基于双波长的多参数火灾探测方法研究

摘要

火灾探测器是防火系统中的重要组成部分，伴随半导体技术及光电子工艺近年来极速发展，光电式火灾烟雾探测器已经成为市场主流产品。然而，光电式火灾烟雾探测器依然存在缺陷：探测器基于烟雾粒子散射光的强度判断火情，但非火灾的干扰气溶胶也具有光散射效应而触发火灾探测器误报警。这种原理上的缺陷已经成为制约传统烟雾探测技术多年的难题和瓶颈。研究识别火灾烟雾和非火灾气溶胶的特征及方法，以正确传感火灾早期阶段热解和阴燃烟雾，已经成为火灾探测技术发展的主要方向。
　　本文首先分析了现有光电式烟雾火灾探测器的工作原理，说明了非火灾气溶胶引起探测器误报的原因，并介绍了现有的一些改进措施。为了设计一种低成本、防误报的火灾探测器，本文从以下几个方面展开了研究工作：
　　第一，Mie散射理论指出颗粒物的散射效率与其粒度相关。为了研究气溶胶的粒度特征，本文搭建了气溶胶综合实验平台，测试了典型火灾烟雾（棉绳、榉木、正庚烷、聚氨酯等）以及非火灾气溶胶（灰尘、水蒸汽等）的粒度分布。测量结果表明：火灾烟雾和非火灾气溶胶由于生成方式不同，两者的粒度分布具有明显的差异。结合实验结果以及相关文献，大部分非火灾气溶胶的粒径分布明显大于火灾烟雾的粒径分布。因此本文提出了以粒度分布特征区分火灾烟雾和非火灾气溶胶，为火灾烟雾探测器排除非火灾气溶胶的干扰提供基础判据。
　　第二，传统的火灾探测器仅测量了气溶胶的体积（质量）浓度，而单一的体积浓度信息无法排除非火灾气溶胶的干扰。根据Baron等人对颗粒物散射行为的宏观描述，通过调节入射光波长与气溶胶粒径之间的关系，散射光强度不仅可以表征气溶胶的体积浓度，还可以表征气溶胶的表面积浓度。火灾烟雾和非火灾气溶胶的体积浓度相同时，火灾烟雾的粒度分布相比非火灾气溶胶更小，因而具有更大的表面积浓度。基于这种大小粒子对体积和表面积贡献的差异性，本文提出了双波长多参数火灾探测方法，利用不同波长的入射光获取样本气溶胶的体积浓度、表面积浓度以及Sauter平均粒径，并以这三种特征参量为判据排除非火灾气溶胶造成的误报。本文基于Mie散射理论建立了火灾探测器非近轴光学系统的光散射仿真模型，并根据仿真结果优化了双波长多参数火灾探测器的光学结构，提高多参数探测器测量体积浓度和表面积浓度的精度。我们研制了多参数探测器的原型样机，并利用单分散DEHS气溶胶、典型火灾烟雾和非火灾气溶胶验证了探测器的有效性。
　　第三，光电探测测器一直存在对黑烟响应灵敏度偏低的缺点，导致多参数探测器测量黑烟的体积浓度和表面积浓度时偏差较大。为了及时、准确地预警，提高探测器对黑烟的灵敏度，本文在双波长多参数探测方法的基础上提出了多通道的多参数火灾探测方法，结合多个通道散射光信号，调节白烟和黑烟的浓度转换系数以平衡探测器对两种烟雾的响应。最后，本文利用仿真实验和烟雾实验测试了多通道的多参数火灾探测原型样机，结果表明多通道探测器对白烟和黑烟均能输出正确的体积浓度值和表面积浓度值。

目录

声明

1. 绪论

1.1. 火灾探测技术的发展

1.2. 感烟火灾探测器

1.3. 火灾烟雾探测器的新技术

1.4. 本文的工作和意义

1.5. 本文的内容和组织结构

2. 颗粒的光散射概述

2.1. 单粒子的光散射模型

2.2. Mie散射算法与数值计算

2.3. 光散射效应从微观到宏观的推演

2.4. 本章小结

3. 气溶胶的粒度分布及特征

3.1. 气溶胶综合实验平台设计

3.2. 火灾和非火灾颗粒的粒度特性

3.3. 基于火灾烟雾和非火灾气溶胶粒径特征的分析

3.4. 本章小结

4. 双波长的多参数火灾探测方法

4.1. 颗粒物散射的“三段式”理论与多参数模型

4.2. 多参数火灾探测的光学结构优化方法

4.3. 双波长多参数火灾探测方法的仿真与设计

4.4. 多参数探测器原型样机测试

4.5. 本章小结

5. 多通道的多参数火灾探测方法

5.1. 火灾探测中的白烟和黑烟

5.2. 多通道修正的多参数火灾探测方法

5.3. 多通道探测器光学结构的仿真与设计

5.4. 多通道的多参数探测器原型样机及实验测试

5.5. 本章小结

6. 论文总结与展望

6.1. 论文研究内容总结

6.2. 后续研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间的研究成果