基于激光散射测量原理的烟雾探测器检定装置及标定方法

摘要

本发明提出了一种基于激光散射测量原理的烟雾探测器检定装置，包括检定仪和标定仪，所述检定仪包括检定仪处理电路、设置有第一透明窗口20和第二透明窗口21的测量腔14、第一光电传感器13，所述标定仪包括第二光电传感器17和触发器18；测量光束23由第一透明窗口入射，由第二透明窗口出射；所述第一光电传感器13用于检测经被测烟雾散射形成的散射光束的光强；所述第二光电传感器17用于检测穿过被测烟雾形成的且由第二透明窗口出射的透射光束的光强；所述触发器同步触发第一光电传感器和第二光电传感器。本发明采用高速同步触发第一光电传感器和第二光电传感器的标定方案，解决无标准烟雾试样的困难。

说明书

技术领域

本发明涉及一种烟雾探测器的检定装置，具体涉及一种基于激光散射测量原理的烟雾探 测器检定装置及标定方法。

背景技术

针对不同类型和不同阶段的火灾，已得到广泛应用的传感技术有：气敏型感应火灾释放 的可燃气体成分、红外型检测火灾的热源、紫外型探测火灾伴生的紫外光线，以及离子型感 应火灾烟雾粒子对电离子场的干扰、光电型测量火灾烟雾的粒子浓度或烟雾粒子对光的遮挡 效果(以下统称为粒子型)。矿用烟雾传感器是矿井安全生产监测监控的重要设备，随着技术 水平不断提高，其主导地位逐渐由气敏型转变为粒子型。尤其是需要早期预防火灾事故的场 合，如监控井下的胶带机械磨擦、电缆发热、煤层自燃等阴燃危险性较高的部位，光电传感 的技术优势更为明显，其应用前景广阔。

过去的矿用烟雾传感器检测标准，要求检测的是烟雾质量浓度，其缺点一是实时性差， 二是质量浓度和响应时间的测量误差大，三是检测过程中，烟雾质量浓度的控制难度大。当 前，矿用烟雾传感器的核心技术指标已修订为遮光率(量纲为％obs/m)。受检测设备的制约， 目前仅评价烟雾传感器在某一浓度阈值下的报警触发，不能完成全量程任一烟雾浓度的检定， 也无法通过其他行业的检定基准完成法定计量溯源。因此，检测检验机构和生产企业亟需全 量程范围的新型检定装置，用于正确评判矿用烟雾传感器的性能参数，促进国内自主研发能 力的发展。

发明内容

鉴于此，本发明提供不需要标准烟雾试样的散射型烟雾探测器检定装置及标定方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，基于激光散射测量原理的烟雾探测器检定 装置，包括检定仪和标定仪，所述检定仪包括检定仪处理电路、设置有第一透明窗口20和第 二透明窗口21的测量腔14以及第一光电传感器13，所述标定仪包括第二光电传感器17和 触发器18；测量光束23由第一透明窗口入射，经被测烟雾后由第二透明窗口出射；所述第 一光电传感器13用于检测经被测烟雾散射形成的散射光束的光强；所述第二光电传感器17 用于检测穿过被测烟雾形成的透射光束的光强；所述触发器同步触发第一光电传感器和第二 光电传感器。

优选的，所述第一透明窗口20与第二透明窗口21沿测量腔14的轴向分别设置于测量腔 的两侧；所述散射光束从第一透明窗口出射，所述透射光束从第二透明窗口出射；

或所述第一光电传感器和第二光电传感器为一体化结构的环形光电传感器，所述环形光 电传感器具有内环检测区域和外环检测区域，散射光束的光强由外环检测区域检测，透射光 的光强由内环检测区域检测。

本发明的目的之二是提供运用上述装置进行标定的方法，包括以下步骤：

1)烟雾发生器产生烟雾，待烟雾相对稳定后通入测量腔；触发器输出脉冲，触发第一光 电传感器和第二光电传感器采集数据并存储；

2)调节烟雾发生器，改变烟雾的浓度，在此过程中触发器随机性的输出脉冲，触发第一 光电传感器和第二光电传感器采集数据并存储；

3)重复步骤2)多次；

4)去掉测试数据中显著的奇异值，将成对数据拟合成曲线方程，横坐标为散射光功率， 纵坐标为透射光功率，确定测试数据与拟合曲线的最大偏移值；

5)将曲线系数写入烟雾探测器的程序存储器中。

优选的，在步骤1)前还包括步骤A：所述步骤A具体为：保持测量腔的洁净状态，起 动触发器输出脉冲信号，触发第一光电传感器和第二光电传感器采集数据并存储。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明利用电子同步器高速同步触发检定仪的第一光电探测器和标定仪的第二光电探测 器，实现对烟雾散射光功率和透射光功率的同步采集，建立散射光与透射光变化精确的函数 关系，克服现实中无法制造标准烟雾试样的难题。应用烟雾探测器时，根据事先确立的函数， 由实测的散射光功率反演出烟雾的透射光功率，从而获得被测烟雾的遮光率或浓度。该方法 具有无需标准烟雾试样、标定时烟雾浓度任意等优点，适用于散射型烟雾传感器的检定或出 厂标定工作。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的 详细描述，其中：

图1为标定装置组成框图；

图2为检定仪处理电路框图

图3为烟雾发生器结构示意图；

图4为后向式散射测量及其标定光路示意图；

图5为前向式散射测量及其标定光路示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为 了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

火灾产生的悬浮气溶胶粒子形成烟雾，粒子含量越高，则烟雾浓度越高，对光的遮拦效 果越好，反之也成立。因此，采用遮光率衡量烟雾浓度的高低，判定火灾的发展阶段或严重 程度。矿用烟雾传感器以1m厚度烟雾的遮光率精确测度烟雾浓度，其数学定义为：

$S=(1-\frac{I_o}{I_i})\times 100\%---\left(1\right)$

其中，S为遮光率，I_i为输入光强，I_o为穿过1m厚度烟雾的透射光强，T＝I₀/I_i为透 光率。

检定装置遮光率的测定服从式(1)。受体积限制，检定装置测量光束穿过的烟雾厚度不会 达到1m，需将实测的遮光率推算到1m厚度烟雾等效的遮光率。假设被测烟雾浓度较低且均 匀，忽略烟雾粒子间的相互作用，且采用平行单色光垂直照射。根据朗伯比尔定律，测量光 束的烟雾透光率T_m和其穿过1m厚度相同被测烟雾的透光率T分别为：

$T_m=\frac{I_{\mathrm{ol}}}{I_{\mathrm{il}}}=e^{-\mathrm{\kappa Cl}}---\left(2\right)$

$T=\frac{I_o}{I_i}=e^{-\mathrm{\kappa C}}---\left(3\right)$

其中，I_il为测量光束输入光强，I_ol为测量光束透射光强，K为烟雾吸收系数，C为烟雾 粒子浓度，l为测量光束穿过被测烟雾的厚度(单位：m)。将式(2)带入式(3)。得到：

$T={\left(T_m\right)}^{\frac{1}{l}}={\left(\frac{I_{\mathrm{ol}}}{I_{\mathrm{il}}}\right)}^{\frac{1}{l}}---\left(4\right)$

将式(4)代入式(1)，则1m厚度烟雾的遮光率为：

$S=(1-{\left(\frac{I_{\mathrm{ol}}}{I_{\mathrm{il}}}\right)}^{\frac{1}{l}})\times 100\%---\left(5\right)$

在火灾早期阶段，烟雾浓度较低，且烟雾粒子粒径主要集中在数十个纳米范围^[5]，若检 定装置直接测量I_ol和I_il，并按式(5)计算烟雾浓度，其测量灵敏度较差、误差较大。事实上， 当一束平行单色光照射烟雾粒子时，还将发生散射现象。通过散射光强的变化反映烟雾粒子 浓度的变化，即利用测量光束的散射光强I_sl表针透射光强I_ol，获得高灵敏度、高精度的测量 结果。据此建立函数关系：

I_ol＝f^-1(I_sl)       (6)

同理，将式(6)代入式(5)，未经修正的式(1)转变成：

$S=(1-{\left(\frac{f^{-1}\left(I_{\mathrm{sl}}\right)}{I_{\mathrm{il}}}\right)}^{\frac{1}{l}})\times 100\%---\left(7\right)$

因烟雾粒子粒径和密度的空间分布和时间的随机性，现实中很难制造标准浓度的烟雾粒 子试样，采用常规的标定方法来精确地确定I_sl和I_ol的函数关系，存在极大的技术困难。在本 发明中，采用高速触发器同步触发散射光和透射光测量的光电传感器，相比烟雾粒子密度和 流速的变化，若光电传感器的响应时间及其差值足够短，则可认为二者测量的是同一烟雾对 象。由此，在装置的标定过程中，装置自带的光电传感器在离轴方向测量I_sl，利用装置外部 已标定的高精度光电传感器在轴向测量I_ol，得到某一浓度烟雾对应的I_sl和I_ol。重复上述步 骤，获得不同浓度烟雾对应的I_sl和I_ol。在此基础上，去掉显著的奇异值，分段拟合I_sl与I_ol的 函数曲线，从而确定出f^-1。

基于上述思想，本发明提供一种基于激光散射测量原理的烟雾探测器检定装置，包括检 定仪和标定仪，所述检定仪包括检定仪处理电路、设置有第一透明窗口20和第二透明窗口 21的测量腔14以及第一光电传感器13，所述标定仪包括第二光电传感器17和触发器18； 测量光束23由第一透明窗口入射，经被测烟雾后由第二透明窗口出射；所述第一光电传感器 13用于检测经被测烟雾散射形成的散射光束的光强；所述第二光电传感器17用于检测穿过 被测烟雾形成的透射光束的光强；所述触发器同步触发第一光电传感器和第二光电传感器。

图4为后向式散射测量及其标定光路示意图，其中检定仪与标定仪采用分体式设置。

所述第一透明窗口20与第二透明窗口21沿测量腔14的轴向分别设置于测量腔的两侧； 所述散射光束从第一透明窗口出射，所述透射光束从第二透明窗口出射。

所述检定仪还包括依次设置的扩束透镜9、空间滤波器10和准直透镜11；所述标定仪还 包括会聚透镜16，所述准直透镜和会聚透镜设置在测量腔的两侧，准直透镜的出射光进入到 测量腔中，经烟雾19散射形成的散射光束进入到第一光电传感器13中，经烟雾透射形成的 透射光进入到会聚透镜中，会聚透镜的出射光进入到第二光电传感器17中。

图5为前向式散射测量及其标定光路示意图，其中检定仪与标定仪采用一体式设置。

所述第一光电传感器和第二光电传感器为一体化结构的环形光电传感器，所述环形光电 传感器具有内环检测区域171和外环检测区域172，散射光束的光强由外环检测区域检测， 透射光的光强由内环检测区域检测。

所述检定仪还包括依次设置的扩束透镜9、空间滤波器10和准直透镜11；所述标定仪还 包括会聚透镜16，所述准直透镜和会聚透镜设置在测量腔的两侧，准直透镜的出射光进入到 测量腔中，经烟雾透射形成的透射光进入到会聚透镜中，会聚透镜的形成的会聚光束进入到 环形光电传感器的内环区域，会聚透镜边缘形成的散射光束进入到环形光电传感器的外环区 域。

所述标定装置还包括烟雾发生器，所述烟雾发生器与测量腔通过气路连接。

如图3所示，所述烟雾发生器包括烟道7，所述烟道设置有烟雾入口4和烟雾出口1，所 述烟道内设置有空气泵5，烟雾在空气泵的驱动下，经过烟雾入口进入烟道并循环流动。在 本实施例中，烟雾发生器采用环形烟道，其内壁光滑，内外直径分别为300mm和420mm。 烟道外设置电热丝盘3，用于加热脱脂棉条以产生烟雾。在空气泵5的驱动下，烟雾经过进 气管道进入环形烟道并循环流动，提高烟雾粒子密度空间分布的均匀性和稳定性。烟道中设 置有两道过滤网，即进气滤网6和排气滤网2，进气滤网将烟雾粒子粒径限制在8um及其以 下，排气滤网的作用是防止烟雾的逆流污染。所述的烟雾入口设置在进气滤网后端。

所述检定仪包括依次设置的测量光源8、扩束透镜9、空间滤波器10和准直透镜11，所 述标定仪还包括会聚透镜16，所述准直透镜和会聚透镜设置在测量腔的两侧，准直透镜的出 射光进入到测量腔中。

在本实施例中，测量光源8采用固体激光器，其出射光经扩束透镜扩束后，由空间滤波 截取光强分布较为均匀的光束中心部分，再由准直透镜准直后变成测量光束。测量光束垂直 穿过并照射流过测量腔的被测烟雾粒子群。

作为对本实施例的进一步改进，所述检定仪还包括设置在准直透镜与测量腔之间的第一 光阑12和设置在测量腔14与会聚透镜之间的第二光阑15。光阑用于防止近轴杂散光对测量 的干扰。

图3所示为检定仪的处理电路原理图。所述的检定仪处理电路包括放大器、A/D模块、 DSP、泵控制模块、温度控制模块、存储器、触摸屏、通信接口和声光报警器

散射光电探测器的输出，经过精密放大器和16位A/D转换后，输入DSP处理器。其中， 电源基准为A/D转换器提供基准电源，其温漂系数比转换器内置基准电源小很多。DSP处理 器是处理电路的核心，承担的任务是控制烟雾发生器和检定仪内部的空气泵、调节激光器工 作温度、声光报警信号输出，以及通讯和数据计算等。通过内置的标定程序，DSP处理器输 出脉冲信号，联动外部的同步触发器，将标定的原始数据存储至数据存储器并适时上传。通 过LCD触摸屏实现人机交互，显示检定结果、状态等各种数据。必要时可通过通讯接口以 RS485或TCP/IP协议将数据上传，或接收上位机指令和数据。

在应用检定装置时，测量光源的光功率采用的是激光器输出标称值，需采取温控措施保 证测量光束光功率的稳定性，减小温度漂移。因此，检定装置包括半导体制冷器和加热丝构 成的恒温装置，由检定仪的DSP通过温控算法控制，使激光器的工作温度保持在25±2℃范 围内。由Mie理论，同一粒径的粒子对短波长的散射更为显著，测量光束的波长应适度减短。 在本实例中，激光器发出的波的中心波长405nm，线宽30nm，出射功率2mW。

在本实例中，第一光电传感器测量散射光功率，灵敏度较高、暗电流较小，峰值响应波 长靠近测量光束波长，中心轴线与光轴的安装角度为30°。为保证采样为同一烟雾粒子群的 散射光，相对于烟雾流速和测量光束直径，第一光电传感器器的输出响应时间应尽量小，检 定仪选型的光电传感器响应时间为15us。

为降低烟雾粒子空间密度分布均匀性和流速对测量的影响，测量光束直径及其穿过的烟 雾厚度要适度。经过试验，取测量光束直径为2mm，轴向照射的烟雾厚度为20mm。第一光 电传感器和第二光电传感器的同步误差尽量小，标定检定仪时，外部电子同步器输出双路脉 冲的时间误差不超过10ns。

根据上述检定装置，本实施例还提供一种基于激光散射测量原理的烟雾探测器标定方法， 具体包括以下步骤：

1)按照图4所示，在光学平台上对准探测器的第一光电传感器和第二光电传感器；将触 发器连接至第一光电传感器和第二光电传感器；利用采集气管连接烟雾发生器和测量腔。

2)检定仪测量腔保持洁净状态，起动触发器输出脉冲信号，触发第一光电传感器和第二 光电传感器采集数据并存储。

3)烟雾发生器加热脱脂棉条产生烟雾，待烟雾相对稳定后通入探测器。起动触发器输出 脉冲，触发第一光电传感器和第二光电传感器采集数据并存储。

4)调节烟雾发生器，改变烟雾浓度，在此过程中随机性起动触发器输出脉冲，触发第一 光电传感器和第二光电传感器采集数据并存储。

在本实烟例中，改变烟雾浓度是指逐渐加强烟雾浓度或逐渐降低烟雾低浓度或加强、降 低交替进行。

5)重复步骤4多次，一般为2～5次，当然根据测试需要也可以测试更多次。

6)去掉测试数据中显著的奇异值，拟合出散射和透射光功率的曲线，横坐标为散射光功 率，纵坐标为透射光功率。确定测试数据与拟合曲线的最大偏移值。

7)将曲线系数写入探测器的程序存储器。

8)标定完成后，撤离外部的标定设备，在标定用透射光测量位置用吸光材料密封，降低 透射光反射对测量的干扰。检定仪出厂前必须逐一标定，确定每套检定仪独有的标定曲线。

本发明利用电子同步器高速同步触发第一光电探测器和外部已标定的第二光电探测器， 实现对烟雾散射光功率和透射光功率的同步采集，建立散射光与透射光变化精确的函数关系， 克服现实中无法制造标准烟雾试样的难题。应用烟雾检定仪时，根据事先确立的函数，由实 测的散射光功率反演出烟雾的透射光功率，从而获得被测烟雾的遮光率或浓度。该方法具有 无需标准烟雾试样、标定时烟雾浓度任意等优点，适用于散射型烟雾传感器的检定或出厂标 定工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可 以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修 改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变 型在内。