矿用烟雾传感器检测系统的设计与分析

天地（常州）自动化股份有限公司 潘祥生



矿用烟雾传感器检测系统的设计与分析

天地（常州）自动化股份有限公司 潘祥生

【摘要】针对MT382-2011矿用烟雾传感器检测系统的研制要求，设计一种新型矿用烟雾传感检测系统。基于朗伯-比尔定律，建立检测系统测算减光率的数学计算模型，得出激光穿过烟雾后投射光强与散射光强之间的线性关系，由此算出烟雾浓度。该系统结构简单、实时性和稳定性好。

【关键词】矿用烟雾传感器；检测系统；烟雾粒子；减光率

火灾是影响煤矿安全生产的重大危害之一［1］。矿用烟雾传感器是早期火灾监测、预警的重要设备。目前，气敏型、离子型、光电型传感技术发展较为成熟，且广泛运用于煤炭行业。气敏感烟型探测器灵敏度低、稳定性差；离子感烟型探测器生产制造成本低，但对阴燃烟雾检测灵敏度低，且其电离室中含有放射性元素，在使用过程中有污染环境的危险；光电型探测器测量火灾烟雾粒子浓度或粒子对光的遮挡效果［2］。随着传感技术的不断发展，光电型传感技术能够精确检测低浓度烟雾，使用前景广阔。

本文以烟雾粒子的遮光率为研究对象，根据朗伯-比尔定律，建立检测装置的遮光率数学计算模型，利用激光穿透粒子后发生散射原理及透射光强与散射光强之间的线性关系，设计一种新型矿用烟雾传感器检测系统，实现检测系统在量程内任意烟雾浓度值下快速、实时检测烟雾传感器的响应时间，并结合实验验证检测系统的检测精度。

1 检测系统原理分析

激光在穿过烟雾粒子时，会发生吸收和散射，激光的入射光强会发生改变，通过检测烟雾粒子对激光的遮挡程度精确算出烟雾的浓度。

根据朗伯-比尔定律［3］，利用光学方法替代原来的质量浓度法对烟雾浓度进行检测，设参数为S，表示光穿过1m厚度的烟雾后被遮挡的程度，数学表达为：

—透光率。

由于检测装置受加工限制，检测装置的测量光束穿过烟雾厚度实际达不到1m，因此，需要将实际检测的遮光率换算成1m厚烟雾的等效遮光率。假设检测系统的测试光为单色平行光，垂直照射被测烟雾，同时烟雾粒子分布均匀，忽略烟雾粒子间相互作用，则测试光的透光率Tm和其在穿过1m厚的透光率分别为：

式中：IiL—测试输入光强；IoL—测试透射光强；k—烟雾吸光系数；C—烟雾粒子浓度；L—测试光穿过烟雾的距离

由（2）、（3）式可得：

由（1）、（4）式可得：

理论上测出入射光强和透射光强就可以算出烟雾浓度。实际上在火灾前期，即可燃物处于阴燃状态，烟雾粒子粒径很小，烟雾浓度较低，若通过检测输入光强和透射光强算出烟雾浓度，则结果误差较大。

当单色光穿透烟雾粒子时，会发生散射现象，为获得高精度、高灵敏度的测试结果，可通过散射光强的大小反应烟雾浓度的高低［4］，由此可得：

由（5）、（6）式可得：

2 检测系统设计

检测系统主要包括检测装置和电子模块两个部分。检测装置上装有激光器，激光器发出的激光照射在检测装置内的烟雾粒子上，光电探测器将检测到的激光信号转换成电信号输出，其结构如图1所示。

注：①激光器；②检测装置；③散射光；④入射光；⑤信号处理电路；⑥数字信号处理器；⑦触摸屏；⑧上位机。图1 检验系统结构示意图

2.1 检测装置设计

检测装置用于提供检测矿用传感器所需的检测环境，主要包括：发烟装置、进气装置、加热装置、出气装置、测试工位和测控装置几部分组成，结构如图2所示。检测装置采用封闭式回型设计，该设计可得到稳定、均匀的烟雾粒子浓度，为精确测量烟雾浓度提供了可靠的测试环境。发烟装置主要提供测试所需的烟雾，烟雾粒径大小可通过计算机精确控制［5］。进气装置在测试时向检测装置内驻入清洁空气，使检测装置内部形成标准规定的气流速度。加热装置用于内部检测环境升温，满足测试所需的环境温度。出气装置用于测试结束后的尾烟排放。测试工位用于放置需要测试的传感器。测控装置用于测试烟雾浓度和传感器的响应时间，整个装置结构简单，造价便宜，测量精度高。

图2 检测装置结构示意图

2.2 电子模块设计

电子模块主要由信号处理电路、数字信号处理器、触摸屏和上位机四部分组成。信号处理电路包括放大电路和A/D转换电路两部分。本系统采用两级放大电路实现信号I/V转换和放大。前级放大电路将电流信号转换为电压信号，后级放大电路将电压信号发大至A/D转换芯片所需的范围内，然后再转换成数字信号，数字信号通过数据总线传递给处理器进行处理［6］。整个系统控制核心主要完成以下任务：控制A/D转换芯片；对信号进行数字滤波；计算烟雾浓度；控制触摸屏；与上位机通信。

图3 浓度误差分布图

3 实验分析

3.1 检测装置实验

本检测系统利用采集散射光强，换算获得烟雾的标准浓度值。

根据MT382-2011中试验规定，在室温25℃，相对湿度50%的试验环境下，将棉绳阴燃，使用上述设计的检测系统检测烟雾浓度［7］。现测试1000组数据，以烟雾标准浓度为横坐标，透射光强为纵坐标绘制散点图，如图3所示。

由图3可知，烟雾粒子分布是不均匀的，烟雾浓度集中在0～10%0bs/m，差值绝对值不超过0.4%obs/m。

该测试系统中，不考虑光电探测器响应时间的误差，透射光强和散射光强的测量值具有良好的线性关系，结果如图4所示。

图4 光强与遮光率的关系曲线

由图4（a）、（b）可以看出，利用散光光强检测烟雾浓度可靠稳定，适合用于矿用烟雾传感器的测试。

3.2 对比实验

为了验证测试系统的精度，将检测系统与国外AW Technology公司生产的烟雾传感器检测系统（1800型）进行实验对比［8］。AW Technology生产的检测系统也是通过散射光强测算烟雾浓度，其测试精度在行业内得到广泛认可，但1800型检测系统结构复杂，价格昂贵。

将测试系统与AW Technology生产的1800型检测系统同时检测同一烟雾，对比检测结果如图5所示。

图5 对比结果图

从图5（a）可以看出，AW Technology公司生产的1800型检测系统检测出的响应时间比设计的检测系统滞后，设计的检测系统实时性更好，对及时报警火灾具有重要意义。将图5（a）中的曲线平移，使得两曲线的起点重合，如图5（b）所示。从图5（b）可以看出，设计的检测系统与AW Technology公司生产的1800型检测系统都具有较高的灵敏度，但设计的检测系统稳定性更好。

4 结论

1）本文基于朗伯-比尔定律设计了一种新型矿用烟雾传感器检测系统。

2）本文设计的检测系统实时性好、灵敏度高，尤其对于低浓度烟雾具有较高的96测量精度。

3）和现有的AW Technology公司生产的1800型检测系统相比，本文设计的检测装置成本低、实时性好、稳定高，可用于以遮光率为指标的烟雾传感器的型式检验和出厂校准等。

参考文献

［1］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M］.北京﹕煤炭工业出版社，2011﹕134-135，201.

［2］疏学明.火灾烟雾颗粒粒径测量与散射特性研究［D］.合肥﹕中国科技大学，2004﹕24-26.

［3］M Loepfe，P Ryser，C Tompkin，et al..Optical properties of fire and non-dire aerosols［J］.Fire Safety Journal，1997，29﹕185.

［4］谢天羽，庞波.烟雾传感器灵敏度与烟雾浓度关系的研究［J］.煤矿设计，1996（10）﹕36-39.

［5］唐臻宇，耿海翔，杨光群.粉尘浓度测量方法的研究及测量仪器的研制［J］.四川大学学报，2000，32（4）﹕28-31.

［6］邱健.基于火灾烟雾的光学在线检测系统设计［D］.哈尔滨﹕哈尔滨工业大学，2011.

［7］Kerker Milton.The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation ［M］.New York﹕Academic Press，1969﹕157-182.

［8］C F Bohren，D R Huffman.Absorption and Scattering of Light by Small Particles［M］.New York﹕John Wiley & Sons，1983﹕83-129.

作者简介：

潘祥生（1985—），男，江苏常州人，现供职于天地（常州）自动化股份有限公司。