超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)

1、    超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)    李晟摘要：設(shè)計(jì)一種帶保護(hù)功能的可以用于超早期火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)傳感器，介紹了光散射式傳感器的工作原理以及相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)其前置放大電路的工作原理進(jìn)行了分析。這種新型傳感器具有壽命長(zhǎng)，體積小，信噪比高，準(zhǔn)確度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：超早期；火災(zāi)報(bào)警；傳感器the design of sensor about ultra-early fire detection and alarm systemabstract: this paper introduces the ultra-early fire detec

2、tion and alarm system. and analysis the design principles and concepts of its sensor. it explains its advantages and prospects. ultra-early fire detection and alarm system works by detecting the smoke in the air using light scattering.keywords: ultra-early; fire alarm; sensor中圖分類號(hào)：s611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：0

3、 引言火災(zāi)的發(fā)展可分為四個(gè)階段：不可見煙（陰燃）階段、可見煙階段、可見火光階段和劇烈燃燒階段。圖1展示了火災(zāi)的整個(gè)過(guò)程。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)往往是在可見煙階段才能探測(cè)到煙霧而發(fā)出警報(bào)，此時(shí)火災(zāi)所帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失已經(jīng)不可避免。為了盡早的探測(cè)到煙霧，更快的發(fā)出報(bào)警，超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)一改傳統(tǒng)點(diǎn)式探測(cè)系統(tǒng)等煙霧飄散到探測(cè)器再進(jìn)行探測(cè)的方式，主動(dòng)對(duì)空氣進(jìn)行采樣探測(cè)，使保護(hù)區(qū)內(nèi)的空氣樣品被超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)內(nèi)部的吸氣泵吸入采樣管道，送到探測(cè)器進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)煙霧顆粒，立刻發(fā)出報(bào)警。從而盡早探測(cè)到火情以及時(shí)采取措施，減少滅火系統(tǒng)不必要的啟動(dòng)而保證工作不中斷，充分地爭(zhēng)取時(shí)間，保證人員安全

4、，并可在傳統(tǒng)探測(cè)方式不適宜的場(chǎng)合探測(cè)。1 超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理是利用光散射技術(shù)對(duì)空氣中的煙粒子進(jìn)行探測(cè)，具體的工作流程是空氣樣品經(jīng)由管道被抽氣泵抽進(jìn)探測(cè)器中，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器，灰塵被過(guò)濾掉后送入激光探測(cè)腔，空氣樣品被高穩(wěn)定的激光源所照射后探測(cè)信號(hào)送到控制顯示單元，光信號(hào)經(jīng)過(guò)處理器卡轉(zhuǎn)換成表示煙霧含量的光柱圖并顯示出來(lái)。圖2超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的工作原理示意圖超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要包括：進(jìn)氣口；輔助氣泵；進(jìn)氣過(guò)濾器；高效過(guò)濾器；激光傳感器；控制主機(jī)等組成。2超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)傳感器的工作原理本傳感器是利用激光束照射樣氣通道中經(jīng)過(guò)的煙氣流并在粒子上產(chǎn)

5、生散射光，集光反射鏡在一個(gè)較大的立體角范圍內(nèi)將粒子的散射光收集后成象在共軛象點(diǎn)上，經(jīng)消雜光光欄濾光后入射到光敏元件的光敏面上，輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大電路的放大以煙氣散射光強(qiáng)所轉(zhuǎn)化電脈沖幅值與無(wú)煙時(shí)的本底基準(zhǔn)作比較甄別后再經(jīng)運(yùn)算處理得出當(dāng)前的環(huán)境是否存在火災(zāi)報(bào)警圖3是傳感器的光路結(jié)構(gòu)示意圖我們?cè)O(shè)計(jì)保護(hù)氣套原理，只用一級(jí)過(guò)濾首先將煙塵和臟物濾掉，再使用保護(hù)氣套使空氣與光學(xué)完全隔離，以保持激光腔內(nèi)光學(xué)部件的清潔。圖3 傳感器的光路結(jié)構(gòu)示意圖傳感器包括：1進(jìn)氣口，2 輔助進(jìn)氣口，3 半導(dǎo)體激光器，4聚光透鏡，5光陷阱，6輔助出氣口，7 出氣口，8樣氣通道，9保護(hù)氣套，10檢測(cè)區(qū)域，11二次曲面成象集

6、光反射鏡，12消雜光光欄，13半導(dǎo)體光敏接受管。傳感器的樣氣通道與激光相交，其光敏區(qū)和半導(dǎo)體光敏管分別位于集光反射鏡的兩個(gè)共軛物象點(diǎn)處消雜光光欄位于半導(dǎo)體光敏管的前面。如圖3所示。光敏元件輸出的脈沖信號(hào)幅度與煙塵顆粒的等效直徑大小成正比。脈沖的數(shù)量則反映了顆粒的個(gè)數(shù)。一般常用的象質(zhì)評(píng)介方法有瑞利判斷，中心點(diǎn)亮度，分辨力，點(diǎn)列圖和光學(xué)傳遞函數(shù)。傳感器集光反射鏡要求在象面上的光能量越大越好由于點(diǎn)列圖中點(diǎn)的密集程度可衡量光能量大小，因此可以用點(diǎn)列圖來(lái)評(píng)介非球面反射鏡的象質(zhì)情況同時(shí)也反映了半導(dǎo)體光敏管接收的散射光能量分布情況。設(shè)計(jì)中采用了told9150型半導(dǎo)體澈光二極管作光源器件，波長(zhǎng)為683nm功

7、率p0=30mw。采用pin半導(dǎo)體光敏管元件該元件是在pn結(jié)中生成高阻抗的i層測(cè)試頻率f=1mhz結(jié)電容為520pf響應(yīng)波長(zhǎng)為660960 nm.3前置放大電路的設(shè)計(jì)煙塵顆粒所產(chǎn)生的散射光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)幅度的脈沖電壓信號(hào)其后續(xù)的計(jì)數(shù)運(yùn)算處理則依賴于光電轉(zhuǎn)換后的前置放大電路輸出的信號(hào)精度。由光敏管與前置放大電路實(shí)現(xiàn)光到電流到電壓的轉(zhuǎn)換和放大。為了提高對(duì)煙塵粒徑的檢測(cè)靈敏度研究中采用了較高功率(po=30mw)的半導(dǎo)體激光二極管作照射光源，激光光束由聚焦透鏡聚焦后樣氣通道上形成了光功率密度較高且較均勻的光敏區(qū)，照射流經(jīng)樣氣通道中的煙塵粒子。激光二極管對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的浪涌電流非常敏感，要求電源有良

8、好的濾波、去浪涌、軟起動(dòng)和最大電流限制的性能，輸出電流應(yīng)當(dāng)平頂且前后沿緩慢。通過(guò)示波器觀察在有煙塵圖4及無(wú)煙塵圖5如下圖4有煙塵信號(hào)圖圖5無(wú)煙塵信號(hào)圖設(shè)計(jì)中采用了在低偏壓下漏電流很小的pin型光敏管，響應(yīng)速度挾，頻響較寬。光敏管輸出的信號(hào)電流為微安級(jí)，前置放大電路轉(zhuǎn)換放大為信噪比較大的信號(hào)電壓。基本原理如圖6所示。圖6 前置放大電路4集光反射鏡的設(shè)計(jì)原理為了提高對(duì)煙塵顆粒散射光的檢測(cè)靈敏度，本設(shè)計(jì)改進(jìn)拋物面集光反射鏡為橢球面集光反射鏡，實(shí)現(xiàn)了二次曲面共軛成象，增強(qiáng)了散射光的有效聚集度，以便更好地適合在線檢測(cè)的需要。非球面集光反射鏡的設(shè)計(jì)原理：設(shè)x表示非球面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸y表示入射光線在非球面上的

9、高度則軸對(duì)稱非球面曲線可用下式表示：y2=a1x+a2x2或y2=2rx-(1-e2)x2一般在進(jìn)行非球面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量取最少的項(xiàng)數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樵黾禹?xiàng)數(shù)有時(shí)會(huì)給加工和檢驗(yàn)帶來(lái)更多的麻煩，或者做出的實(shí)物與曲線并不一致，所以實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)在很多情況下用二次曲面就可以了。式中：r-曲線頂點(diǎn)的曲率半徑；e2-曲線的偏心率平方即曲線的形狀系數(shù)。形狀系數(shù)與曲線性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：e2<e21。求出r和e2，非球面的面形就確定了，確定了旋轉(zhuǎn)橢球面的函數(shù)式便于集光反射鏡的加工和檢驗(yàn)5結(jié)論應(yīng)用新型的pin光敏元件和激光半導(dǎo)體發(fā)光管研究一種可以固定在線監(jiān)測(cè)和便攜式流動(dòng)監(jiān)測(cè)的小型化煙塵測(cè)定儀的傳感器。設(shè)計(jì)了pin光敏元件的前置放大電路和旋轉(zhuǎn)橢球反射鏡提出了一種光學(xué)粒子監(jiān)測(cè)裝置(opc)傳感器小型化及有保護(hù)氣套的方案。理論和實(shí)踐表明這種傳感器與現(xiàn)有技術(shù)比較既保持了原有優(yōu)點(diǎn)又具有體積小，重量輕功耗小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，易于調(diào)整且信噪比高的顯著特點(diǎn)。其關(guān)鍵性能指標(biāo)和體積微型化程度接近國(guó)外產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)1 閆麗華，基于pin型光敏元件的粉塵傳感器設(shè)計(jì) 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新20083：83-842 馬偉明,秦科雁.極早期火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)的分析研究j.蠀防科學(xué)與技術(shù)2000,19(3):33-36 3comeau.revamp琀梔攀椀爀猀愀昀攀