【正文】 紅外光線的散射原理來探測火災(zāi)初期階段產(chǎn) 生的煙霧，探測器的工作原理如 上一章 圖 光電傳感器由砷化稼紅外發(fā)光二極管和光電三極管組成，紅外光傳感器固定在黑罩板內(nèi)，紅外發(fā)光二極管發(fā)射一束紅外光，當(dāng)無煙霧時(shí)，由于黑罩板的阻隔作用，這束紅外光線不能射到光電三極管上，當(dāng)有煙霧進(jìn)入探測器時(shí)，紅外光線遇到煙霧粒子，產(chǎn)生了光散射現(xiàn)象，散射的紅外光線被光電三極管接收，轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過放大、濾波、比較電路、輸出報(bào)警信號。 物質(zhì)燃燒時(shí)在陰燃階段會產(chǎn)生大量的煙 霧顆粒和有害氣體，煙霧顆粒的直徑一般在 m。顆粒分布界面極大，性質(zhì)也不穩(wěn)定，很容易使光產(chǎn)生散射，當(dāng)煙霧粒子的尺寸和入射光光束波長接近時(shí)，產(chǎn)生的散射為 Mie 散射。根據(jù) Mie散射理論，設(shè)粒子半徑為R，相對折射率為 m=njη ，即粒子相對于周圍介質(zhì)的折射率，其中 n為折射率， η 為吸收率。引入粒子半徑相對于波長 λ 的無量綱參數(shù) a(粒徑參數(shù) )來表示粒子大小，即 :a=2π R/λ ， λ 為入射光波長，并把入射光方向和散射光方向組成的平面稱為觀察面，建立如圖 所示的 YOZ平面，則粒子在 P處的散射光強(qiáng) 是： 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 23 式中， I。 為照射到粒子上的入射光光強(qiáng) :r 為粒子與 P 點(diǎn)的間距 。i1=(S1)2,i2=(S2)2分別為垂直及平行與散射面的散射強(qiáng)度函數(shù)分量 。S1， S2 稱為散射光的振幅函數(shù)，可以表示為下列無窮級數(shù) : 式中， an， bn稱為 Mie散射系數(shù)，其表達(dá)式為 : π n, τ n含有勒讓德函數(shù)，只與散射角有關(guān)，即 : Pn(z)為 n階勒讓德多項(xiàng)式。 如果要定量計(jì)算煙霧粒子在 P點(diǎn)處的散射光強(qiáng)，首先需要求出 Mie 系數(shù) an， bn，可 以利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式和相應(yīng)的簡化算法來求。 可見，散射場中任意一點(diǎn)的散射光強(qiáng)與 粒徑參數(shù) a，復(fù)折射率 m 及散射角θ等都是有關(guān)的。對于特定的應(yīng)用場合，如 a， m 一定時(shí)，散射光強(qiáng)就僅與散射角 θ 有關(guān)系 。我們假設(shè)，光電感煙探測器中，發(fā)射管發(fā)出單束平行光，被散射煙霧粒子為各向同性的球形顆粒，觀察點(diǎn) P位于接收管前端透鏡位置。因此，發(fā)射管與接收管之間的軸向夾角巾同散射角 θ相關(guān)，隨著 θ 的增大， φ 逐漸減小，如圖 所示坐標(biāo)系。當(dāng)改變軸向夾角中時(shí)， θ 相應(yīng)變化，接收管接收到的散射光強(qiáng)也會隨之改變，所以，調(diào)整一個(gè)合適的軸向夾角 φ ，可以使得光電感煙傳感器對煙霧粒子的探測靈敏度為最佳。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 24 圖 角 θ 與軸向角中關(guān)系示意圖 設(shè)計(jì)要求 點(diǎn)型紅外光電感煙探測器的設(shè)計(jì)，要達(dá)到 GB471593《點(diǎn)型感煙探測器技術(shù)要求及試驗(yàn)方法》的國家標(biāo)準(zhǔn)。探測器設(shè)計(jì)必須考慮以下幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵問題了： (1)探測器的靈敏度為保證靈敏度，要求最佳設(shè)計(jì)光路，正確選擇發(fā)散角、合理選擇光電器件和優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，使其有最好的光電線性和最大的動態(tài)范圍。在暗室方面，要求沿路暢通，同時(shí)要避免外界光進(jìn)入和暗室對紅外的散射。 (2)穩(wěn)定性可靠性為減少外界光、電、磁、溫、濕等環(huán)境條件對探測器性能穩(wěn)定性的影響，采用脈沖調(diào)制和溫度補(bǔ)償技術(shù)以 及靜電屏蔽、恒流穩(wěn)壓技術(shù)等來提高電路的抗干擾能力，同時(shí)要嚴(yán)格控制光電器件和關(guān)鍵元件的質(zhì)量。 (3)減少耗電要優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，在確保靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性等主要性能的基礎(chǔ)上，簡化電路、采用低功耗元件，盡量減少電路的靜態(tài)工作電流。 (4)械性能主要考慮探測器的防震、耐沖擊、防碰撞問題，還要考慮探測器抗 腐蝕性能。既要考慮外形美觀，又要考慮探測器安裝調(diào)試方便。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散射角確定 光電感煙傳感器的必須安裝集煙盒，集煙盒的作用是既可以使煙霧可以自由進(jìn)出，又可以減少自然光對光電器件的影響，圖 感煙的集煙盒設(shè)計(jì)。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 25 圖 集煙盒四周采用 Z 形葉片，這樣可以阻擋自然光直接進(jìn)入集煙盒，但兩個(gè) Z形頁片之間留有縫隙，這樣又可以使煙霧可以自由進(jìn)入。在外面罩上慮網(wǎng)，慮網(wǎng)的作用是慮除掉火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的大量灰塵，因?yàn)閺纳厦婵芍怆姼袩熓菂^(qū)分不出煙霧離子和灰塵離子的，所以加入慮網(wǎng)可以盡量慮除灰塵而使煙霧進(jìn)入。 OP231系列器件是一種密封封裝的 GaAIAs紅外發(fā)射二極管，波長集中在 m范圍，在工作電流為 100mA 時(shí)，發(fā)射管發(fā)光功率可達(dá) 6mW 以上。 OP231 系列前端封裝有透 鏡， 從而使發(fā) 射的光束更集中，可以提供極窄的發(fā)射光角度。 OP801SL 系列元件是使用密封封裝的 NPN硅光電三極管，其接收峰值波長也集中在 m附近與 OP231進(jìn)行高靈敏度匹配。既有光敏二極管的感光性能又具有三極管的放大功能，狹窄的接收角度提供了與發(fā)射管在軸線方向的禍合。由于發(fā)射管與接收管之間的夾角決定了傳感器輸出的靈敏度，因此在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將角度測量作為重點(diǎn)。 圖 OPTEK組合特性測試 在選擇發(fā)射管與接收管的夾角的測量時(shí)，根據(jù)圖 電路，每變化 10℃ 時(shí)測量輸出電壓及電流值，通過檢測輸出電壓的變 化來判斷在什么角度下光電三極管對煙霧的響應(yīng) 最感，在多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中我們測得了圖 ，表中四條曲線分別代表了無煙、低濃度、中濃度和高濃度時(shí)的情況，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 120℃ 時(shí)無煙與各級煙度的間 距最明顯，說明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此可以判斷出在 120℃距最明顯，說 明此角度下從無煙到開始出現(xiàn)煙霧散射輸出變化最大，由此可以判斷出在發(fā)射管工煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 26 作電壓 ，接收管工作電壓 5V。 圖 應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 探測器電路主要分為紅 外光脈沖發(fā)射部分和接收部分，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧中的細(xì)微顆粒將對紅外發(fā)射二極管發(fā)射的光產(chǎn)生散射，并變換成相應(yīng)的電信號，該信號放大后經(jīng)比較器送單片機(jī)處理。 紅外發(fā)射電路中的 555電路用于產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖波形，使用 555 電路的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是輸出脈沖的占空比可調(diào)，便于設(shè)計(jì)不同要求的驅(qū)動輸出。同時(shí)，較之用直流電源供電可以達(dá)到減小功耗的目的。上電后， 555振蕩輸出信號經(jīng)過 8050放大并反相，使紅外發(fā)射管 OP231 上獲得調(diào)制后的方波電壓信號，電路設(shè)計(jì)中，振蕩電路輸出的方波信號為 7ms的高電平和 139ms 的低電平輸出，頻 率約為 7Hz，設(shè)計(jì)時(shí)以發(fā)射管高電平供電時(shí)間滿足單片機(jī)采樣時(shí)間為準(zhǔn)，同時(shí)滿足低功耗要求，具體參數(shù)如下： 接收電路部分中的光電三極管接收到煙霧粒子散射的光信號后，以變化電流的形式送給三極管 9014，放大后的射極電流變換成電壓信號作為輸出，其中輸出端可變電阻用于調(diào)節(jié)輸出為合適的電壓信號以備計(jì)算機(jī)采樣用。 圖 : 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 27 圖 探測 器電路 原理圖 CO 探測器設(shè)計(jì) 半導(dǎo)體 CO 氣體傳感器的工作原理 氣敏傳感器是一種能夠感知環(huán)境中氣體成分及其濃度的敏感元 件，它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息，從而進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報(bào)警，還可通過接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動檢測、控制和報(bào)警系統(tǒng)。 按其構(gòu)成材料可分為半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體兩大類。半導(dǎo)體氣體傳感器主要是以氧化物半導(dǎo)體為基本材料，使氣體吸附于該半導(dǎo)體表面，利用由此而產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化測量檢測氣體的成分和濃度。半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，目前已成為世 界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的傳感器之一。 半導(dǎo)體氣敏元件的敏感部分是金屬 氧化物半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)其表面吸附有被檢測氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸界面的導(dǎo)電電子比例發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨被測氣體的濃度改變而改變。該反應(yīng)是可逆的，因而可重復(fù)使用。電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對氣體的吸附和釋放而發(fā)生的，為加速反應(yīng)，通常要用加熱器對氣敏元件加熱。 當(dāng)氧化型氣體吸附到 N型半導(dǎo)體，或還原型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體時(shí)，將使半導(dǎo)體載流子減少，電阻值增大。還原型氣體吸附到 N型半導(dǎo)體，或氧化型氣體吸附到 P型半導(dǎo)體時(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。 N 型材料有 Sn0 Fe20 Ti02 等， P 型材料主要有 M00 Cu20等。 半導(dǎo)體氣敏元件吸附被測氣體時(shí)電阻的變化情況如圖 所示。由于空氣中的含氧量大體上是恒定的，因此氧化的吸附量也是恒定的，器件阻值也相對固定。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件在潔凈空氣中通電加熱至穩(wěn)定狀態(tài) (即加熱器加熱 2～ 10 min，電阻值恒定不變時(shí) )后，如果被測氣體接觸半導(dǎo)體氣敏元件表面而被吸附時(shí)，被吸附的氣體分子首先在元件表面物理性自由擴(kuò)散失去動能以后，一部分被蒸發(fā)掉，一部分熱分解而被化學(xué)吸附，導(dǎo)致其阻值隨被測氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其變化規(guī)律視半導(dǎo)體的材 料而定： P 型半導(dǎo)體氣敏元煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 28 件的阻值上升； N 型半導(dǎo)體氣敏元件的阻值下降。根據(jù)這一特性，可以從阻值的變化得知吸附氣體的種類和濃度，響應(yīng)時(shí)間一般不超過 l min。 圖 半導(dǎo)體 CO傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 根據(jù)檢測不同氣敏特征量的方式，半導(dǎo)體式氣體傳感器分為電阻式和非電阻式兩種。其中以 Sn02 為氣敏材料的表面控制型多孔質(zhì)燒結(jié)體氣體傳感器是目前工藝較成熟、應(yīng)用較廣泛的氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 ，由 Sn02燒結(jié)體、加熱器、電極引線、塑料底座及不銹鋼絲網(wǎng)罩等組成，燒 結(jié)時(shí)將加熱器、測量電極間 Sn02 燒結(jié)在一起制成氣敏元件，最后將加熱器熱絲和測量電極焊接在塑料底座的引出線上，并罩上兩層不銹鋼絲網(wǎng)。 圖 Sn02氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖 電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu) 氣敏傳感器通常由氣敏元件、加熱器和封裝體等三部分組成。氣敏元件從制造工藝來分有燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。 燒結(jié)型氣敏器件以 Sn02半導(dǎo)體材料為基體，將鉑電極和加熱絲埋入 SnOZ材料中，用加熱、加壓、溫度為 7009O00C的制陶工藝燒結(jié)形成。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 29 薄膜器件是采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，在石英基片上形成氧化物半導(dǎo)體薄膜 。 厚膜器件是將 Sn02或 ZnO等材料與 3%15%(重量 )的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠。 加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，提高其靈敏度和響應(yīng)速度。加熱器的溫度一般控制在 2004000C左右。 加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種，因而形成了直熱式和旁熱式氣敏元件。直熱式是將加熱絲直接埋入 Sn0 ZnO 粉末中燒結(jié)而成，結(jié)構(gòu)如圖 所示。旁熱式是將加熱絲和敏感元件同置于一個(gè)陶瓷管內(nèi)，管外表面梳狀金電極作測量極，在金電極外再涂上SnO:等敏感材料，其結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 直熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡單、成本低、功耗小，可以在高壓回路中使用。它的缺點(diǎn)是熱容量小，易受環(huán)境氣流影響，測量回路和加熱回路間沒有隔離而相互影響。 旁熱式結(jié)構(gòu)的氣敏傳感器克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，使測量極和加熱極分離，而且加熱絲不與氣敏材料接觸，避免了測量回路和加熱回路的相互影響 。器件熱容量大，降低了環(huán)境溫度對器件加熱溫度的影響，所以這類結(jié)構(gòu)器件的穩(wěn)定性、可靠性比直熱式的好。 Sn02氣敏傳感器可以檢測甲烷、丙烷、一氧化碳、氫氣、酒精、硫化氫等氣體， 并具有檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，其特性曲線如圖 所示，表示不同氣體濃度下氣敏器件的電阻值。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 30 圖 敏感元件阻值 R與空氣中被測氣體的濃度 C 成對數(shù)關(guān)系變化： 式中 m、 n為常數(shù)， m表示隨氣體濃度而變化的傳感器靈敏度，對于可燃性氣體來說，m 值多數(shù)介于 1/2 至 l/3 之間， n 與氣體靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會由于測量溫度、濕度和激 活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化，因此在使用時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)償 。 具有溫濕補(bǔ)償?shù)?CO 探測 電路設(shè)計(jì) 具有溫濕補(bǔ)償?shù)?CO 氣體探測電路如圖 所示。本探測電路中采用 TGS 813型旁熱式 Sn02氣敏元件，它對 CO有很高的靈敏度，有較好的選擇性，且溫度、濕度穩(wěn)定性好 。 圖 CO氣體探測電路 由于 Sn02 氣敏元件易受環(huán)境溫濕度的影響，因此在使用時(shí)，為了提高儀器和設(shè)備的煙臺大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 31 可靠性，在電路中要加溫濕度補(bǔ)償，并選用溫濕度性能好的元件，溫濕補(bǔ)償電路由 RT 和R2～ R6 組成。熱敏電阻 RT 與氣敏元件共接于運(yùn)算放大器 U1 的反相端，與 Vr、 R R8 構(gòu)成差動放大電路，經(jīng)二階帶通濾波后輸入到 AD0809。圖 RT的電阻溫度系數(shù)與氣敏元件溫度系數(shù)相同或接近，當(dāng)周圍環(huán)境溫度升高時(shí)，絕對溫度升高，氣敏器件阻值降低，其分壓降低；此時(shí)熱敏電阻阻值降低，則 R3 分壓增大，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。這樣可以減少溫度對 CO傳感器輸出的影響，提高了電路的檢測精度。 紫外火焰探測的基本原理 工作原理 火焰的輻射是具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續(xù)光譜的固體輻射，其波長在 μ m或更寬的范圍，為了避免其他信號的干擾，常利用波長 300nm的紫外線，或者火焰中特有的波長在 m 附近 的 CO2 輻射光譜作為探測信號。前者為紫外火焰探測器，后者就為紅外火焰探測器。 圖 紫外線傳感器只對 1