雙光路煙霧測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了一種基于雙光路法的煙霧測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)朗伯-比爾定律，采用雙光路法消除了溫度、濕度等環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響，并結(jié)合軟件濾波算法，有效地抑制外界及傳感器自身的干擾，取得了較好的測(cè)量效果。實(shí)際測(cè)量表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、有效避免干擾，能實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量。
關(guān)鍵詞： 雙光路；朗伯-比爾定律；濾波算法；測(cè)量系統(tǒng)；煙霧測(cè)量

　火災(zāi)煙霧是火災(zāi)的前兆和伴隨產(chǎn)物，是可燃物燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，是火災(zāi)探測(cè)研究的重要參量，其主要成分包括微小固體顆粒、微小液滴及灰塵等[1]。探測(cè)這些煙霧顆粒，也就可以實(shí)施火災(zāi)探測(cè)。本文基于消光原理，結(jié)合相關(guān)硬軟件設(shè)計(jì)，提出一種基于雙光路的煙霧測(cè)量系統(tǒng)。采用雙光路法，有效消除了外界溫度、濕度等影響，可以準(zhǔn)確測(cè)量煙霧濃度。
1 測(cè)量原理及分析
　Lambert-Beer定律的推導(dǎo)與分析如下：當(dāng)光在吸收介質(zhì)和混沌介質(zhì)中傳播時(shí)，能量在其傳播途徑上不斷地衰耗，在線性范圍內(nèi)，對(duì)于平面波，傳播途徑損耗的能量與光通過(guò)的距離成正比[2]，即：

　
　在實(shí)際應(yīng)用中通常采用如下形式：
　當(dāng)一束光在穿過(guò)煙霧場(chǎng)之后，與懸浮顆粒相互作用，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減。顆粒對(duì)光的衰減影響包括散射與吸收兩種方式[3]。光強(qiáng)在煙霧中隨傳播距離的強(qiáng)度衰減可用Lambert-Beer定律定量地描述：

2 光路設(shè)計(jì)
　利用本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，只須測(cè)量參考光臂和測(cè)量光臂的信號(hào)強(qiáng)度的差值，即可測(cè)出煙霧衰減，通過(guò)計(jì)算就可得出煙霧濃度。系統(tǒng)采用雙光路法測(cè)量，其光路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　本設(shè)計(jì)中激光器采用體積較小的半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為650 nm，激光束通過(guò)分光鏡分為測(cè)量光束和參考光束兩種。由于引入激光作為入射光源，克服了光電感煙探測(cè)器由于光強(qiáng)限制造成的靈敏度問(wèn)題，且降低了背景光的干擾，突破了傳統(tǒng)的光電感煙技術(shù)僅僅針對(duì)光強(qiáng)一項(xiàng)參量作為直接或間接的探測(cè)依據(jù)。傳感器采用型號(hào)為2CU68A的光電池，光電池帶有濾光片，工作波長(zhǎng)為530 nm~850 nm，峰值波長(zhǎng)為650 nm。在實(shí)際測(cè)量中，多少會(huì)有前向散射光被收集。對(duì)于小顆粒，入射光在各個(gè)方向都會(huì)被散射，但前向散射光強(qiáng)僅占總光強(qiáng)的很小一部分。隨著顆粒粒徑的增大，前向散射的光強(qiáng)變得越來(lái)越大。對(duì)于明火燃燒的煙霧來(lái)說(shuō)，散射效應(yīng)的影響不大，70％及更多的入射光強(qiáng)衰減都是由吸收造成的。但盡管如此，在測(cè)量光路中加了準(zhǔn)直鏡后，可以盡可能地避免前向散射光強(qiáng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
　系統(tǒng)工作時(shí)，光學(xué)部分分為測(cè)量光臂和參考光臂，通過(guò)主控制板控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)制，測(cè)量光臂和參考光臂分時(shí)照到傳感器上，實(shí)現(xiàn)分時(shí)測(cè)量。假設(shè)在沒(méi)有煙霧時(shí)，測(cè)量光臂和參考光臂的信號(hào)輸出分別為I1、I2；在有煙霧時(shí)，測(cè)量光臂和參考光臂的信號(hào)輸出分別為I3、I4，則可得出衰減系數(shù)，通過(guò)微處理器計(jì)算，即可得出煙霧濃度。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)采用了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的快速、精確測(cè)量，結(jié)合CAN總線穩(wěn)定、高速等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，并且采用了RS232通信接口，可方便地與PC機(jī)建立通信，實(shí)現(xiàn)用上位機(jī)程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。