摘要：本文主要从光电感烟探测器原理、电路设计方面等方面论述本文主题，旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：探测器 原理 设计
光电感烟火灾探测器由于结构简单，成本低廉，又具有“环保”等特点，在激烈的市场竞争中，得到了广泛的应用。目前消防火灾报警系统中光电感烟探测器占有绝对多的数量，由于设计、加工工艺和安装使用环境等因素，使得光电感烟探测器在实际使用过程中容易产生失效和误报现象。因此提高光电感烟探测器的可靠性具有非常重要的意义。
光电感烟探测器是“主动”式探测器，其工作原理见图１。没有烟雾时，由于光学迷宫的特殊设计（即红外发光二极管与光电接收二极管的轴向夹角成钝角等等），光电接收二极管不能直接接收到红外发光二极管（在火灾报警领域主要采用红外波段，波长在９００ｎｍ左右）发射的光信号，当有火灾发生时，烟雾扩散到探测器的迷宫之内会对红外发光二极管的发射光产生散射，从而使光电接收二极管能够接收到散射光信号，光信号的大小标志着烟雾浓度，也标志着火灾燃烧的程度。从设计方面来说主要由以下几个方面组成，包括光学迷宫部分、红外检测信号放大处理等电路部分和软件部分。
1. 核心部件——光学迷宫
光学迷宫的主要功能是阻止外部的杂散光进入光电接收二极管的探测领域，吸收内部杂散光信号以降低本底，同时保证烟雾的通畅进入。总之，光学迷宫的作用是保证没有烟雾进入迷宫时放大器的输出信号（本底信号）最小，而当有烟雾进入迷宫时，光电接收二极管能接收到足够的被烟雾散射的光信号，然后经过放大和识别以形成报警信号，其工作原理见图2。目前市场上的光电感烟探测器基本上都是散射式光电探测器，根据散射角的大小分为前向散射、侧向散射和后向散射三种类型。散射角是光发射器与接收器在发射光线方向与接收的折射光线方向之间的夹角。前向散射就是采用散射角θ<90°的散射方式，后向散射就是采用散射角θ>90°散射方式。前向散射原理和后向散射原理各有自己的特点，前向散射式光电感烟探测器对白烟比较敏感，它对某些黑烟的探测效果较差，后向光电感烟探测器，利用粒子对光的后向散射原理探测烟雾散射光信号，经过适当的火灾信号处理算法，使探测器不仅对阴燃火有较高的探测灵敏度，而且能够探测到普通前向光电烟雾探测器难以响应的黑烟明火。目前市场上的前向光电感烟探测器为了能够通过国标GB4715-2005点型感烟火灾探测器中4种试验火的响应，基本都将探测器的灵敏度设定的很高，在实际的工地安装使用过程中容易因电磁干扰、灰尘等因素产生误报警。
对于不同入射光波长、不同尺寸的烟雾粒子其散射信号不同的原理，一般的烟雾粒径分布在0.001～4μm之间，变化范围为103，但是在上述范围内并不是平均分布的，绝大多数烟雾粒子属于中等粒径粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波长范围内，只有极少量属于小粒径粒子和大粒径粒子。中等粒径粒子在光作用下的响应符合Mie散射理论，其相对粒径和反射系数m与散射光强的关系如图3所示，从图中可以看到，不论粒径大小如何
图3 粒径和反射系数与光强的关系
变化，散射角θ<90°（前向）信号一般都大于散射角θ>90°（后向）信号，而且前向散射结构背景信号较弱，在制造上难度低，因此目前市场上绝大多数厂商使用前向迷宫。相对于前向散射来说，后向散射信号较弱，但对不同粒径信号的变化不象前向散射那么敏感，探测器的灵敏度可设置的较低，也可以正常响应国标GB4715-2005 中的4种试验火，在实际使用过程中对灰尘污染和抗干扰的能力较强。目前我公司设计的后向散射迷宫探测器，灵敏度N值要比前向迷宫探测器的灵敏度N值大一倍以上，均通过了沈阳消防研究所的各项检验。因此在光电感烟探测器中使用后向散射迷宫能适当提高探测器的稳定性。
另外在光学迷宫的设计中，需要考虑到灰尘积累对探测器工作稳定性的影响。探测器实际工作环境中灰尘导致探测器误报的现象占多数，我们曾做过相关的试验，在公司里作负载的探测器虽然没有特别防护，使用了近两年，但灰尘积累量只有工地现场探测器的17%。在工地现场的探测器由于在安装后到开通前的期间（这个期间有时是几天、有时可能长达几个月）受到装修、施工的侵扰，大量灰尘进入探测器内部（特别是防尘罩由于某些原因，例如位置高，以后不易摘除，而被过早摘除时），使背景信号的增大量在开通前超过了探测器自动补偿（跟踪）范围，补偿无法自动实现，甚至超过了预火警、火警限，导致误报。那些超出自动补偿范围但尚未达到预火警和火警限的探测器也会因灰尘的继续积累迟早一天达到并超过预火警和火警限，可见野蛮施工是造成误报的罪魁祸首。各部件灰尘积累对探测器背景信号增大的贡献率不同。工作于现场的探测器迷宫的贡献率为48%，公司里平放的探测器迷宫贡献率仅为9%；在现场工作的探测器光室贡献率仅为7%，而公司里平放的竟达46%。
以上情况说明：a）设计迷宫时应该考虑到遮光叶片的取向，最好是“背着”、而不是顺着、更不要迎着灰尘重力沉降的方向，即让灰尘不容易落在叶片的表面；b）遮光叶片加工时力求表面有尽量高的光洁度，c）另外，也是很重要的，就是要采用抗静电材料以削弱叶片对灰尘的静电吸附效应，目前采用的是一般的工程塑料（ABS），其静电吸附效应较强，因此在选材时也需要考虑到去静电效应。
2. 电路设计方面
图4显示了烟雾探测器的主要电路框图。烟雾信号放大后送到微处理器的端口，对这种火灾特征信号由微处理器进行模数转换，然后经软件数字滤波，由火灾探测算法软件进行处理，探测器运行参数和数据存放在微处理器自带的存储器中。电源管理电路从总线取得电能，为微处理器供电，并在微处理器的控制下，对放大器和红外光脉冲驱动器供电，放大器和红外脉冲驱动器供电脉冲的占空比非常大，对降低电能消耗和延长器件寿命有益。通信接口电路接收总线信号（控制器发出的寻址信号和命令）并发回本探测器的信息。
图4 烟雾探测器电路框图
在电路设计中，因烟雾传感信号非常微弱，基本都是毫伏级，因此在实际使用中非常容易受到外界电磁信号的干扰，对信号的放大和处理都非常关键，要求进行PCB设计时，需要考虑到模拟信号与数字信号的工地问题、小信号的走线和覆地问题，对红外接收管的脚间距需要重点处理，考虑漏电等情况。作为核心器件的红外光电对管的选型，也非常关键，由于较短波长的发光二极管量子效应降低，目前较普遍采用的是红光和红外光波长。如果发光二极管效能允许，应尽量采用波长较短的发光元件。光电对管的性能好坏，将直接影响到探测器的性能。我们在电路设计时需要考虑到环境温度对光电感烟探测器的影响，尤其是高温和低温对探测器性能的影响，因此选择具有相反温度特性的红外对管如图5所示，也能提高探测器在不同环境温度下工作的稳定性。
图5 红外对管的温度特性图
在探测器的正常运行过程中，我们设计的电路要进行探测器的传感器失效故障检测，如由于器件老化、传感器损坏和灰尘严重污染等原因引起探测器的传感部分工作不正常，不具备检测火灾烟雾能力时，探测器应能主动上报给控制器，提醒用户进行维修和更换。
3. 软件方面
一种好的探测器，不仅在探测原理与结构、元件的选用以及电路的设计上要做到科学合理，探测算法与信号处理手段的应用也很关键。将火灾发生的物理特征通过传感单元转化为电信号后，判断是否报警就需要火灾探测算法来实现。早期市场上绝大多数探测器厂商都采用接触式火灾探测算法，即阈值法，就是在传感器中设定一个阈值，如果检测到的参数高于这个设定值，探测器就会发出报警信号。环境变化会影响探测器的性能，固定的阈值探测器算法显然不合理，如探测器长期使用后受到灰尘污染导致背景信号变高，因此会影响探测器的灵敏度。基于这些因素目前大多数厂家采用了浮动式的判断阈值算法，使用这种探测算法的探测器通过跟踪环境变化影响的因素，自动调整阈值，从而保证更高的正确报警率。尤其是浮动式探测算法对灰尘污染补偿，具有很好的效果，能够延长探测器在实际工作环境中的维护时间。
在微处理器进行电信号的处理时，选择合理的滤波算法也非常重要，比如常见的算法有各种形式的趋势算法、斜率算法、持续时间算法、功率谱检测算法、神经网络算法等。产品制造商应根据自己产品特点采用合适的探测算法，来提高探测探测器响应性能。在探测器的实际使用过程中，当无真实的火灾产生时，对于干扰信号，我们希望探测器处理的慢些比较好，这样容易将干扰去除，不会产生误报警，而对于真实的火灾信号，我们又希望探测器能很快地报警出来，为人进行逃生赢得时间，因此探测器滤波和报警算法需要在报警的迅速性和工作稳定性间做平衡。另外火灾的发生是有一定规律的，通过大量的实验可以找出它在发生过程中各种物理特征变化的规律，再将探测器探测到的数据通过计算分析与我们掌握的规律进行对比，如果符合就发出报警信号，反之则说明没有火灾发生，这种方法我们暂称之为过程法。在软件算法的实现中如果将浮动式探测算法和过程判别法相结合，将能极大地提高探测器报警的可靠性和稳定性。
除了上述设计方面的因素外，在现实生活中潮湿、热气和灰尘成为光电感烟探测器的典型误报源，因此在生产过程中需要对生产工艺进行严格控制，对电路板进行“三防”处理也十分重要，否则在中国南方三、四月份经常出现的回潮天，潮气会对探测器的线路板和探测元件造成很大影响，造成电路板受潮短路或绝缘性能降低，导致光电感烟探测器出现误报和工作失效的现象。在生产过程中应对安装在电路板上的光学迷宫内壁进行“清洗”，防止生产过程中产生的灰尘或其它微小物质粘附在迷宫内壁造成影响。另外在用户安装使用过程中，要求用户定期对探测器进行清洗维护也是提高探测器运行可靠性的一部分。
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论文作者:刘福华
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/10
标签：探测器论文; 信号论文; 算法论文; 迷宫论文; 电感论文; 火灾论文; 烟雾论文; 《基层建设》2016年11期论文;