双光路烟雾测量系统设计

摘 要： 介绍了一种基于双光路法的烟雾测量系统的设计方案。通过朗伯-比尔定律，采用双光路法消除了温度、湿度等环境因素对系统的影响，并结合软件滤波算法，有效地抑制外界及传感器自身的干扰，取得了较好的测量效果。实际测量表明，该系统运行稳定、可靠性高、有效避免干扰，能实现较高精度的测量。
关键词： 双光路；朗伯-比尔定律；滤波算法；测量系统；烟雾测量

　火灾烟雾是火灾的前兆和伴随产物，是可燃物燃烧产生的气溶胶，是火灾探测研究的重要参量，其主要成分包括微小固体颗粒、微小液滴及灰尘等[1]。探测这些烟雾颗粒，也就可以实施火灾探测。本文基于消光原理，结合相关硬软件设计，提出一种基于双光路的烟雾测量系统。采用双光路法，有效消除了外界温度、湿度等影响，可以准确测量烟雾浓度。
1 测量原理及分析
　Lambert-Beer定律的推导与分析如下：当光在吸收介质和混沌介质中传播时，能量在其传播途径上不断地衰耗，在线性范围内，对于平面波，传播途径损耗的能量与光通过的距离成正比[2]，即：

　
　在实际应用中通常采用如下形式：
　当一束光在穿过烟雾场之后，与悬浮颗粒相互作用，强度会发生衰减。颗粒对光的衰减影响包括散射与吸收两种方式[3]。光强在烟雾中随传播距离的强度衰减可用Lambert-Beer定律定量地描述：

2 光路设计
　利用本系统测量时，只须测量参考光臂和测量光臂的信号强度的差值，即可测出烟雾衰减，通过计算就可得出烟雾浓度。系统采用双光路法测量，其光路设计框图如图2所示。

　本设计中激光器采用体积较小的半导体激光器，波长为650 nm，激光束通过分光镜分为测量光束和参考光束两种。由于引入激光作为入射光源，克服了光电感烟探测器由于光强限制造成的灵敏度问题，且降低了背景光的干扰，突破了传统的光电感烟技术仅仅针对光强一项参量作为直接或间接的探测依据。传感器采用型号为2CU68A的光电池，光电池带有滤光片，工作波长为530 nm~850 nm，峰值波长为650 nm。在实际测量中，多少会有前向散射光被收集。对于小颗粒，入射光在各个方向都会被散射，但前向散射光强仅占总光强的很小一部分。随着颗粒粒径的增大，前向散射的光强变得越来越大。对于明火燃烧的烟雾来说，散射效应的影响不大，70％及更多的入射光强衰减都是由吸收造成的。但尽管如此，在测量光路中加了准直镜后，可以尽可能地避免前向散射光强对测量结果的影响。
　系统工作时，光学部分分为测量光臂和参考光臂，通过主控制板控制步进电机进行调制，测量光臂和参考光臂分时照到传感器上，实现分时测量。假设在没有烟雾时，测量光臂和参考光臂的信号输出分别为I1、I2；在有烟雾时，测量光臂和参考光臂的信号输出分别为I3、I4，则可得出衰减系数，通过微处理器计算，即可得出烟雾浓度。
3 硬件电路设计
　系统采用了高精度的模数转换芯片，实现光电信号的快速、精确测量，结合CAN总线稳定、高速等特点，实现数据的实时传输，并且采用了RS232通信接口，可方便地与PC机建立通信，实现用上位机程序对测量数据进行分析及处理。系统电路框图如图3所示。