散射光功率變化之比大于2。圖6（d）中氣溶膠顆粒為水蒸氣干擾顆粒，當(dāng)紅外光散射光功率增加0.2，藍(lán)光散射光功率增加約0.2；圖7（d）中藍(lán)光與紅外光散射光功率變化之比接近于1。

圖6 不同顆粒物接收裝置散射光功率曲線

圖7 不同顆粒物藍(lán)光與紅外光散射光功率變化比值

上述實(shí)驗(yàn)表明，該探測(cè)器對(duì)火災(zāi)顆粒和水蒸氣的散射光功率比值差異大（火災(zāi)顆粒時(shí)藍(lán)光與紅外光散射光功率變化之比大于2；水蒸氣時(shí)藍(lán)光與紅外光散射光功率變化之比接近于1），說(shuō)明其可以有效區(qū)分火災(zāi)顆粒和干擾顆粒。功耗測(cè)試測(cè)得探測(cè)器靜態(tài)工作電流約1 μA。在發(fā)光周期10 s內(nèi)藍(lán)光、紅外光LED發(fā)光時(shí)間分別為180，115 μs，脈沖電流最大分別為36.5，55.5 mA，由此計(jì)算得到平均工作電流為2.29 μA。

4 結(jié) 論

提出并設(shè)計(jì)了一種兩發(fā)兩收雙波長(zhǎng)光電式火災(zāi)煙霧探測(cè)器。在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片器件選型等方面做到了簡(jiǎn)單與高性價(jià)比，該探測(cè)器實(shí)驗(yàn)表明，火災(zāi)顆粒和水蒸氣的散射光功率比值差異大，能判別水蒸氣干擾顆粒。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低，可以被廣泛地應(yīng)用生活環(huán)境中。