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摘要：设计一种带保护功能的可以用于超早期火灾探测系统传感器，介绍了光散射式传感器的工作原理以及相关的光学系统，并对其前置放大电路的工作原理进行了分析。这种新型传感器具有寿命长，体积小，信噪比高，准确度高，功耗低等优点。
关键词：超早期；火灾报警；传感器
The design of sensor about ultra-early fire detection and alarm system
Abstract: This paper introduces the ultra-early fire detection 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
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
0 引言
火灾的发展可分为四个阶段：不可见烟（阴燃）阶段、可见烟阶段、可见火光阶段和剧烈燃烧阶段。图1展示了火灾的整个过程。传统的火灾探测报警系统往往是在可见烟阶段才能探测到烟雾而发出警报，此时火灾所带来的巨大经济和财产损失已经不可避免。
为了尽早的探测到烟雾，更快的发出报警，超早期火灾探测报警系统一改传统点式探测系统等烟雾飘散到探测器再进行探测的方式，主动对空气进行采样探测，使保护区内的空气样品被超早期火灾探测报警系统内部的吸气泵吸入采样管道，送到探测器进行分析，如果发现烟雾颗粒，立刻发出报警。从而尽早探测到火情以及时采取措施，减少灭火系统不必要的启动而保证工作不中断，充分地争取时间，保证人员安全，并可在传统探测方式不适宜的场合探测。
1 超早期火灾探测报警系统的工作原理
超早期火灾探测报警系统的工作原理是利用光散射技术对空气中的烟粒子进行探测，具体的工作流程是空气样品经由管道被抽气泵抽进探测器中，经过过滤器，灰尘被过滤掉后送入激光探测腔，空气样品被高稳定的激光源所照射后探测信号送到控制显示单元，光信号经过处理器卡转换成表示烟雾含量的光柱图并显示出来。
图2超早期火灾探测报警系统的工作原理示意图
超早期火灾探测报警系统主要包括：进气口；辅助气泵；进气过滤器；高效过滤器；激光传感器；控制主机等组成。
2超早期火灾探测报警系统传感器的工作原理
本传感器是利用激光束照射样气通道中经过的烟气流．并在粒子上产生散射光，集光反射镜在一个较大的立体角范围内将粒子的散射光收集后．成象在共轭象点上，经消杂光光栏滤光后入射到光敏元件的光敏面上，输出的电信号经过前置放大电路的放大．以烟气散射光强所转化电脉冲幅值与无烟时的本底基准作比较甄别后再经运算处理得出当前的环境是否存在火灾报警．图3是传感器的光路结构示意图
我们设计保护气套原理，只用一级过滤首先将烟尘和脏物滤掉，再使用保护气套使空气与光学完全隔离，以保持激光腔内光学部件的清洁。
图3 传感器的光路结构示意图
传感器包括：1进气口，2 辅助进气口，3 半导体激光器，4聚光透镜，5光陷阱，6辅助出气口，7 出气口，8样气通道，9保护气套，10检测区域，11二次曲面成象集光反射镜，12消杂光光栏，13半导体光敏接受管。
传感器的样气通道与激光相交，其光敏区和半导体光敏管分别位于集光反射镜的两个共轭物象点处．消杂光光栏位于半导体光敏管的前面。如图3所示。光敏元件输出的脉冲信号幅度与烟尘颗粒的等效直径大小成正比。脉冲的数量则反映了颗粒的个数。
一般常用的象质评介方法有瑞利判断，中心点亮度，分辨力，点列图和光学传递函数。传感器集光反射镜要求在象面上的光能量越大越好．由于点列图中点的密集程度可衡量光能量大小，因此可以用点列图来评介非球面反射镜的象质情况．同时也反映了半导体光敏管接收的散射光能量分布情况。
设计中采用了ToLD9150型半导体澈光二极管作光源器件，波长为683nm．功率P0=30mw。采用PIN半导体光敏管元件．该元件是在PN结中生成高阻抗的i层．测试频率F=1MHz．结电容为5～20Pf．响应波长为660～960 nm.
3前置放大电路的设计
烟尘颗粒所产生的散射光经过光电转换成对应幅度的脉冲电压信号．其后续的计数运算处理则依赖于光电转换后的前置放大电路输出的信号精度。由光敏管与前置放大电路实现光到电流到电压的转换和放大。为了提高对烟尘粒径的检测灵敏度．研究中采用了较高功率(Po=30mW)的半导体激光二极管作照射光源，激光光束由聚焦透镜聚焦后样气通道上形成了光功率密度较高且较均匀的光敏区，照射流经样气通道中的烟尘粒子。激光二极管对其驱动电源的浪涌电流非常敏感，要求电源有良好的滤波、去浪涌、软起动和最大电流限制的性能，输出电流应当平顶且前后沿缓慢。通过示波器观察在有烟尘图4及无烟尘图5如下
图4有烟尘信号图
图5无烟尘信号图
设计中采用了在低偏压下漏电流很小的PIN型光敏管，响应速度挟，频响较宽。光敏管输出的信号电流为微安级，前置放大电路转换放大为信噪比较大的信号电压。
基本原理如图6所示。
图6 前置放大电路
4集光反射镜的设计原理
为了提高对烟尘颗粒散射光的检测灵敏度，本设计改进抛物面集光反射镜为椭球面集光反射镜，实现了二次曲面共轭成象，增强了散射光的有效聚集度，以便更好地适合在线检测的需要。
非球面集光反射镜的设计原理：设x表示非球面的旋转对称轴．Y表示入射光线在非球面上的高度．则轴对称非球面曲线可用下式表示：
Y2=a1x+a2x2或Y2=2Rx-(1-e2)x2
一般在进行非球面设计时．应尽量取最少的项数满足设计要求，因为增加项数有时会给加工和检验带来更多的麻烦，或者做出的实物与曲线并不一致，所以实际光学系统在很多情况下用二次曲面就可以了。
式中：R-曲线顶点的曲率半径；e2-曲线的偏心率平方即曲线的形状系数。形状系数与曲线性质的对应关系如下：e2<0；e2=0，01。求出R和e2，非球面的面形就确定了，确定了旋转椭球面的函数式便于集光反射镜的加工和检验．
5结论
应用新型的PIN光敏元件和激光半导体发光管．研究一种可以固定在线监测和便携式流动监测的小型化烟尘测定仪的传感器。设计了PIN光敏元件的前置放大电路和旋转椭球反射镜．提出了一种光学粒子监测装置(OPC)传感器小型化及有保护气套的方案。理论和实践表明．这种传感器与现有技术比较．既保持了原有优点．又具有体积小，重量轻．功耗小,结构简单，寿命长，易于调整且信噪比高的显著特点。其关键性能指标和体积微型化程度接近国外产品。
参考文献
[1] 闫丽华，基于PIN型光敏元件的粉尘传感器设计 机电产品开发与创新2008．3：83-84
[2] 马伟明,秦科雁.极早期火灾智能预警系统的分析研究[J].蠀防科学与技术2000,19(3):33-36
[3]COMEAU.Revamp琀栀攀椀爀猀愀昀攀琀礀瀀爀漀挀攀搀甀爀攀猀愀渀搀琀爀愀椀渀椀渀最瀀爀愀挀琀椀挀攀猀嬀J].NPAJOURNAL. 2002:75-77.
[4] 徐茜，李秋华.超早期火灾探测报警系统的应用分析[J]. 蠀防科学与技术.
2004,23(2):154-156
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：超早期；火灾报警；传感器
The design of sensor about ultra-early fire detection and alarm system
Abstract: This paper introduces the ultra-early fire detection 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
中圖分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
0 引言
火灾的发展可分为四个阶段：不可见烟（阴燃）阶段、可见烟阶段、可见火光阶段和剧烈燃烧阶段。图1展示了火灾的整个过程。传统的火灾探测报警系统往往是在可见烟阶段才能探测到烟雾而发出警报，此时火灾所带来的巨大经济和财产损失已经不可避免。
为了尽早的探测到烟雾，更快的发出报警，超早期火灾探测报警系统一改传统点式探测系统等烟雾飘散到探测器再进行探测的方式，主动对空气进行采样探测，使保护区内的空气样品被超早期火灾探测报警系统内部的吸气泵吸入采样管道，送到探测器进行分析，如果发现烟雾颗粒，立刻发出报警。从而尽早探测到火情以及时采取措施，减少灭火系统不必要的启动而保证工作不中断，充分地争取时间，保证人员安全，并可在传统探测方式不适宜的场合探测。
1 超早期火灾探测报警系统的工作原理
超早期火灾探测报警系统的工作原理是利用光散射技术对空气中的烟粒子进行探测，具体的工作流程是空气样品经由管道被抽气泵抽进探测器中，经过过滤器，灰尘被过滤掉后送入激光探测腔，空气样品被高稳定的激光源所照射后探测信号送到控制显示单元，光信号经过处理器卡转换成表示烟雾含量的光柱图并显示出来。
图2超早期火灾探测报警系统的工作原理示意图
超早期火灾探测报警系统主要包括：进气口；辅助气泵；进气过滤器；高效过滤器；激光传感器；控制主机等组成。
2超早期火灾探测报警系统传感器的工作原理
本传感器是利用激光束照射样气通道中经过的烟气流．并在粒子上产生散射光，集光反射镜在一个较大的立体角范围内将粒子的散射光收集后．成象在共轭象点上，经消杂光光栏滤光后入射到光敏元件的光敏面上，输出的电信号经过前置放大电路的放大．以烟气散射光强所转化电脉冲幅值与无烟时的本底基准作比较甄别后再经运算处理得出当前的环境是否存在火灾报警．图3是传感器的光路结构示意图
我们设计保护气套原理，只用一级过滤首先将烟尘和脏物滤掉，再使用保护气套使空气与光学完全隔离，以保持激光腔内光学部件的清洁。
图3 传感器的光路结构示意图
传感器包括：1进气口，2 辅助进气口，3 半导体激光器，4聚光透镜，5光陷阱，6辅助出气口，7 出气口，8样气通道，9保护气套，10检测区域，11二次曲面成象集光反射镜，12消杂光光栏，13半导体光敏接受管。
传感器的样气通道与激光相交，其光敏区和半导体光敏管分别位于集光反射镜的两个共轭物象点处．消杂光光栏位于半导体光敏管的前面。如图3所示。光敏元件输出的脉冲信号幅度与烟尘颗粒的等效直径大小成正比。脉冲的数量则反映了颗粒的个数。
一般常用的象质评介方法有瑞利判断，中心点亮度，分辨力，点列图和光学传递函数。传感器集光反射镜要求在象面上的光能量越大越好．由于点列图中点的密集程度可衡量光能量大小，因此可以用点列图来评介非球面反射镜的象质情况．同时也反映了半导体光敏管接收的散射光能量分布情况。
设计中采用了ToLD9150型半导体澈光二极管作光源器件，波长为683nm．功率P0=30mw。采用PIN半导体光敏管元件．该元件是在PN结中生成高阻抗的i层．测试频率F=1MHz．结电容为5～20Pf．响应波长为660～960 nm.
3前置放大电路的设计
烟尘颗粒所产生的散射光经过光电转换成对应幅度的脉冲电压信号．其后续的计数运算处理则依赖于光电转换后的前置放大电路输出的信号精度。由光敏管与前置放大电路实现光到电流到电压的转换和放大。为了提高对烟尘粒径的检测灵敏度．研究中采用了较高功率(Po=30mW)的半导体激光二极管作照射光源，激光光束由聚焦透镜聚焦后样气通道上形成了光功率密度较高且较均匀的光敏区，照射流经样气通道中的烟尘粒子。激光二极管对其驱动电源的浪涌电流非常敏感，要求电源有良好的滤波、去浪涌、软起动和最大电流限制的性能，输出电流应当平顶且前后沿缓慢。通过示波器观察在有烟尘图4及无烟尘图5如下
图4有烟尘信号图
图5无烟尘信号图
设计中采用了在低偏压下漏电流很小的PIN型光敏管，响应速度挟，频响较宽。光敏管输出的信号电流为微安级，前置放大电路转换放大为信噪比较大的信号电压。
基本原理如图6所示。
图6 前置放大电路
4集光反射镜的设计原理
为了提高对烟尘颗粒散射光的检测灵敏度，本设计改进抛物面集光反射镜为椭球面集光反射镜，实现了二次曲面共轭成象，增强了散射光的有效聚集度，以便更好地适合在线检测的需要。
非球面集光反射镜的设计原理：设x表示非球面的旋转对称轴．Y表示入射光线在非球面上的高度．则轴对称非球面曲线可用下式表示：
Y2=a1x+a2x2或Y2=2Rx-(1-e2)x2
一般在进行非球面设计时．应尽量取最少的项数满足设计要求，因为增加项数有时会给加工和检验带来更多的麻烦，或者做出的实物与曲线并不一致，所以实际光学系统在很多情况下用二次曲面就可以了。
式中：R-曲线顶点的曲率半径；e2-曲线的偏心率平方即曲线的形状系数。形状系数与曲线性质的对应关系如下：e2<0；e2=0，0
5结论
应用新型的PIN光敏元件和激光半导体发光管．研究一种可以固定在线监测和便携式流动监测的小型化烟尘测定仪的传感器。设计了PIN光敏元件的前置放大电路和旋转椭球反射镜．提出了一种光学粒子监测装置(OPC)传感器小型化及有保护气套的方案。理论和实践表明．这种传感器与现有技术比较．既保持了原有优点．又具有体积小，重量轻．功耗小,结构简单，寿命长，易于调整且信噪比高的显著特点。其关键性能指标和体积微型化程度接近国外产品。
参考文献
[1] 闫丽华，基于PIN型光敏元件的粉尘传感器设计 机电产品开发与创新2008．3：83-84
[2] 马伟明,秦科雁.极早期火灾智能预警系统的分析研究[J].蠀防科学与技术2000,19(3):33-36
[3]COMEAU.Revamp琀栀攀椀爀猀愀昀攀琀礀瀀爀漀挀攀搀甀爀攀猀愀渀搀琀爀愀椀渀椀渀最瀀爀愀挀琀椀挀攀猀嬀J].NPAJOURNAL. 2002:75-77.
[4] 徐茜，李秋华.超早期火灾探测报警系统的应用分析[J]. 蠀防科学与技术.
2004,23(2):154-156
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。