光电感烟探测器抗粉尘颗粒干扰的研究

摘 要：简要介绍了散射型光电感烟探测器的光散射原理及粉尘、烟雾颗粒的分布。根据不同波长对相同颗粒的散射特性的差异，通过无因次粒径参量简单计算分析，采用双波长比较方式，对不同散射区特性进行分析。说明利用双波长比较方式，实现光电散射型感烟探测器抗粉尘颗粒干扰成为可能。

关键词：光散射；粒径参量；颗粒分布

中图分类号：X928.1 文献标识码：A

目前应用于火灾烟雾探测的探测器，主要分为离子式和光电式两种。在实际工程应用中，离子式和光电式感烟探测器受粉尘影响特别大。据有关统计，60%的误报是因粉尘影响。本文将从散射机理对散射光型的光电式感烟探测器进行原理分析，根据瑞利散射、米氏散射和布里卡尔散射的散射特性，并结合双波长比较技术进行分析，说明利用双光源设计出抗粉尘颗粒干扰成为可能。

1 光电式感烟探测器工作原理

1.1 光电式感烟探测器基本原理

图1 散射示意图

根据米氏（Mie）光散射理论，如果入射光为自然光，散射示意图如图1。则总散射光强 为：

式中：？姿-入射波波长；R-接收点（x，y，z）到烟散射粒子的距离；i1（？兹），i2（？兹）-散射强度函数。

在研究平行光照射下，球形颗粒的散射问题时，通常引入无因次粒径参量a=m？仔d/？姿，其中？姿是入射光在真空中的波长， d是球形颗粒的直径，m1是颗粒周围分散介质的折射率。给出颗粒的大小a及颗粒材质的折射率m后，散射光强i1（？兹）和i2（？兹）可通过数值计算得到。例如图2给出了m=1.33和m=1.55时散射强度函数i1（？兹）和i2（？兹）曲线。

1.2 粒子尺度的影响分析

经典米氏散射理论是适用于所有球形颗粒的普遍情况，颗粒无因次参量可从很小到很大，颗粒的折射率也可有一个很大的变化范围。这两个参数唯一地决定了颗粒的散射规律。

米氏散射理论在工程实践中应用较多的有两种特殊情况。分别为：大颗粒近似-夫琅和弗衍射、小颗粒近似-瑞利散射。

大颗粒近似-夫琅和弗衍射对应散射强度为：

J1（a？兹）-是关于 的一阶贝塞尔函数。

J1（a？兹）数值可查有关数学用表。令a？兹=X，[2J1（X）/X]2曲线见图3，该函数的极大值和极小值的数值见表1。

图3 夫琅和弗衍射因子

表1夫琅和弗衍射强度分布函数的

极大值和极小值

入射光为自然光时，小颗粒近似-瑞利散射对应散射强度为：

（3）

一般粒子尺度影响按粒子直径与入射光波长之比，基本上划分成3个区域，分别为：瑞利散射区（d

2 烟雾、粉尘颗粒粒度分析

2.1 粉尘和烟雾粒径分布

近年来对颗粒粒径的基础研究有了更深的了解，对很多粉尘颗粒的粒度进行了统计，颗粒的粒度定义为颗粒所占据空间大小的尺度。它的范围变化很大，可以从零点几纳米到几千微米，表2给出了烟雾、粉尘的大致情况。

表2 各种粉尘和烟雾的粒径

由粉尘和烟雾的粒径统计情况可以看出，烟雾颗粒大小在1？滋m左右，而一般粉尘颗粒大于1？滋m。因此可以利用烟雾颗粒粒径大小来分辨粉尘与烟雾。从而排除粉尘所导致的光电式感烟探测器误报警问题。

2.2 波长与颗粒粒径影响分析

令双波长分别为？姿1和？姿2，对应光电探测器的散射角为？兹。则对应粒径为d的相同颗粒条件，其无因次粒径参量分别为a1=m？仔d/？姿1和a2=m？仔d/？姿2。

当a1>12和a2>12（布里卡尔散射），？兹=40°≈0.2？仔时，a1？兹>6？仔和a2？兹>6？仔，则可采用公式2可计算散射光强。由夫琅和弗衍射因子可看出其值很小。根据米氏效应可知，随着无因次粒径参量a的增大，散射光强分布的对称性开始变差，前向散射强于后向散射。随着a进一步增大，散射光几乎全部集中在前向？兹=0°的附近，如图4所示。由于？兹=40°≈0.2？仔，因此？姿1和？姿2通过颗粒散射到光电探测器的信号都很小，其差值可忽略。

当0.3

假设选择波长分别为0.4？滋m和0.9？滋m的双光源，散射角？兹=40°，烟雾颗粒粒径范围0.1？滋m～1.0？滋m，则对应无因次粒径参量大概为0.8～7.9和0.3～3.5，无因次粒径参量差几乎为2.3倍，即可采用双波长产生的散射强度的比较实现烟雾的高灵敏度检测。此时，如果粉尘颗粒为4？滋m则对应无因次粒径参量大于12，则其比较信号可忽略。即通过波长的选择和散射角的设计，实现烟雾颗粒部分高灵敏检测，同时降低粉尘颗粒的干扰。

结语

本文通过对光散射原理及颗粒粒度分布进行分析，根据不同散射区的工程实践函数及散射强度分布图等，对烟雾颗粒及粉尘颗粒大小分布进行烟雾探测器的抗干扰设计分析，提出降低粉尘导致感烟探测器误报的一种方式。但由于颗粒粒度分布的交叉性与差异性，可根据实际工作场合，合理的选择匹配光源，及散射角设计进行光电感烟探测器的设计。在提高微弱散射信号检测能力的同时，可采用双波长散射光信号比较方式进行散射光信号处理，能够进一步提高光电感烟探测器的感烟灵敏性和抗干扰能力。

参考文献

[1]朱福成，彭仁明.光电感烟探测器的研究.自动测量与控制，2006，25（9）.

[2]彭仁明，贺春林，朱福成.基于平行光束的后向散射光电感烟探测器的研究.西华师范大学学报，2006，27（4）.

[3]蔡小舒，苏明旭，沈建琪.颗粒粒度测量技术及应用.化学工业出版社，2010.

[4]van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. London： Chapman and Hall，1957.