提高火灾烟雾传感器检测精度的方法

张思祥, 甘 凯, 周 围

(河北工业大学 现代测控技术研究所,天津 300130)

0 引 言

目前,常用的火灾探测器大体分为感烟火灾探测器、感温火灾探测器、火焰火灾探测器和复合式火灾探测器几类,而在火灾探测器的使用选择上,考虑到成本、测量精度需求等因素,除了化工厂等易燃易爆场合以外,80 %以上的公共场合,例如医院、商场和学校等城市火灾预警,使用的火灾报警器都是传统的光电感烟探测器[1～4]。此类火灾报警器主要由红外发射器、光敏二极管、遮光叶片、防虫网等组成。当没有火灾发生时,探测腔室内没有燃烧颗粒,光敏二极管无法接收到光,没有光电流产生；当发生火灾,燃烧产生的颗粒会进入探测腔室,烟雾粒子对红外光产生吸收和散射,光敏二极管会接收到一定的光强,烟雾粒子浓度越大,产生的光电流越强,达到一定阈值,进行火灾报警。此类普遍使用的烟雾报警器由于利用光学迷宫阻挡外界光,燃烧产生的颗粒进入探测腔室需要一定的时间,有较长的时间迟滞,直接影响火灾探测的及时性,极易给公共财产和生命安全带来极大威胁,此外,此类烟雾探测器的检测精度较低,对于较低浓度的烟雾颗粒无法进行及时报警,漏报率较高。

本文提出一种解决方法。首先对电信号进行调制[5],由红外发射器[6～8]发射出红外调制光,硅光电池收到光信号之后,分两路对电信号进行解调,可以排除其他光信号的干扰,而对于检测灵敏度较低的问题,采用差分放大的方式,用烟雾信号减去背景光以后在进行放大,并根据朗伯比尔定律,采用增加光程的方式,提高光的吸收率,可以对较弱的光信号进行采集检测,对于减少漏报率具有重大意义。

1 检测系统基本原理

整个系统由±12 V直流电供电,产生一定频率的信号对光源进行调制[5],光电转换器件接收到光照后产生光电流,通过I/V变换后对电压信号进行调制,最后对两路解调信号进行差分放大得到被测信号,根据预先设定好阈值进行报警。如上所述,为了解决检测速度慢的问题,选择将光源信号进行调制,由光电转换器件接收到光信号以后,再进行信号解调,可以排除外界干扰光的影响,弱化传统外壳的

影响,加快检测速度；而面对检测精度不高的问题,首先选择差分吸收放大,并通过增大光程,增加光的吸收率,进而可以对更加微弱的电信号进行采集处理,提高检测精度。

2 缩短检测时间

为了缩短烟雾探测时间,将通信行业常用来排除噪声的调制解调应用于现有的烟雾探测装置,将光源信号进行调制,排除外界干扰光的影响,从而免除报警器外壳的使用,缩短烟雾和光电装置接触的时间,提高检测效率。

2.1 调制电路设计

载波信号产生电路见图1,利用555定时器和双D触发器CD4013产生占空比为50 %的方波作为载波信号。

图1 调制信号产生

无稳态工作模式下555定时器输出连续特定频率的方波,工作时电容通过R1与R2充电至2/3VCC,然后电压翻转,电容通过R2放电至1/3VCC,依次循环,产生方波频率为

(1)

其中,输出高电平时间和低电平时间分别如下式

high=ln 2×(R1+R2)×C

(2)

low=ln 2×R2×C

(3)

由式(2)和式(3)可以看出,555定时器输出方波占空比非50 %,因此利用CD4013的分频功能产生占空比为50 %的方波作为载波信号。

2.2 解调电路设计

本文设计精密整流型全波相敏检波电路进行信号解调,电路设计如图2所示。

图2 全波相敏检波电路

当U与Ui同相时,在U为正的半周期UA为负,输出UO为正的全波检波信号；在U与Ui相反时,在U为正的半周期UA为正,输出UO为负的全波检波信号,实现相敏检波,电容C用来滤除高频成分,最终获得调制信号。

3 测量精度提高

为了实现微弱信号检测,本文选择差分放大的方式,并根据光的吸收定律朗伯—比尔定律(Lambert-Beer law),通过增加光程的方式来提高光的吸收率从而达到检测到微弱光强变化的目的。

3.1 增加光程

根据朗伯—比尔定律，当一束平行的单色光垂直照射一定浓度的吸光物质,入射光被吸光物质吸收的程度与吸收层厚度和吸光物质浓度成正比,而与透光度成反相关。定律的数学表达式为

(4)

由式(4)可以看出:摩尔吸光系数K和入射光强度Io不变情况下,增加吸收层厚度L,可以增加吸光度,光强的变化量ΔI=Io-I变大。即通过增加光程的方式可增加光强变化量,从而达到对更弱的烟雾浓度进行检测。

考虑到实际应用情况,提出可以采取应用反光镜的方式增加光程,达到既能增加吸收层厚度又不会增加器材体积的目的,增大光程[9,10]并且光程可调结构示意图如3所示。

图3 光程可调示意

如图3所示,光源发射端经过反射面进入由两个相对的镜面组成的光通道,射出的光经过反射面反射,照射到信号接收端进行数据采集。采取此种反射的方式和直接对射相比大大增加了光程,而且,只要将反射面进行如图方式转动,还可以进行光程的改变,间接改变测量精度。

3.2 差分放大

由于硅光电池的光强与短路电流为线性响应,因此选用硅光电池作为光电转换器件,因为自然光照射到硅光电池表面后,光电池也会有电流输出,而在此基础上浓度极低的烟雾对光电流的影响微乎其微,如果直接将电信号进行放大,难以检测到微弱变化。因此选用差分吸收的方式对微弱信号[11]进行检测,检测过程如图4所示。

图4 差分放大

两路解调信号分别为同相电压和反向电压,在没有烟雾的环境中,两者的电压值符号相反绝对值相等,通过同相加法电路后进行调零,然后将同相端进行封闭,电压值不变,反相端置于需要检测的环境,当有烟雾存在时,反相端的电压绝对值变小,此时同相加法电路的输出端将有正的电压值输出,此时的输出只由烟雾的影响造成,将由自然光引起的光电流完全排除,最后再由放大电路进行放大,从而达到对微弱电信号进行检测的目的。

4 实验数据分析

4.1 抗干扰性实验数据分析

为了确定调制解调电路在烟雾检测中的效果,进行了5次实验进行验证,保持吸收光程不变,任意调节烟雾环境端光源亮度,分别用干扰光照射硅光电池,观察是否会对输出产生影响,根据实验数据用MATLAB绘制曲线如图5所示。

图5 抗干扰实验曲线

应用MATLAB计算两条曲线的相关性为0.999 7,即加上干扰光,对于电压输出几乎没有影响,证明调制解调电路的应用,可以排除外界干扰光对调制光源检测的影响。

4.2 精度提高实验数据分析

进行2组实验分别验证光程提高和差分放大对于检测量精度提高的影响。第一组实验分别选择5个不同的光程,将实验器材放置于相同体积分数气室内,观察输出电压值,实验数据:吸收光程为2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 cm时，电压输出为0,2.5,4.4,5.6,6.4 V。可以看出,在被检测气体浓度相同的情况下,光程增加,电压的输出值也随之增加。当检测低浓度气体时,可以通过增加光程的方式输出变化量,因此,可以选择增加光程的方式检测更低浓度的气体和烟雾,提高检测精度。第二组实验保持吸收光程不变,随机向气室内充5次气体,每次的初始状态相同,5次增加的气体体积分数依次增加,通过控制充气时间控制,对比直接放大和差分放大两种方式的输入输出变化量,结果如图6所示。

由图6可得,在光程和气体浓度相同时,选择差分放大的方式的电压输出变化量明显大于直接放大方式下电压输出变化量。当检测低浓度气体时,可以通过选择差分放大的方式增加电压输出变化量,因此,在电路设计上可以选择差分放大的方法检测更低浓度的气体和烟雾,提高检测精度。

图6 两种放大方式对比

5 结 论

利用信号的调制与解调,可以完全排除外界光源的干扰,因此可以去除烟雾报警器外壳,直接缩短检测时间,并选用差分放大和增加光程的方法可以对更弱的烟雾信号进行检测,提高检测精度,实验结果表明,该方法对于缩短报警时长和提高检测精度有明显效果。