許偉健 ，張德勝 ，黃增波

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 裝備分院，北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

防火是煤礦安全生產(chǎn)工作的重中之重，而帶式輸送機(jī)的老化、打滑、堆煤、撕裂是導(dǎo)致煤礦發(fā)生火災(zāi)的重要誘因。2020 年9 月27 日，重慶松藻煤礦發(fā)生重大火災(zāi)事故，運(yùn)煤膠帶摩擦產(chǎn)生高溫和火星點(diǎn)燃沉積粉煤，最終導(dǎo)致重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡[1]。為吸取教訓(xùn)、避免類似事故發(fā)生，2021 年新發(fā)布的煤礦防滅火細(xì)則要求帶式輸送機(jī)工作相關(guān)位置應(yīng)設(shè)置煙霧傳感器[2]。

傳統(tǒng)的煙霧傳感器通常采用單一特征量作為監(jiān)測敏感源，易受水汽、灰塵干擾，不適用于煤礦井下的復(fù)雜使用環(huán)境[3]。近年來隨著傳感檢測技術(shù)的發(fā)展，一些抗干擾能力較強(qiáng)的基于多特征量的新技術(shù)方案逐漸投入應(yīng)用。梁光清提出利用離子式感煙、溫度、燃燒時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、一氧化碳（CO）、二氧化碳檢測構(gòu)建多信息識(shí)別智能煙霧傳感器[4]，采用多氣體特征量數(shù)據(jù)作為輔助檢測手段，抗干擾性能較好，但每引入一種氣體特征量，傳感器均需配置對(duì)應(yīng)的氣體敏感元件，過多氣體特征量的引入不僅極大提高了傳感器成本，也使傳感器整機(jī)體積難以控制，增加了使用和安裝的復(fù)雜性，且離子式感煙敏感元件具有放射性污染，已處于逐步淘汰階段；孫繼平提出利用傳統(tǒng)煙霧檢測技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別的多級(jí)混合傳感技術(shù)[5]，該技術(shù)符合當(dāng)下煤礦智能化發(fā)展的趨勢，但其對(duì)設(shè)備的邊緣計(jì)算能力或通信帶寬要求較高，且煤礦井下環(huán)境較為陰暗，必須為拍攝設(shè)備升級(jí)諸如補(bǔ)光、通訊、計(jì)算等一系列配套設(shè)備才能滿足視覺方法的圖片拍攝、數(shù)據(jù)傳輸、算法處理需求[6]，考慮國內(nèi)煤礦現(xiàn)有技術(shù)裝備平均水平，該技術(shù)應(yīng)用于煤礦火災(zāi)煙霧檢測場景的成本較高，現(xiàn)階段尚不適于大面積推廣；韓宙提出一種基于米式（Mie）散射理論和雙波長光電檢測的多參數(shù)火災(zāi)探測方法[7]，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同氣溶膠粒徑的區(qū)分識(shí)別，理論上具有良好的抗干擾性能；經(jīng)過近年發(fā)展，市場上已經(jīng)出現(xiàn)較為成熟、便于開發(fā)的商用敏感元件，且在體積、成本上得到了良好的控制。基于性能、成本、體積等因素考慮，雙波長光電煙霧探測法是開發(fā)新型煤礦用煙霧傳感器的理想之選。

工業(yè)現(xiàn)場調(diào)研顯示，目前市面上還未見已大量投入應(yīng)用的基于雙波長光電探測原理設(shè)計(jì)的煤礦用煙霧傳感器，雙波長光電感煙敏感元件對(duì)煤礦環(huán)境普遍存在的大量煤塵、水汽等干擾氣溶膠的識(shí)別情況及其應(yīng)對(duì)持續(xù)的通風(fēng)流和早期陰燃微弱煙的特別監(jiān)測需求[8]的性能表現(xiàn)尚屬未知。為此，針對(duì)以上問題，通過仿真試驗(yàn)具體驗(yàn)證了雙波長光電感煙敏感元件（下稱敏感元件）監(jiān)測煤礦環(huán)境典型干擾氣溶膠時(shí)的表現(xiàn)，測試了敏感元件應(yīng)對(duì)煤礦環(huán)境通風(fēng)流影響及早期微弱煙檢測需求時(shí)存在的問題，通過引入波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法、定義混疊區(qū)并引入CO 氣體濃度輔助監(jiān)測手段提出了一種基于雙波長光電感煙的多特征量煤礦火災(zāi)煙霧監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了技術(shù)原型機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了煤礦環(huán)境火災(zāi)煙霧的準(zhǔn)確識(shí)別，提高了監(jiān)測的可靠性。

1 雙波長光電感煙技術(shù)煤礦場景應(yīng)用試驗(yàn)

1.1 雙波長光電感煙技術(shù)基本原理

雙波長光電感煙敏感元件的基本結(jié)構(gòu)如圖1。在光學(xué)暗室中按一定角度分別布置A、B 2 通道的發(fā)射光及接收裝置，其中通道A 為藍(lán)光，通道B為紅（紅外）光。A、B 2 通道的發(fā)射光經(jīng)散射后由接收裝置C 接收。

圖1 雙波長光電感煙敏感元件基本結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Basic structure of dual wavelength photoelectric smoke sensing element

根據(jù)氣溶膠光學(xué)Mie 散射理論[9]，當(dāng)散射角、接收孔徑、2 通道發(fā)射光的波長確定，且處于相同中值粒徑和濃度的氣溶膠中時(shí)，藍(lán)光通道的散射光功率Ps與紅外光通道的散射光功率PL的接收光功率比值R符合式（1）的氣溶膠中值粒徑的函數(shù)：

式中：f(d)為 粒徑分布函數(shù)；Pλ（d,λ,m）為單個(gè)煙霧氣溶膠粒子的散射Mie 散射光強(qiáng)；d為粒徑；λs為 藍(lán)光通道入射光波長； λL為紅光通道入射光波長；m為粒子的折射率。

根據(jù)式（1），選擇藍(lán)光、紅外光作為檢測光時(shí)[10]，雙波長光電感煙敏感元件雙通道散射光功率的比值與煙霧氣溶膠中值粒徑呈單調(diào)遞減關(guān)系，此時(shí)獲取到的雙通道光功率比值與被測氣溶膠的中值粒徑水平具有特定的數(shù)值關(guān)系，可用于表征被測氣溶膠的成分[11]。

研究表明：常見火災(zāi)煙霧氣溶膠的中值粒徑值絕大部分小于1 μm[12],而灰塵、煤塵、水霧氣溶膠的中值粒徑大于1 μm[13]。故對(duì)于雙波長光電式煙霧檢測敏感元件而言,理論上可以找到氣溶膠中值粒徑為1 μm 時(shí)對(duì)應(yīng)的雙波長敏感元件藍(lán)光、紅外光雙通道響應(yīng)比值δ作為閾值，當(dāng)測得的藍(lán)/紅雙通道散射光功率比值大于此閾值δ時(shí)，被測煙霧為火災(zāi)煙霧，反之為非火災(zāi)干擾煙霧。

1.2 煤礦場景常見干擾氣溶膠識(shí)別測試

為驗(yàn)證雙波長光電感煙敏感元件能否有效區(qū)分煤礦場景常見干擾氣溶膠及常見火災(zāi)氣溶膠，并重點(diǎn)研究雙波長光電感煙敏感元件（下稱敏感元件）在早期火災(zāi)煙霧檢測中的表現(xiàn)，參考MT 382—2011 礦用煙霧傳感器通用技術(shù)條件[14]設(shè)計(jì)了可體現(xiàn)煙霧濃度從小到大變化時(shí)敏感元件響應(yīng)狀況的測試工裝（下稱自制工裝），自制工裝示意圖如圖2。

圖2 自制工裝示意圖Fig.2 Diagram of self-manufactured module

煙箱上覆蓋板，一側(cè)設(shè)置可放入燃燒物的容器作為發(fā)煙源，煙源旁設(shè)置1 個(gè)小型風(fēng)扇用于勻煙。使用亞諾德半導(dǎo)體公司推出的ADPD188BI 型雙波長光電感煙敏感元件作為檢測模塊。該敏感元件配有專用光學(xué)暗室，并具有藍(lán)光（波長470 nm）/紅外光（波長850 nm）2 個(gè)光電響應(yīng)通道。檢測煙霧時(shí)，每通道均可產(chǎn)生正比于當(dāng)前煙霧濃度的響應(yīng)。檢測模塊及其余輔助檢測傳感器置于煙箱另一側(cè)。發(fā)煙源完成點(diǎn)火達(dá)到預(yù)定狀態(tài)后放入煙箱中的預(yù)定位置并蓋好蓋板，記錄煙霧逐漸增大過程中敏感元件獲取到的藍(lán)通道/紅外通道單通道響應(yīng)值及雙通道的響應(yīng)比例值，并記錄輸出趨于平穩(wěn)時(shí)的雙通道響應(yīng)比例值。檢測模塊單通道的響應(yīng)值以功率傳輸比（PTR,Power Transmission Ratio）值表示，為敏感元件光學(xué)暗室中返回到接收裝置的光功率除以LED 發(fā)射的光功率，單位為nW/mW。亞諾德公司的數(shù)據(jù)手冊顯示，PTR 值表征考慮了敏感元件本身采樣脈沖、電流、平均值等設(shè)置后的煙霧濃度水平，修改敏感元件配置，通道的PTR 值不受影響[15]。

試驗(yàn)選取了GB 4715 標(biāo)準(zhǔn)、MT 382 標(biāo)準(zhǔn)中的典型火災(zāi)煙霧及常見干擾煙霧[16]作為測試源，以敏感元件輸出趨于平穩(wěn)時(shí)的雙通道響應(yīng)比例值作為有效數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行5 次試驗(yàn)后取得有效數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果， ADPD188BI 模塊響應(yīng)測試試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 ADPD188BI 模塊響應(yīng)測試試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of ADPD188BI module response

分析表1 的試驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）利用藍(lán)光通道/紅外光通道雙通道響應(yīng)比例值作為特征量，雙波長光電式感煙敏感元件可以成功區(qū)分煤礦應(yīng)用環(huán)境中的火災(zāi)煙霧與水汽、煤塵等常見非火災(zāi)干擾煙霧。

2）存在1 個(gè)藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例閾值（下稱閾值），測試煙對(duì)應(yīng)結(jié)果大于此閾值即為火災(zāi)煙霧，反之為非火災(zāi)煙霧，根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，此閾值可在1.2～1.4 之間取得。

3）部分火災(zāi)煙霧與非火災(zāi)煙霧雙通道響應(yīng)比例值較為接近（如水汽與陰燃聚氨酯泡沫塑料），考慮正常使用時(shí)的誤差影響，在此情況下單獨(dú)使用閾值作為判據(jù)可能存在誤判，應(yīng)以適當(dāng)方式引入輔助判據(jù)。

1.3 煤礦環(huán)境早期煙霧監(jiān)測性能驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)選用圖2 的試驗(yàn)工裝，選定覆蓋材料為聚氯乙烯（PVC）的帶式輸送機(jī)傳送帶（以下簡稱傳送帶）截取件燃燒的陰燃煙研究雙波長敏感元件在煤礦環(huán)境早期煙霧監(jiān)測場景中的性能表現(xiàn)。重復(fù)試驗(yàn)5 次，自制工裝傳送帶陰燃單通道響應(yīng)如圖3，自制工裝傳送帶陰燃藍(lán)道/紅外道響應(yīng)比例如圖4。

圖3 自制工裝傳送帶陰燃單通道響應(yīng)Fig.3 Mono-channel response of conveyor belt smoldering in self-manufactured module

圖4 自制工裝傳送帶陰燃藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例Fig.4 Blue/infrared channel response ratio of conveyor belt smoldering in self-manufactured module

圖4 中，在試驗(yàn)的早期階段，敏感元件輸出的藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例值波動(dòng)較大；隨著試驗(yàn)進(jìn)行，煙霧濃度逐漸增大，響應(yīng)比例值逐漸趨于平穩(wěn)。分析圖3 可知，在煙霧濃度水平較低的早期階段，敏感元件輸出的紅外通道響應(yīng)值很小。作為響應(yīng)比例值計(jì)算的分母，此時(shí)其微小變化也可導(dǎo)致藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例值出現(xiàn)較大波動(dòng)。當(dāng)設(shè)置響應(yīng)比例值與1 個(gè)固定閾值相比較而判斷煙霧性質(zhì)時(shí)，敏感元件響應(yīng)火災(zāi)早期煙霧而存在的這種較大的波動(dòng)將可能導(dǎo)致誤判。此時(shí)應(yīng)適當(dāng)引入其他在火災(zāi)發(fā)生早期階段較為活躍、易于識(shí)別的特征量用于輔助判斷。

1.4 煤礦環(huán)境持續(xù)通風(fēng)流影響驗(yàn)證試驗(yàn)

為模擬煤礦環(huán)境的通風(fēng)流對(duì)敏感元件輸出的影響，使用符合MT 382 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的煙霧測試工裝進(jìn)行試驗(yàn)，煙霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)工裝示意圖如圖5。

工裝分上下煙箱2 部分。下煙箱接在環(huán)形風(fēng)洞中，陰燃的傳送帶煙霧隨風(fēng)洞中的風(fēng)流循環(huán)吹過，當(dāng)下煙箱的煙霧遮蔽水平達(dá)5%obs/m 時(shí)，上下煙箱的連接翻板打開，上煙箱中的原型機(jī)下降到下煙箱中。重復(fù)進(jìn)行5 次試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)工裝傳送帶陰燃藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例如圖6。

分析圖6 中的結(jié)果可知，受持續(xù)吹過的風(fēng)流影響，敏感元件輸出的藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例值出現(xiàn)波動(dòng)，且波動(dòng)的幅度較大，此時(shí)使用單一的響應(yīng)比例值作為閾值容易造成誤判。但由于風(fēng)流在短時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定[17]，波動(dòng)本身并非雜亂無章，可嘗試通過合理的數(shù)據(jù)處理減弱此波動(dòng)的影響，得到代表當(dāng)前煙霧性質(zhì)的響應(yīng)比例值，正確完成煙霧性質(zhì)的判別。

1.5 綜合分析

通過以上驗(yàn)證試驗(yàn)及對(duì)早期火災(zāi)煙霧、風(fēng)流影響的測試可知，雙波長光電式感煙敏感元件應(yīng)用于煤礦環(huán)境時(shí)，可以成功區(qū)分常見的火災(zāi)及非火災(zāi)氣溶膠，但當(dāng)輸出的雙通道響應(yīng)比例值處于煙霧性質(zhì)判斷閾值附近時(shí)，由于多種原因造成的波動(dòng)，敏感元件對(duì)煙霧性質(zhì)的分辨可能出現(xiàn)誤判。應(yīng)設(shè)置輔助監(jiān)測手段增強(qiáng)其對(duì)早期火災(zāi)煙霧的識(shí)別能力，并采用合理的數(shù)據(jù)處理手段適應(yīng)風(fēng)流對(duì)煙霧形態(tài)的影響，提高其判斷、報(bào)警的準(zhǔn)確性。

2 針對(duì)煤礦應(yīng)用場景的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法

分析圖4、圖6 的數(shù)據(jù)可知，早期火災(zāi)煙霧的特性、風(fēng)流的影響雖然使雙通道相應(yīng)比例值R有較大波動(dòng)，但由于其煙霧本身的性質(zhì)不變，此波動(dòng)圍繞著1 個(gè)中間值R0展開，則R0可作為代表此煙霧特性的特征比例值。此時(shí)除少數(shù)存在粗大誤差的數(shù)據(jù)外，其余數(shù)據(jù)在R0兩側(cè)按一定規(guī)律分布?？稍O(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)處理機(jī)制計(jì)算出R0。此數(shù)據(jù)處理機(jī)制需能夠剔除波動(dòng)中存在的粗大誤差，同時(shí)符合礦用煙霧傳感器的實(shí)時(shí)性要求，且計(jì)算量應(yīng)與礦用傳感器使用的嵌入式微控制器（MCU）的計(jì)算能力相一致。

設(shè)置敏感元件輸出方式，使其每1 s 輸出1 個(gè)雙通道響應(yīng)比例值，此比例值為1 s 內(nèi)獲得數(shù)據(jù)的平均值。連續(xù)采樣7 s，有結(jié)果集：{R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7} 。

結(jié)果集中，R1～R7為按絕對(duì)值從小到大排序的采樣結(jié)果。由于波動(dòng)的影響，此結(jié)果中最大值及最小值可能存有粗大誤差。綜合考慮粗大誤差的性質(zhì)和煙霧監(jiān)測應(yīng)用環(huán)境的數(shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)性要求以及MCU 的計(jì)算能力，應(yīng)使用狄克松準(zhǔn)則[18]進(jìn)行粗大誤差的檢驗(yàn)與剔除。

由7 s 內(nèi)帶排序的數(shù)據(jù)結(jié)果集可計(jì)算出統(tǒng)計(jì)量：

式中：r10為R7的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量；r10'為R1的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。

取檢驗(yàn)顯著度為0.05，由狄克松準(zhǔn)則臨界值表可得，當(dāng)r>0.507，認(rèn)為對(duì)應(yīng)的測量值存在粗大誤差[19]，應(yīng)予剔除。重復(fù)此過程，直到所有粗大誤差均被剔除。剔除粗大誤差后，剩余藍(lán)紅響應(yīng)比例值的算術(shù)平均值即為R0。

圖4 數(shù)據(jù)經(jīng)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法剔除粗大誤差后的輸出如圖7，圖6 數(shù)據(jù)經(jīng)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法剔除粗大誤差后的輸出如圖8。

圖7 圖4數(shù)據(jù)經(jīng)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法剔除粗大誤差后的輸出Fig.7 Output of data in Fig.4 after coarse errors eliminated by fluctuation data processing algorithm

圖8 圖6數(shù)據(jù)經(jīng)波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法剔除粗大誤差后的輸出Fig.8 Output of data in Fig.6 after coarse errors eliminated by fluctuation data processing algorithm

對(duì)比處理前后的數(shù)據(jù)可見，敏感元件輸出的藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例曲線的波動(dòng)情況得到了改善，但仍存在一定程度的波動(dòng)。若處理后的波動(dòng)位于設(shè)置的火災(zāi)煙霧判斷閾值附近，則需引入新的判據(jù)進(jìn)行處理。

2.2 混疊區(qū)的定義與判斷

由1.2 節(jié)的討論可知，當(dāng)雙波長光電敏感元件應(yīng)用于非煤礦環(huán)境時(shí)，可設(shè)置1 個(gè)閾值δ，當(dāng)敏感元件輸出的雙通道響應(yīng)比例值大于此閾值時(shí)，當(dāng)前煙霧為火災(zāi)煙霧，反之為非火災(zāi)煙霧；當(dāng)敏感元件應(yīng)用于在煤礦環(huán)境中時(shí)，當(dāng)計(jì)算得到的R0在閾值δ附近波動(dòng)時(shí)，敏感元件無法準(zhǔn)確判斷當(dāng)前煙霧是否為火災(zāi)煙霧。

定義區(qū)間[δ1,δ2]。

當(dāng)：R0∈{（0,δ1）∩（δ2, +∞）}，可以正確判斷煙霧性質(zhì)。即當(dāng)R0小于δ1時(shí)，當(dāng)前煙霧為非火災(zāi)煙霧；R0大于δ2時(shí)，當(dāng)前煙霧為火災(zāi)煙霧。

而當(dāng)：R0∈[δ1,δ2]，使用單一的閾值δ判斷煙霧性質(zhì)可能存在誤判，稱此區(qū)間[δ1,δ2]為混疊區(qū)。

由表1 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，敏感元件對(duì)火災(zāi)與非火災(zāi)煙霧的響應(yīng)比例區(qū)分界線在區(qū)間[1.2, 1.4]中，則實(shí)際應(yīng)用可取δ =1.3。

考慮敏感元件的響應(yīng)在早期煙霧檢測場景中的波動(dòng)及風(fēng)流對(duì)敏感元件雙通道響應(yīng)比例值的影響，應(yīng)設(shè)置一定裕度以降低誤報(bào)。參照圖4、圖6 的數(shù)據(jù)，取20%裕度[20]。計(jì)入裕度后，有：δ1=1.04，δ2=1.56；由此可知，混疊區(qū)取[1.04，1.56]即可。

當(dāng)R0處于混疊區(qū)中時(shí)，需引入其它判據(jù)增加煙霧性質(zhì)判斷的準(zhǔn)確性。

2.3 一氧化碳體積分?jǐn)?shù)輔助判據(jù)引入

由第1.5 節(jié)中的結(jié)論可知，導(dǎo)致敏感元件在早期火災(zāi)監(jiān)測場景中輸出的R0處于混疊區(qū)的原因是R0存在波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)選擇2 種（火災(zāi)/非火災(zāi)）煙霧產(chǎn)生時(shí)表現(xiàn)出明顯差異的特征量作為輔助判據(jù)。研究表明，一氧化碳（CO）氣體含量在火災(zāi)發(fā)生早期會(huì)大幅上升，而在非火災(zāi)煙霧中含量極低[21]，且礦用帶式輸送機(jī)常用材料熱解或燃燒時(shí)產(chǎn)生的CO 含量遠(yuǎn)大于平常水平[22]。雖然煤層氧化時(shí)同樣可能產(chǎn)生大量CO，但本判據(jù)可以在先行判明存在煙霧的條件下再作為輔助判據(jù)使用，因而能避免在該情形下造成誤報(bào)。使用CO 氣體體積分?jǐn)?shù)作為輔助判據(jù)不僅滿足界定火災(zāi)與非火災(zāi)煙霧氣溶膠的需求，還可增強(qiáng)傳感器對(duì)早期火災(zāi)的檢測能力，使其對(duì)煤礦應(yīng)用場景具有更好的適應(yīng)性。

目前煤礦環(huán)境常見的CO 傳感器多采用基于電化學(xué)原理的敏感探頭，其具有精度高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，但也有檢測易受烷類氣體、礦井風(fēng)速、溫度與壓力變化影響的問題存在，且實(shí)時(shí)性相對(duì)不高[23]。鑒于煙霧傳感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求其要在煙霧濃度達(dá)到規(guī)定條件后的20 s 內(nèi)做出響應(yīng)，使用了定制的基于NDIR 紅外吸收檢測原理的CO 敏感元件并搭配微型氣泵進(jìn)行抽氣檢測，在降低了風(fēng)速、壓力、溫度變化帶來影響的同時(shí)提高了敏感元件的響應(yīng)速度。

使用煙霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)工裝再次進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工裝煙霧試驗(yàn)，將CO 敏感元件置于緊貼煙霧敏感元件的位置，其余條件和方法與之前試驗(yàn)相同。記錄工裝內(nèi)煙霧達(dá)到5% obs/m 后20 s 時(shí)CO 敏感元件的輸出，重復(fù)測定5 次，取平均值20.4 ×10-6作為煙霧傳感器應(yīng)報(bào)警時(shí)CO 的參考體積分?jǐn)?shù)C0。

引入CO 氣體體積分?jǐn)?shù)作為輔助檢測手段，CO 傳感器每秒記錄1 個(gè)氣體體積分?jǐn)?shù)有效數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測的煙霧處于混疊區(qū)即觸發(fā)CO 體積分?jǐn)?shù)輔助判據(jù)。此時(shí)若CO 體積分?jǐn)?shù)滿足以下條件，則認(rèn)為環(huán)境中存在CO 氣體且有體積分?jǐn)?shù)增大的趨勢，存在火災(zāi)煙霧，否則認(rèn)為該煙霧為干擾煙霧：

至此，通過設(shè)置波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法，定義煙霧性質(zhì)混疊區(qū)的概念，并引入CO 氣體體積分?jǐn)?shù)輔助監(jiān)測手段，設(shè)計(jì)了基于雙波長光電感煙的多特征量煤礦火災(zāi)煙霧監(jiān)測方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)對(duì)煤礦環(huán)境風(fēng)流影響及早期陰燃煙監(jiān)測需求優(yōu)化不足的問題。

3 樣機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 樣機(jī)硬件

樣機(jī)硬件原理框圖如圖9。

圖9 樣機(jī)硬件原理框圖Fig.9 Hardware functional block diagram of prototype

樣機(jī)核心MCU 選用STM32F412RET6 單片機(jī)。本安電源通過濾波及電壓轉(zhuǎn)換后由本安保護(hù)電路提供本質(zhì)安全保護(hù)，并輸出3 路電壓；1 路5 V為CO 敏感元件供電，1 路3.3 V 為單片機(jī)及外圍存儲(chǔ)、遙控、顯示模塊供電，1 路1.8 V 為雙波長光電感煙模塊供電。

雙波長光電感煙模塊與CO 氣體體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測模塊分別通過I2C 及串口以數(shù)字信號(hào)的形式將測得數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)。單片機(jī)可通過I2C 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)操作，通過SPI 接口驅(qū)動(dòng)遙控模塊完成遙控操作，并由串口輸出監(jiān)測情況至顯示模塊的顯示屏進(jìn)行監(jiān)測情況的顯示。

3.2 樣機(jī)軟件

樣機(jī)軟件基本流程圖如圖10。圖10 展示了樣機(jī)完成1 次檢測的基本流程。

圖10 樣機(jī)軟件基本流程圖Fig.10 Software basic flow chart of prototype

利用雙波長光電煙霧敏感元件、CO 敏感元件獲取檢測原始信息。樣機(jī)通過檢測煙霧敏感元件收到的藍(lán)光單通道響應(yīng)PTR 值來識(shí)別是否存在煙霧。連續(xù)記錄藍(lán)光通道的響應(yīng)值3 s，每秒輸出1個(gè) 平 均 值，計(jì) 為a1、a2、a3，若 滿 足：{a1、a2、a3}∈ [β1,+∞）， 則認(rèn)為存在煙霧。式中： β1為煙霧敏感元件在MT 382—2011 中規(guī)定的棉繩點(diǎn)燃試驗(yàn)中于穩(wěn)定的5% obs/m 的煙霧內(nèi)測得的藍(lán)光通道響應(yīng)PTR 有效值。

當(dāng)存在煙霧時(shí)，按2.1 中的方法進(jìn)行針對(duì)煙霧波動(dòng)數(shù)據(jù)的處理。處理完成后，按2.2 中的方法進(jìn)行混疊區(qū)的判斷，若獲取到的待測煙霧藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例值處于非混疊區(qū)，則可根據(jù)設(shè)置好的報(bào)警閾值進(jìn)行煙霧性質(zhì)的判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行報(bào)警或發(fā)送非火災(zāi)煙提示；若響應(yīng)比例值處于混疊區(qū)，則按2.3 中的方法借助獲取到的CO 數(shù)據(jù)進(jìn)行煙霧性質(zhì)的判斷并發(fā)送報(bào)警或非火災(zāi)煙提示。

當(dāng)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)后，樣機(jī)繼續(xù)記錄當(dāng)前待測煙霧的藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)。當(dāng)7 s 內(nèi)獲取到的每秒藍(lán)光通道響應(yīng)PTR 有效平均值均小于β1時(shí)，認(rèn)為煙霧已經(jīng)散去，可以取消報(bào)警。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

新技術(shù)樣機(jī)制作完成后，與使用基于傳統(tǒng)光電感煙技術(shù)制成的某型煙霧傳感器一起進(jìn)行了對(duì)照驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括符合MT 382—2011 標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)時(shí)間、塵氣流、閃光干擾試驗(yàn)，并使用加濕器作為水汽干擾源補(bǔ)充了高濃度水汽干擾試驗(yàn)（高擋位，持續(xù)10 min），使用粉塵風(fēng)洞和粒徑大于10 μm 的煤塵補(bǔ)充了高濃度通風(fēng)流粉塵干擾試 驗(yàn)（風(fēng) 速8 m/s，粉 塵 濃 度200 mg/m3，持 續(xù)10 min）。2 項(xiàng)補(bǔ)充試驗(yàn)用于驗(yàn)證樣機(jī)對(duì)煤礦環(huán)境常見干擾因素的抗干擾能力。重復(fù)進(jìn)行5 次試驗(yàn)，記錄響應(yīng)時(shí)間的平均值和誤報(bào)警的次數(shù)，新技術(shù)樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表2，對(duì)照組驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 新技術(shù)樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Verification test results of new prototype

表3 對(duì)照組驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Verification test results of control group

對(duì)比數(shù)據(jù)可知，對(duì)照組樣機(jī)在補(bǔ)充的高濃度水汽和粉塵流干擾試驗(yàn)中發(fā)出了誤報(bào)警，新技術(shù)樣機(jī)則表現(xiàn)良好，表明其對(duì)煤礦環(huán)境常見干擾因素的抗擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)路線煙霧傳感器。

5 結(jié) 語

綜合考慮成本、性能等因素，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，雙波長光電感煙技術(shù)是目前開發(fā)煤礦火災(zāi)煙霧傳感器良好的選擇。其可通過分析藍(lán)光通道/紅外光通道響應(yīng)比例值區(qū)分煤礦應(yīng)用場景中常見的煤塵、水汽等干擾氣溶膠與火災(zāi)煙霧，但必須針對(duì)風(fēng)流影響、早期陰燃煙等煤礦場景特殊監(jiān)測需求做進(jìn)一步優(yōu)化；敏感元件在監(jiān)測煤礦應(yīng)用場景早期煙霧及應(yīng)對(duì)環(huán)境中普遍存在的持續(xù)風(fēng)流影響時(shí)，其輸出數(shù)據(jù)可能存在較大波動(dòng)，此波動(dòng)可能導(dǎo)致煙霧性質(zhì)的誤判，可通過建立波動(dòng)數(shù)據(jù)處理機(jī)制減少波動(dòng)數(shù)據(jù)的負(fù)面影響；雙波長敏感元件的輸出在經(jīng)上述波動(dòng)數(shù)據(jù)處理算法初步處理后剔除了大部分粗大誤差，但數(shù)據(jù)輸出仍在小區(qū)間內(nèi)存在一定波動(dòng)，特別是在進(jìn)行早期火災(zāi)煙霧的監(jiān)測時(shí)，此波動(dòng)將更加明顯。當(dāng)此波動(dòng)存在于煙霧性質(zhì)判斷閾值附近時(shí)仍會(huì)影響煙霧性質(zhì)的判斷，可通過定義煙霧性質(zhì)判斷閾值混疊區(qū)，并引入CO 氣體體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測輔助手段進(jìn)行混疊區(qū)的判斷，優(yōu)化雙波長敏感元件在煤礦場景應(yīng)用時(shí)的表現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，采用新技術(shù)的制成的樣機(jī)應(yīng)用于煤炭環(huán)境時(shí)，其抗水汽、煤塵干擾能力優(yōu)于傳統(tǒng)光電式煙霧傳感器。

由于礦用柴油膠輪車的尾氣顆粒平均粒徑小于1 μm，且其中含有大量CO 氣體，現(xiàn)階段本技術(shù)樣機(jī)應(yīng)用于膠輪車經(jīng)過的場景中時(shí)可能產(chǎn)生誤報(bào)。可根據(jù)在一定條件下敏感元件的輸出在大小和時(shí)間2 個(gè)維度上的表現(xiàn)并結(jié)合周邊溫度變化情況建立判斷是否有膠輪車經(jīng)過的模型。條件所限，本研究尚未對(duì)此問題展開深入分析，可以按照此思路做進(jìn)一步的研究。