王 殊，鄧 田，竇 征，朱 明

(華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院,武漢,430074)

雙波長氣溶膠粒徑傳感方法及其火災(zāi)煙霧探測器

王 殊，鄧 田*，竇 征，朱 明

(華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院,武漢,430074)

提出了雙波長光散射氣溶膠粒徑傳感方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采用該方法的雙波長火災(zāi)煙霧探測器。使用短波長和長波長的雙波長光源，通過計(jì)算其光功率比值，利用其與中值粒徑的關(guān)系函數(shù)獲得氣溶膠粒徑，并根據(jù)不同粒徑下的氣溶膠濃度分別給出大小不同粒徑的火災(zāi)煙霧或干擾氣溶膠提示。因而，不僅可以有效區(qū)分大小不同粒徑的火災(zāi)煙霧氣溶膠，以正確探測火災(zāi)，而且能夠識別微米級的大粒徑干擾粒子，降低火災(zāi)誤報(bào)率，可以應(yīng)用于飛機(jī)等航空器空中密閉的特殊環(huán)境。

煙霧探測；氣溶膠粒徑；雙波長

0 引言

飛機(jī)等航空器是一個(gè)處于高空的小型密閉空間的特殊環(huán)境，裝載的儀器及電氣設(shè)備精密復(fù)雜，存在過流過熱等火災(zāi)隱患，貨艙中也可能存在火災(zāi)危險(xiǎn)且難以人工監(jiān)測。由于氣壓等原因，飛機(jī)火災(zāi)的燃燒狀態(tài)、燃燒產(chǎn)物以及對火情預(yù)警的性能要求等均與地面火災(zāi)有所不同。特別是誤報(bào)警難以人工確認(rèn)，一旦發(fā)生火災(zāi)會造成遠(yuǎn)高于地面的重大人員財(cái)產(chǎn)損失，因此亟需開發(fā)適用于飛機(jī)特殊需求的低誤報(bào)率的火災(zāi)探測系統(tǒng)?；馂?zāi)早期階段最明顯的特征產(chǎn)物是熱解氣溶膠，NASA的空間測量結(jié)果表明，燃燒煙霧氣溶膠大都處于亞微米量級，集中分布在100 nm～500 nm之間[1]，而非火災(zāi)氣溶膠如灰塵和水蒸氣等粒徑均大于1 μm[2]。光散射型火災(zāi)煙霧探測是火災(zāi)早期探測的主要方法，常用的紅外光電煙霧探測器對300 nm以下的粒子敏感度較低，對大于1 μm的干擾粒子響應(yīng)卻很強(qiáng)，因此并不能有效地用于探測飛機(jī)火災(zāi)隱患并易產(chǎn)生誤報(bào)警。普通的雙波長光電煙霧探測方法可以大致區(qū)分氣溶膠粒徑是否大于1 μm[3]，但不能傳感粒徑的具體大小。因此雖然可以減少非火災(zāi)氣溶膠的誤報(bào)警，但對均衡響應(yīng)大小粒子煙霧氣溶膠仍有不足。

我們在雙波長光電煙霧探測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，考慮到飛機(jī)等航空器煙霧探測的需要，提出了一種雙波長光散射氣溶膠粒徑傳感方法，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用該方法的雙波長光散射火災(zāi)煙霧探測器。該方法使用短波長和長波長的2種傳感光源，通過計(jì)算其光功率比值獲得氣溶膠粒徑，并根據(jù)不同粒徑下的氣溶膠濃度分別給出大小不同粒徑的火災(zāi)煙霧或干擾氣溶膠提示，能夠在有效探測大小不同粒子的火災(zāi)煙霧的前提下，抑制微米量級的灰塵、纖維、水蒸氣等大顆粒干擾源，減少了誤報(bào)警。

1 雙波長氣溶膠粒徑傳感方法

我們已經(jīng)知道，粒子大小對判斷火災(zāi)與非火災(zāi)氣溶膠具有重要作用。氣溶膠粒徑有不同的度量方法，中值粒徑不僅是度量氣溶膠粒徑的方法之一，而且還可以在一定程度上反映粒子粒徑的分布情況。物質(zhì)燃燒生成的氣溶膠粒徑的數(shù)量分布通常都可以用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)描述，因而可以用中值粒徑與標(biāo)準(zhǔn)差這兩個(gè)參數(shù)表征該分布，通常燃燒物質(zhì)氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)差為1.6～1.9，因此分布函數(shù)主要受中值粒徑影響[4]。

根據(jù)氣溶膠光學(xué)Mie散射模型[5-7]，在某一散射角上給定接收孔徑內(nèi)被探測氣溶膠的散射光功率Pn為:

(1)

其中Cn為氣溶膠的質(zhì)量濃度；f(d)為粒徑分布函數(shù)；Pλ(d,λ,m)為單個(gè)粒子Mie散射光強(qiáng)。d為粒徑，對于對數(shù)正態(tài)分布的f(d)可用中值粒徑表達(dá)d。λ為入射光波長，這里為短光波長或長光波長。m為粒子折射率。

由式(1)中散射光功率Pn正比于粒子質(zhì)量濃度Cn可以看出，氣溶膠散射光功率與氣溶膠濃度成正比關(guān)系。如果使用短波長，可以定義式(1)的Pn為PS，對于長波長為PL。

在散射角、接收孔徑和光短波長、光長波長均確定的情況下，且在同樣質(zhì)量濃度和折射率的氣溶膠中，粒子的質(zhì)量濃度Cn相同，因此短波長光散射功率PS和長波長光散射功率PL的比值R為：

(2)

其中λS和λL分別是光短波長和長波長。

顯然式(2)是光散射功率比值R與中值粒徑d的函數(shù)，因此通過R的大小與d的對應(yīng)關(guān)系即可得到氣溶膠的中值粒徑。根據(jù)公式(2)對顆粒物的散射行為進(jìn)行了仿真。通過遍歷篩選不同角度和波長組合的比值與中值粒徑的關(guān)系，獲得藍(lán)光和紅外光功率比值與中值粒徑的單調(diào)對應(yīng)關(guān)系。如圖1所示，當(dāng)探測器采用460 nm短波長的藍(lán)光， 960 nm長波長的紅外光，散射角度分別為145°和85°時(shí)，式(2)的R與中值粒徑d的關(guān)系是單調(diào)遞減的。

因此，當(dāng)氣溶膠粒徑服從對數(shù)正態(tài)分布和分布的標(biāo)準(zhǔn)差在1.6～1.9范圍內(nèi)時(shí)，在一定散射角度上粒子對兩種波長的光散射功率之比，與氣溶膠中值粒徑直接對應(yīng)，由此可以得出氣溶膠中值粒徑數(shù)值，并以此作為傳感器的氣溶膠中值粒徑輸出信號。同時(shí)，由于氣溶膠濃度與散射光功率直接對應(yīng)，因此把兩個(gè)波長的散射光功率作為傳感器的氣溶膠濃度輸出信號。

2 雙波長火災(zāi)煙霧探測器

根據(jù)上節(jié)雙波長光散射氣溶膠粒徑傳感方法，我們設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用該方法的雙波長光散射火災(zāi)煙霧探測器。在光源的選擇上，在優(yōu)先滿足氣溶膠粒徑傳感要求的前提下，考慮市場可得性與成本，根據(jù)粒子Mie散射理論，短波長采用460 nm的藍(lán)光LED，長波長采用960 nm的紅外光LED，其探測范圍在50 nm～2700 nm，考慮到接收器件的響應(yīng)范圍，實(shí)際有效范圍大約在100 nm～1500 nm，仍覆蓋了火災(zāi)煙霧和部分非火災(zāi)干擾物粒徑。通過仿真優(yōu)化，我們構(gòu)造了2種探測器，一種為雙前向結(jié)構(gòu)，選擇藍(lán)光散射角度135°，紅外光散射角度為135°。另一種為前后向結(jié)構(gòu)，選擇藍(lán)光散射角度145度，紅外光散射角度為85°，探測器結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中略去電路和未標(biāo)出編號的部分，其余部分：4為光室端面、5為接收管腔、6為第一發(fā)射管腔、10為迷宮、11為防蟲網(wǎng)、12為外罩、13為進(jìn)煙間隔、14為光室、15為進(jìn)煙口。

圖2 雙波長探測器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure schematic of the detector

探測器工作時(shí)將兩個(gè)波長的散射光功率作為傳感器的氣溶膠濃度輸出信號，氣溶膠的中值粒徑則由兩個(gè)波長散射光功率的比值R確定，由圖1可知，前后向探測器中藍(lán)光前向接收的光信號強(qiáng)度遠(yuǎn)高于紅外后向的光信號強(qiáng)度。為了均衡靈敏度，在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要調(diào)整不同波長信號的增益，這將引起R的改變，R與探測器的實(shí)際比值RD可以用式(3)表示：

(3)

其中T是比值轉(zhuǎn)換系數(shù)，它與探測器不同入射光的發(fā)光效率，收光效率，放大倍數(shù)等因素有關(guān)。

當(dāng)兩個(gè)波長的輸出光功率中至少一個(gè)超過一定門限時(shí)，即氣溶膠達(dá)到一定濃度，同時(shí)根據(jù)藍(lán)光和紅外光散射功率比值R與氣溶膠中值粒徑d的關(guān)系函數(shù)輸出氣溶膠粒徑，按照粒徑大小和氣溶膠濃度分別給出小粒子火災(zāi)煙霧、大粒子火災(zāi)煙霧、大粒子干擾氣溶膠等不同的報(bào)警或提示信息。

探測器實(shí)物如圖3所示。

圖3 雙波長火災(zāi)煙霧探測器Fig.3 Picture of dual wavelength smoke fire detector

3 實(shí)驗(yàn)

我們對雙波長火災(zāi)煙霧探測器進(jìn)行了試驗(yàn)，首先確定報(bào)警粒徑門限，通常把氣溶膠中值粒徑1 μm作為火災(zāi)煙霧和灰塵、水蒸氣等干擾的分界線，由于使用場合各異，此分界線可以在一定范圍內(nèi)變化，這里我們設(shè)定為1 μm。其次確定火災(zāi)煙霧大小粒子門限，根據(jù)我們對燃燒物質(zhì)粒子的試驗(yàn)[8]，選定500 nm為區(qū)分火災(zāi)煙霧粒徑大小的界限值。粒徑界限值可根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，一般不會超過1 μm，探測器對氣溶膠濃度報(bào)警門限值也可以根據(jù)不同場合對靈敏度的要求設(shè)定。根據(jù)探測器響應(yīng)，確定該探測器比值轉(zhuǎn)換系數(shù)T為27。

我們試驗(yàn)了探測器對正庚烷試驗(yàn)火的響應(yīng)，其光功率輸出比值如圖4所示，去除試驗(yàn)前后氣溶膠濃度未達(dá)到門限時(shí)的比值，可以看到試驗(yàn)期間該前后向探測器比值RD穩(wěn)定在2.5左右(圖4虛線)。

圖4 探測器對正庚烷的光功率比值Fig.4 Ratio of dual wavelength scattering response to n-heptane

圖5 探測器對標(biāo)準(zhǔn)灰的光功率比值Fig.5 Ratio of dual wavelength scattering response to standard dust

可以得出此時(shí)R=67.5， 從圖1得到對應(yīng)中值粒徑在330 nm左右，屬于小粒子火災(zāi)煙霧，也符合正庚烷試驗(yàn)火粒徑分布。

我們也對探測器進(jìn)行了灰塵實(shí)驗(yàn)，采用ISO12103-1 A2標(biāo)準(zhǔn)灰，粒徑分布范圍0.97 μm～176 μm，探測器輸出比值如圖5所示，其中該探測器比值RD≤2(圖5虛線)，實(shí)際灰塵信號期間RD約為1.7，則R=45.9。由圖1可知，此時(shí)探測器輸出粒徑應(yīng)該遠(yuǎn)大于1μm，符合該標(biāo)準(zhǔn)灰粒徑分布。

圖4和圖5中還有雙前向探測器的輸出比值(實(shí)線)，也可以得到類似前后向探測器的結(jié)果，此處不贅。

上述試驗(yàn)表明，從該探測器對正庚烷試驗(yàn)火和灰塵的光響應(yīng)比值信號，按照式(2)的對應(yīng)關(guān)系，說明其可以有效區(qū)分火災(zāi)和非火災(zāi)氣溶膠大小粒徑。

4 結(jié)論

本文提出了雙波長氣溶膠粒徑傳感方法并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙波長火災(zāi)煙霧探測器，通過計(jì)算短波長光和長波長光對氣溶膠濃度的響應(yīng)比值，獲得了該比值與氣溶膠粒徑的關(guān)系模型。由于該方法不僅可以通過光散射信號得到氣溶膠濃度，而且可以通過兩種波長的散射光功率的比值與氣溶膠中值粒徑的函數(shù)關(guān)系得到被探測氣溶膠的中值粒徑數(shù)值，從而判斷并發(fā)出火災(zāi)煙霧粒徑大小的報(bào)警信號，可以在飛機(jī)等航空器上根據(jù)煙霧不同種類采取針對性的合理消防措施。對該探測器的火災(zāi)煙霧和灰塵實(shí)驗(yàn)表明，其區(qū)分粒徑的方法有效。

此外，此類探測器實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，短波長光可以采用波長為280nm～490nm的紫外至藍(lán)光，甚至綠光光源，長波長光可以采用波長為830nm～1050nm的紅外光源，2種波長的散射角度既可以為雙前向，也可以是前后向結(jié)合，都可以均衡有效地傳感氣溶膠大小粒徑。

[1]UrbanDL,etal.Smokeparticlesizesinlow-gravityandimplicationsforspacecraftsmokedetectordesign[R].SAETechnicalPaper, 2009.

[2]KruellW,etal.Characterizationofdustaerosolsinfalsealarmscenarios[A].AUBE’14[C],Duisburg,Germany, 2014.

[3]ColeM.AerosolcharacterizationforreliableASDoperation[A].AUBE’05[C],Duisburg,Germany, 2005.

[4] 疏學(xué)明, 等. 火災(zāi)煙霧顆粒的光學(xué)散射特性研究[J]. 中國工程科學(xué), 2005, 7(1):45-49.[5]PramodP,etal.eds.Aerosolmeasurement:principles,techniques,andapplications[M].JohnWiley&Sons, 2011.[6] 趙建華, 等. 多波長激光全散射法探測火災(zāi)煙霧的研究[J]. 應(yīng)用激光, 2001, 21(2): 79-81.

[7] 謝啟源. 火災(zāi)煙顆粒光散射模型的研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006.

[8] 王殊, 等. 高靈敏度藍(lán)光煙霧探測器研究[A]. 第一屆飛機(jī)防火系統(tǒng)學(xué)術(shù)研討會論文集[C], 天津, 2014.

Sensing method of aerosolmediandiameter based on dual wavelength and its application infire smoke detectors

WANG Shu, DENG Tian, DOU Zheng, ZHU Ming

(Huazhong University of Science & Technology, School of Electronic Information and Communications, Wuhan 430074, China)

This paper proposes an optical sensing method to measure the median diameter of aerosolsby dual wavelength scattering, and designs a fire smoke detectorby this method.A short and a long wavelength incident lightsare applied in the detector, and the ratio of scattering signals from dual wavelengths is used to calculatethe median diameter of aerosols. Besides the aerosol concentration, the median diameter of aerosols isutilized to distinguish fire smoke and non-fire aerosols.The detector triggers different levels of warning base on comprehensive analysis ofthe concentration and the median diameter of aerosols. Therefore, the detector with dual wavelength technology could measure the particlesize of fire smokes effectively and detect a fire correctly. Furthermore, it is particularly applicable in a closed environment like a plane in the air, since its unique ability to resist the false alarmsby identifying non-fire aerosols consisting of big particles in micrometers.

Smoke detection; Aerosol sizedistribution; Dual wavelength

2016-01-04；修改日期：2016-07-07

王殊(1956-)，男，回族，博士，華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，長期從事煙霧和氣溶膠傳感、信號處理和超聲氣體檢測技術(shù)研究。

鄧田,E-mail:Bedivere@hust.edu.cn

1004-5309(2016)-00224-04

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.10

X93; X932

A